FlatScope:Team designer linsefrit fluorescerende mikroskop

Linser er ikke længere nødvendige til nogle mikroskoper, ifølge Rice University ingeniører, der udviklede FlatScope, et tyndt fluorescerende mikroskop, hvis evner lover at overgå gamle enheders.

Et papir i Videnskabens fremskridt af Rice ingeniører Ashok Veeraraghavan, Jacob Robinson, Richard Baraniuk og deres laboratorier beskriver et bredfeltsmikroskop, der er tyndere end et kreditkort, lille nok til at sidde på en fingerspids og i stand til mikrometeropløsning over et volumen på flere kubikmillimeter.

FlatScope eliminerer den afvejning, der hindrer traditionelle mikroskoper, hvor arrays af linser enten kan samle mindre lys fra et stort synsfelt eller samle mere lys fra et mindre felt.

Rice-teamet begyndte at udvikle enheden som en del af et føderalt initiativ fra Defense Advanced Research Projects Agency som en implanterbar, høj opløsning neural grænseflade. Men enhedens potentiale er meget større. Forskerne hævder FlatScope, et fremskridt i forhold til laboratoriets tidligere FlatCam, kan bruges som et implanterbart endoskop, et stort areal-kamera eller et fleksibelt mikroskop.

"Vi opfatter dette som en forstærkning af FlatCam, så det kan løse endnu større problemer, " sagde Baraniuk.

Traditionelle fluorescerende mikroskoper er væsentlige værktøjer i biologi. De opfanger fluorescerende signaler fra partikler indsat i celler og væv, der er belyst med specifikke bølgelængder af lys. Teknikken gør det muligt for forskere at sondere og spore biologiske agenser med opløsning i nanometerskala.

Men som alle traditionelle mikroskoper, teleskoper og kameraer, deres opløsning afhænger af størrelsen på deres linser, som kan være store og tunge og begrænse deres anvendelse i biologiske applikationer.

Rice-teamet har en anden tilgang. Den bruger de samme charge-coupled device (CCD)-chips, som findes i alle elektroniske kameraer til at fange indkommende lys, men sammenligningerne stopper der. Ligesom FlatCam-projektet, der inspirerede det, FlatScopes synsfelt er lig med størrelsen af ​​CCD-sensoren, som kan være så stor eller så lille som nødvendigt. Den er flad, fordi den erstatter rækken af ​​linser i et traditionelt mikroskop med en tilpasset amplitudemaske.

Denne maske, som ligner en stregkode, sidder direkte foran CCD'en. Lys, der kommer gennem masken og rammer sensoren, bliver til data, som et computerprogram fortolker til at producere billeder.

Algoritmen kan fokusere på enhver del af de tredimensionelle data, som kikkerten fanger, og producere billeder af objekter, der er mindre end en mikron, hvor som helst i marken.

Den opløsning er det, der gør enheden til et mikroskop, sagde Robinson. "Et kamera i din mobiltelefon eller DSLR får typisk en opløsning i størrelsesordenen 100 mikron, " sagde han. "Når du tager et makrobillede, opløsningen er omkring 20 til 50 mikron.

"Jeg tænker på et mikroskop som noget, der giver dig mulighed for at afbilde ting på mikronskalaen, " sagde han. "Det betyder ting, der er mindre end diameteren af ​​et menneskehår, som celler, dele af celler eller den fine struktur af fibre."

At opnå denne opløsning krævede ændringer af FlatCam-masken for yderligere at reducere mængden af ​​lys, der når sensoren, samt en omskrivning af deres software, sagde Robinson. "Det var ikke så trivielt som blot at anvende FlatCam-algoritmen på de samme teknikker, som vi brugte til at afbilde ting, der er langt væk, " han sagde.

Masken er beslægtet med blænden i et linsekamera, der fokuserer lyset på sensoren, men det er kun et par hundrede mikrometer fra sensoren og tillader kun en brøkdel af det tilgængelige lys at trænge igennem, begrænse mængden af ​​data for at forenkle behandlingen.

"I tilfælde af et megapixel kamera, det beregningsmæssige problem kræver en matrix på en million gange en million elementer, " sagde Robinson. "Det er en utrolig stor matrix. Men fordi vi opdeler det gennem dette mønster af rækker og kolonner, vores matrix er kun 1 million elementer."

Det skærer dataene for hvert snapshot fra seks terabyte til mere praktiske 21 megabyte, hvilket betyder korte behandlingstider. Fra tidlige versioner af FlatCam, der krævede en time eller mere for at behandle et billede, FlatScope fanger 30 billeder med 3D-data i sekundet.

Veeraraghavan sagde, at tingenes spirende internet kan give mange applikationer til flade kameraer og mikroskoper. Det vil til gengæld reducere omkostningerne. "En af de store fordele ved denne teknologi sammenlignet med traditionelle kameraer er, at fordi vi ikke har brug for objektiver, vi har ikke brug for efterfabrikation, " sagde han. "Vi kan forestille os, at dette ruller ud af en fabrikationslinje."

Men deres primære mål er medicinske anvendelser, fra implanterbare skoper til klinikken til mikroskoper i håndfladestørrelse til slagmarken. "At være i stand til at bære et mikroskop i lommen er en smart teknologi, " sagde Veeraraghavan.

Forskerne bemærkede, at mens deres nuværende arbejde er fokuseret på fluorescerende applikationer, FlatScope kan også bruges til lysfelt, mørkfelts- og reflekteret lysmikroskopi. De foreslog, at en række FlatScopes på en fleksibel baggrund kunne bruges til at matche et måls konturer.