口袋里的实验室

研究人员用绑在科迪风筝上的智能手机拍摄了法属波利尼西亚的海岸线。资料来源:雷诺

随着夏天的到来，美国东海岸进入假期:海滩、野餐，当然还有蚊子。弗吉尼亚的威廉王子郡也不例外。该县官员一直在设置陷阱来收集蚊子并研究它们的致病性。

通常，这些蚊子实验包括将它们带回实验室分析它们携带的病原体核苷酸信号，这个过程需要几天时间。但是去年九月约瑟夫·拉塞尔使用汽车的空调设备获得了同样的数据。多亏了他的智能手机和手持设备two3。

Two3由手机软件控制，可同时检测从两个序列靶标提取的三种核苷酸提取物中的一种。此外，人们只需要打开顶盖，放入样本试管并按下开关。“当我在下一个地方收集蚊子时，我知道上一个采样点的结果。”马里兰州MRIGlobal的博士后研究员拉塞尔说。

拉塞尔只是其中之一。目前，随着手机功能的日益强大，越来越多的研究人员正在将实验从实验室转移到领域。

洛杉矶加利福尼亚大学的电气和生物工程师艾多根·奥兹坎(Aydogan Ozcan)说，智能手机结合了计算机、照相机、全球定位系统、网络、传感器和电池，就像“瑞士军刀”，拥有几乎“18项技能”。奥兹坎用了10年时间把手机变成了一台功能强大的显微镜和生物传感器。

此外，随着数十亿通信设备和蜂窝网络的覆盖以及数据传输速度的不断提高，研究人员正在使用移动电话进一步开展他们的科学研究。目前，智能手机广泛用于科学和医疗目的。

奥兹坎的团队目前正在开发更精确、更灵敏的成像器，可以用来对单个病毒和DNA分子进行成像。康奈尔大学的机械工程师大卫·埃里克森和营养学家绍拉布·梅塔开发了一种名为“营养电话”的手机系统，可以检测病人血液中的微量元素，如维生素B12和铁。

目前，甚至有基于手机的DNA测序仪。牛津纳米孔技术公司宣布，预计将在今年年底推出一款名为SmidgION的商用设备。今年1月，瑞典斯德哥尔摩大学的Mats Nilsson展示了一种3D打印智能手机连接器，这种连接器可以用来检测DNA突变。

肿块诊断

也许智能手机的颠覆潜力在发展中国家最为明显。在“资源匮乏”的环境下，专业人员和实验室设备也供不应求。电力和清洁水等重要基础设施也不可靠。但是蜂窝网络可以提供一些帮助。

2014年，加拿大多伦多总医院的热带医学专家伊萨克·波哥大一直在研究科特迪瓦农村地区的血吸虫病。他提到，血吸虫病是科特迪瓦的一种地方病，但只要医务人员能够接触和使用显微镜，就很容易诊断和治疗。然而，通常他们不能。

为了突破这一困境，波哥大和他的同事将智能手机改造成便携式显微镜，并教当地技术人员如何使用它来检测潜在患者的尿液和粪便。"与将病人或样本转移到远程实验室不同，我们可以将实验室带给人们."他说。

据报道，Bogoch等人用双面胶带将直径为3毫米的球面透镜固定在手机的后摄像头上。在测试中，研究人员使用显微镜观察了200个粪便样本，并在样本中发现了不同类型的寄生虫。结果表明，用智能手机改装的显微镜达到了传统显微镜的70%的精度。

此外，芬兰赫尔辛基大学分子医学实验室主任约翰·伦丁(Johan Lundin)和其他人开发了一种使用移动电话组件的自动荧光载玻片扫描仪，该扫描仪也可用于诊断血吸虫病。他们最近在坦桑尼亚进行了测试。

伦丁说，尽管参与的学校没有电，但在现场收集的照片可以上传到赫尔辛基大学的服务器上。

波哥大的团队还在更偏远的村庄培训显微镜师，从人类尿液和粪便中识别血吸虫卵。相关的项目使用一个简单的三维打印电话连接-手机示波器。

该设备是由加州大学伯克利分校的生物工程师丹尼尔·弗莱彻开发的。它主要是基于一个可拆卸的组件，可以逆转智能手机的镜头，以扩大图像。与此同时，弗莱彻的团队还使用细胞镜寻找其他寄生虫，如罗哈斯。

