單顆粒追蹤（Single-Particle Tracking,SPT）技術被譽為揭示納米尺度下分子與顆粒動態行為的“火眼金睛”，能夠在生命活動的原生環境中，實時、可視地捕捉單個分子或納米顆粒的運動軌跡，是研究分子相互作用、細胞信號傳導、藥物遞送機制等重要生物物理過程的關鍵工具。尤其在異質性體系（如活細胞內復雜環境）中，SPT能分辨不同群體的運動行為，揭示被傳統群體平均測量所掩蓋的動力學細節，為理解生命活動的微觀機制提供前所未有的時空分辨率。

然而，該技術的廣泛應用長期面臨兩大挑戰：基于熒光的SPT需依賴復雜標記且易受光子飽和限制，影響成像速度與定位精度；而基于光散射的無標記SPT則因對高端光學系統（如強激光器、高數值孔徑物鏡）的嚴苛要求與高昂成本，難以廣泛推廣。

近日，中國科學院深圳先進技術研究院醫學成像科學與技術系統全國重點實驗室、醫工所傳感中心楊慧研究員團隊，以封面論文形式在Small Methods上發表了題為"On-Chip Light-Scattering Enhancement Enabled by a Microlens Array for High-Performance Single-Particle Tracking under Conventional Bright-Field Microscopy"的研究成果，成功開發出一種基于“片上微透鏡陣列”的新型光學傳感器。

該傳感器的核心創新在于采用高折射率介質微球構建的微透鏡芯片。與現有近場光學增強技術（增強范圍高度局域化）不同，該傳感器通過“增強型長程光場”與“納米顆粒–微透鏡復合相互作用”新機制，實現了十倍于傳統近場技術的超長光散射增強范圍。

首次將高性能S-SPT技術的強大能力擴展至普通明場顯微鏡，僅需使用非相干白光光源（如LED）和低照明功率即可實現高精度探測

這一技術突破，成功將高性能無標記SPT技術從依賴特種光學系統的“精密試驗”，轉變為在普通明場顯微鏡上即可實現的“常規觀測”。具體而言，該技術展現出三大優勢：

1. 極低系統門檻：僅需配備常規明場顯微鏡、非相干明場光源和以及低照明功率，大幅降低了技術與成本壁壘。

2. 卓越綜合性能：在750 μm2的大視場下，僅用200 μs的超短曝光時間，即可對溶液中微小至60 nm的顆粒實現2.9nm的納米級定位精度。

3. 超長工作距離：其增強范圍遠超傳統近場技術，為觀測顆粒的三維運動軌跡提供了更大空間。

研究團隊提出的這項新型傳感器，不僅攻克了長期存在的技術難題，更重要的是，它構建了一個更易獲取、性能強大的開放式研究平臺。這項曾經“高不可攀”的技術，如今變得直接、經濟、易于實施。該平臺所具有的納米級定位精度、亞毫秒時間分辨率、大視場觀測能力以及對普通光學系統的兼容性，將作為一項支撐性工具，為超靈敏生物傳感器開發、疾病早期診斷、納米藥物開發、單分子動力學分析等眾多前沿領域提供強大的工具支持。

圖1. Small Methods封面圖

圖2. 溶液中運動納米顆粒實時追蹤，實現超高時間分辨率及納米級定位精度測定;(a).片上光散射增強示意圖;(b). 光學系統示意圖;(c). 典型單顆粒的圖像序列成像;(d). 單個顆粒的運動軌跡;(e). 不同尺寸顆粒的直徑測量;(f). 不同尺寸顆粒均方位移曲線分析