单颗粒追踪（Single-Particle Tracking,SPT）技术被誉为揭示纳米尺度下分子与颗粒动态行为的“火眼金睛”，能够在生命活动的原生环境中，实时、可视地捕捉单个分子或纳米颗粒的运动轨迹，是研究分子相互作用、细胞信号传导、药物递送机制等重要生物物理过程的关键工具。尤其在异质性体系（如活细胞内复杂环境）中，SPT能分辨不同群体的运动行为，揭示被传统群体平均测量所掩盖的动力学细节，为理解生命活动的微观机制提供前所未有的时空分辨率。

然而，该技术的广泛应用长期面临两大挑战：基于荧光的SPT需依赖复杂标记且易受光子饱和限制，影响成像速度与定位精度；而基于光散射的无标记SPT则因对高端光学系统（如强激光器、高数值孔径物镜）的严苛要求与高昂成本，难以广泛推广。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院医学成像科学与技术系统全国重点实验室、医工所传感中心杨慧研究员团队，以封面论文形式在Small Methods上发表了题为"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，成功开发出一种基于“片上微透镜阵列”的新型光学传感器。

该传感器的核心创新在于采用高折射率介质微球构建的微透镜芯片。与现有近场光学增强技术（增强范围高度局域化）不同，该传感器通过“增强型长程光场”与“纳米颗粒–微透镜复合相互作用”新机制，实现了十倍于传统近场技术的超长光散射增强范围。

首次将高性能S-SPT技术的强大能力扩展至普通明场显微镜，仅需使用非相干白光光源（如LED）和低照明功率即可实现高精度探测

这一技术突破，成功将高性能无标记SPT技术从依赖特种光学系统的“精密试验”，转变为在普通明场显微镜上即可实现的“常规观测”。具体而言，该技术展现出三大优势：

1. 极低系统门槛：仅需配备常规明场显微镜、非相干明场光源和以及低照明功率，大幅降低了技术与成本壁垒。

2. 卓越综合性能：在750 µm²的大视场下，仅用200 µs的超短曝光时间，即可对溶液中微小至60 nm的颗粒实现2.9nm的纳米级定位精度。

3. 超长工作距离：其增强范围远超传统近场技术，为观测颗粒的三维运动轨迹提供了更大空间。

研究团队提出的这项新型传感器，不仅攻克了长期存在的技术难题，更重要的是，它构建了一个更易获取、性能强大的开放式研究平台。这项曾经“高不可攀”的技术，如今变得直接、经济、易于实施。该平台所具有的纳米级定位精度、亚毫秒时间分辨率、大视场观测能力以及对普通光学系统的兼容性，将作为一项支撑性工具，为超灵敏生物传感器开发、疾病早期诊断、纳米药物开发、单分子动力学分析等众多前沿领域提供强大的工具支持。

图1. Small Methods封面图

图2. 溶液中运动纳米颗粒实时追踪，实现超高时间分辨率及纳米级定位精度测定;(a).片上光散射增强示意图;(b). 光学系统示意图;(c). 典型单颗粒的图像序列成像;(d). 单个颗粒的运动轨迹;(e). 不同尺寸颗粒的直径测量;(f). 不同尺寸颗粒均方位移曲线分析