“在实验室开发一种设备，然后证明它能够工作，这是一回事。”弗莱彻说，“但是让这些设备在野外工作是一个非常困难的过渡。当它真的起作用时，很难相信它被使用了。”

广泛应用

其他人使用智能手机进行教学。梅根·斯佩里(Megan Sperry)和海蒂·诺顿(Heidi Norton)是宾夕法尼亚大学生物工程专业的研究生，他们与教育机构Biomeme和TechGirlz合作，用手机向18名女生教授现代分子生物学。

该团队从费城的三家餐馆订购了新鲜生鱼片，然后用两份来检查菜单是否准确描述了鱼的种类。但不是一半的情况。斯佩里说，对学生来说，把课堂和生活结合起来会使学习更有趣。“这是一个真实的实验案例:我们吃鱼，然后我们做基因分析，看看菜单是否正确。”她说。

同样，斯坦福大学的生物工程师英格玛·里德尔·克鲁斯用手机制作了一个教学显微镜。里德尔-克鲁斯开发了一种3D打印的LudusScope。该设备包括一个由操纵杆控制的发光二极管灯，学生可以用它来驱动视野中的光线，对单细胞原生动物做出反应。

西班牙生物医学研究所的工程师兼经理朱利安·科伦贝利将智能手机电池和乐高积木结合起来解释发光显微镜的原理。科伦坡利说，乐高式英语系统不是真正的显微镜，它不包括放大镜。但它能成像1~2厘米的物体，大约是小鼠胚胎的大小。这种设备的成本约为200美元，不包括手机。

Colombelli和他在光学研究所Jordi Andilla的同事最初设计了LEGOLish作为2014年显微镜会议最佳海报奖。但是他们后来升级了设计，使其适合科学应用，尽管成本比以前高10倍。“我们认为这将有助于许多办公室在一周内以不到2000美元的成本构建一个可用的系统。”他说。

离开实验室

智能手机的便携性使其在偏远地区特别有用。去年年底，缅因州比洛克西海洋实验室的海洋微生物学家彼得·康特威在南极洲北部的帕尔默站使用了两个3。他们使用该设备研究海洋细菌如何代谢二甲基磺丙基酯，这是一种由浮游植物产生的有机硫化合物，可以反映全球气候模式的变化。

此外，爱尔兰都柏林大学学院的伊曼纽尔·雷诺也用智能手机研究了法卡拉瓦岛珊瑚礁的健康状况和结构。

为了获得广角视角，研究人员使用科迪·凯特将一款廉价的安卓手机带到空中，然后每隔6小时拉一次风筝。手机可以每20分钟拍一张照片，然后把照片和数据传送到下面的电脑。硬件的总成本只有400美元左右。

此外，越来越多的手机可以收集医疗相关数据，如心率等。今年4月，CNBC报道称，苹果公司正在开发能够通过皮肤测量血糖的传感器。研究人员正在寻找利用这些数据回答科学问题的新方法。

例如，苹果的研究工具包允许科学家使用苹果的手机招募志愿者参与实验并管理相关工作。“我认为这是一个非常好的主意。”西奈山伊坎医学院的伊冯·陈(Yvonne Chan)表示，研究工具包可以将普遍需求与人们内在的科学好奇心结合起来，以完成一些“卓越的事情”。

当苹果在2015年发布其研究工具包时，它也宣布使用该软件启动五项研究。一些研究使用手机传感器来记录患者的症状，而另一些研究使用这些工具来诊断患者或收集手机用户上传的数据。

陈负责其中一个研究项目(哮喘健康研究)。研究人员要求参与者每天回答健康问题，然后将数据与参与者的位置信息联系起来。她提到，得益于苹果的营销能力，相关应用的渗透率高于预期，3000人完成注册，仅3天就同意参与。

无论手机的优势是否会消失，有一点是肯定的:没有迹象表明全球智能手机开发商之间的技术竞争会放缓。这对消费者来说是好消息，对科学来说也是好消息。(唐毅宸编译)

《中国科学日报》(第三版国际版，2017年6月28日)