用于计数粒子的新型图像识别技术可提供扩散信息

一组科学家发明了一种新技术，利用图像识别来计算虚拟盒子中的粒子数量，从而确定微观相互作用粒子的动态。通过改变观察盒的大小，这种计数方法可以研究集体系统的动态，即使对于悬浮在流体中的密集粒子群也是如此。

一个多世纪以来，各类科学家都在试图利用粒子计数，例如液体中进行布朗宁运动的分子，这是从研究细胞的生物学到研究分子和物理学的化学家等许多学科的科学家都想知道的。

表征这种运动的一个有用方法是通过“扩散常数”，它描述了流体中平均粒子的移动速度。这个数字可以通过跟踪单个粒子随机穿过流体来计算。扩散常数是平均位移和时间之间的比例常数的一半。

为了解决这一限制，巴黎索邦大学的索菲亚·马尔巴赫和她的同事发明了一种他们称之为“计数镜”的技术。它使用图像识别软件来计算样本中一个假想盒子里的粒子数量，这个盒子里可能有数千个粒子。

粒子系统可以是胶体(悬浮在液体中的粒子)或细胞生物，甚至是人造的。这些盒子中的粒子数量(有限的观察体积)可以随着粒子进入或离开视野而变化，就像它们在显微镜中一样。用户可以选择所需的计数盒大小，以便在更大或更小的尺度上研究粒子的动态。

但如果粒子数量众多和/或难以区分，跟踪粒子路径和位移可能会很困难，甚至不可能。

为了解决这个问题，该团队开发了一个方程，该方程使用盒子中波动的粒子计数，也可以用于计算扩散常数并推断相互作用的粒子悬浮液的动态特性。然后只需通过计数和计算就可以推导出该常数。

研究小组在一个装满水的细胞中，在直径为 2.8 微米的塑料球二维层上测试了他们的技术。利用这种人工胶体系统，他们选择了边长为 4 至 32 微米的方形盒子。这些盒子用定制的倒置显微镜成像。然后，他们的软件逐个计算每个盒子中的颗粒数量。

利用这些数据，他们可以计算出相对于第一个盒子的粒子数量的平均变化，他们发现粒子数量随时间平方根而增加。通过这种方法，他们得到的扩散常数值与从更传统的粒子轨迹重建方法中获得的值相匹配。

当他们增加模拟胶体中的粒子数量时，粒子会从起始点扩散开来，这在意料之中。他们的方法仍然有效，但他们开始在原型装置中看到临时粒子束的形成，大约 10 个左右。这是传统研究中未见过的现象，因为一次只跟踪一个粒子无法发现粒子束。

虽然粒子在原型胶体中没有相互作用，但现实世界的实验通常不能近似为无相互作用的系统。与密度较低的系统(由球体的“填充率”指定)不同，该团队发现，在填充率较高的情况下，它们的数学表达式会出现显著偏差。

这是由于粒子之间的相互作用，当流体动力学和/或空间因素使系统变得复杂时，他们能够修改其分析。(流体动力学效应是由粒子在流体中的运动引起的，而空间效应则源于粒子的空间排列。)

事实上，在他们的分析中出现了一个新的长度尺度，描述了超齐形粒子行为和集体状态之间的转变。

研究小组相信他们的方法可以得到扩展。他们在论文中写道：“我们相信我们的分析方法可以扩展到三维空间、固体或晶体。”

“其他科学家肯定对我们的做法很感兴趣，”马尔巴赫说。“实际上，这是一件非常简单的事情，一些同事只是在自己的数据上尝试了一下，结果根据他们正在研究的系统不同，出现了类似或不同的结果。”

她继续说道：“许多科学家希望利用该框架来研究胶体之外的多种系统：微藻、细菌、活性胶体、胶体玻璃、分子等，”她说。

她表示，未来的研究有很多方向——改进计数镜技术，扩展它并推广它，以“包括探测扩散以外的不同动力学特征的可能性。例如，在微藻/细菌/活性胶体中，我们需要知道如何解决主动游泳速度。”

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