Vi har skabt en enhed, der kunne tillade øjeblikkelig sygdomsdiagnose, mens den passer ind i din telefonlinse

Infektionssygdomme som malaria er fortsat en førende dødsårsag i mange regioner. Dette skyldes til dels, at folk der ikke har adgang til medicinske diagnostiske værktøjer, der kan opdage disse sygdomme (sammen med en række ikke-smitsomme sygdomme) på et tidligt tidspunkt, når der er mere mulighed for behandling.

Det er en udfordring, videnskabsmænd har taget op til, med et mål om at demokratisere sundhedsvæsenet til økonomisk dårligt stillede mennesker verden over.

Mine kolleger og jeg har udviklet en ny metode til undersøgelse af biologiske celler, som er lille nok til at passe ind i en smartphone-linse.

Selvom vi hidtil kun har testet det i laboratoriet, håber vi i fremtiden, at denne nanoteknologi kan muliggøre sygdomsdetektion i den virkelige verden med kun en mobil enhed. Vi håber, at vores arbejde i sidste ende kan hjælpe med at redde millioner af liv.

Sådan undersøger man en biologisk celle

At kunne undersøge biologiske celler gennem optiske mikroskoper er en grundlæggende del af medicinsk diagnostik.

Dette skyldes, at specifikke ændringer i celler, der kan observeres under et mikroskop, ofte er tegn på sygdomme. I tilfælde af malaria, for eksempel, involverer guldstandardmetoden til påvisning at bruge mikroskopbilleder til at identificere specifikke ændringer i en patients røde blodlegemer.

Men biologiske celler er gode til at gemme sig. Mange af deres indre funktioner er praktisk talt gennemsigtige og næsten usynlige for konventionelle mikroskoper. For at gøre disse funktioner synlige, er vi nødt til at anvende tricks.

En måde er at indføre en form for kemisk farvning, som tilføjer kontrast til cellernes gennemsigtige træk.

Andre tilgange bruger en proces kaldet "fasebilleddannelse". Fasebilleddannelse udnytter det faktum, at lys, som er passeret gennem cellen, indeholder information om de gennemsigtige dele af cellen - og gør denne information synlig for det menneskelige øje.

Konventionelle fasebilleddannelsesmetoder er afhængige af en række omfangsrige komponenter såsom prismer og interferensopsætninger, som koster tusindvis af dollars. Desuden kan dyrt og omfangsrigt udstyr ikke nemt gøres tilgængeligt i fjerntliggende regioner og økonomisk ugunstigt stillede lande.

Gå ind i nanoteknologi

En stor videnskabelig indsats er i øjeblikket rettet mod at udnytte nanoteknologi til at erstatte traditionelle store optiske komponenter.

Dette gøres ved at skabe nanometertykke enheder med potentiale til lavpris masseproduktion. Disse enheder kan blive integreret i mobile enheder, såsom smartphone-kameraer, i fremtiden.

I det specifikke tilfælde med fasebilleddannelse har forskere tidligere kun været i stand til at udvikle systemer, der:

• er afhængige af tidskrævende beregningsmæssig efterbehandling, som gør processen mere kompleks og ikke tillader billeddannelse i realtid
• brug stadig mekanisk bevægelige eller roterende dele. På grund af pladskravene til disse dele er de inkompatible med helt flade optiske komponenter og ultrakompakt integration.

Vi har udviklet en enhed, der kan udføre øjeblikkelig fase-billeddannelse uden disse begrænsninger. Vores løsning er kun et par hundrede nanometer tyk og kan integreres i kameralinser i form af en flad film oven på linsen.

Sådan gjorde vi det

Vi indskrev en nanostruktur i en meget tynd film (mindre end 200 nanometer tyk), som muliggør fasebilleddannelse ved hjælp af en effekt, der nogle gange omtales som "optisk spin-orbit-kobling."

Funktionsprincippet er enkelt. En gennemsigtig genstand, såsom en biologisk celle, placeres oven på enheden. Lyset skinner gennem cellen, og cellens tidligere usynlige struktur bliver synlig på den anden side.

I vores seneste publikation i ACS Photonics , beskriver vi, hvordan vi med succes demonstrerede brugen af ​​denne metode i et laboratoriemiljø med kunstigt genererede gennemsigtige objekter. Objekterne var kun få mikrometer store og derfor sammenlignelige med biologiske celler.

Da denne metode muliggør fasebilleddannelse, men ikke beskæftiger sig med forstørrelsen af ​​små objekter såsom celler, kræver den i øjeblikket stadig voluminøse linser for at give forstørrelse. Vi er dog overbeviste om, at vores enhed i fremtiden kan integreres med flade linser, som kommer fra andre fremskridt inden for nanoteknologi.

Hvor kan det føre os hen?

En udfordring med den nuværende enhedsprototype er fremstillingsomkostningerne på cirka 1.000 A$. Vi brugte flere kostbare nanofremstillingsmetoder, der også bruges til fremstilling af computerchips.

Når det er sagt, tror vi, ved at udnytte stordriftsfordelene forbundet med chipproduktion, at vi kan opnå den hurtige og billige produktion af denne enhed inden for de næste par år.

Indtil videre har vi kun udført dette arbejde i laboratoriet. At se teknologien blive tilgængelig i medicinske mobile enheder vil kræve samarbejde med ingeniører og medicinske videnskabsmænd, der specialiserer sig i udviklingen af ​​sådanne værktøjer.

Vores langsigtede vision for teknologien er at tillade mobile enheder at undersøge biologiske prøver på en måde, som endnu ikke har været mulig.

Udover at tillade fjernmedicinsk diagnostik, kunne det også give hjemmesygdomsdetektion, hvor en patient kunne få deres egen prøve gennem spyt eller et blodstik og sende billedet til et laboratorium hvor som helst i verden. + Udforsk yderligere

Nyt nanoteknologisk billedbehandlingsværktøj kan muliggøre diagnosticering af smartphone-sygdomme

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.