Lenzen zijn bij sommige microscopen niet meer nodig, volgens Rice University-ingenieurs die FlatScope ontwikkelen, een dunne fluorescerende microscoop waarvan de capaciteiten die van ouderwetse apparaten beloven te overtreffen.

Een papier in wetenschappelijke vooruitgang door rijstingenieurs Ashok Veeraraghavan, Jacob Robinson, Richard Baraniuk en hun laboratoria beschrijven een groothoekmicroscoop die dunner is dan een creditcard, klein genoeg om op een vingertop te zitten en in staat tot micrometerresolutie over een volume van enkele kubieke millimeters.

FlatScope elimineert de afweging die traditionele microscopen belemmert waarin arrays van lenzen ofwel minder licht uit een groot gezichtsveld kunnen verzamelen of meer licht uit een kleiner veld kunnen verzamelen.

Het Rice-team begon het apparaat te ontwikkelen als onderdeel van een federaal initiatief van het Defense Advanced Research Projects Agency als een implanteerbaar, neurale interface met hoge resolutie. Maar het potentieel van het apparaat is veel groter. De onderzoekers beweren FlatScope, een voorschot op de eerdere FlatCam van het lab, kan worden gebruikt als implanteerbare endoscoop, een grootbeeldcamera of een flexibele microscoop.

"We zien dit als het versterken van FlatCam, zodat het nog grotere problemen kan oplossen, ' zei Baraniuk.

Traditionele fluorescentiemicroscopen zijn essentiële hulpmiddelen in de biologie. Ze pikken fluorescerende signalen op van deeltjes die in cellen en weefsels zijn ingebracht en die worden verlicht met specifieke golflengten van licht. Met deze techniek kunnen wetenschappers biologische agentia onderzoeken en volgen met een resolutie op nanometerschaal.

Maar zoals alle traditionele microscopen, telescopen en camera's, hun resolutie hangt af van de grootte van hun lenzen, die groot en zwaar kunnen zijn en hun gebruik in biologische toepassingen beperken.

Het Rice-team pakt het anders aan. Het gebruikt dezelfde CCD-chips (charge-coupled device) die in alle elektronische camera's worden gebruikt om binnenkomend licht op te vangen. maar daar houden de vergelijkingen op. Zoals het FlatCam-project dat het inspireerde, Het gezichtsveld van FlatScope is gelijk aan de grootte van de CCD-sensor, die zo groot of zo klein kan zijn als nodig is. Het is plat omdat het de reeks lenzen in een traditionele microscoop vervangt door een aangepast amplitudemasker.

Dit masker, die lijkt op een streepjescode, zit direct voor de CCD. Licht dat door het masker komt en de sensor raakt, wordt gegevens die een computerprogramma interpreteert om beelden te produceren.

Het algoritme kan zich concentreren op elk deel van de driedimensionale gegevens die de scoop vastlegt en afbeeldingen produceren van objecten kleiner dan een micron overal in het veld.

Die resolutie maakt het apparaat tot een microscoop, zei Robinson. "Een camera in uw mobiele telefoon of DSLR heeft meestal een resolutie van 100 micron, "zei hij. "Als je een macrofoto maakt, de resolutie is ongeveer 20 tot 50 micron.

"Ik zie een microscoop als iets waarmee je dingen op micronschaal kunt afbeelden, "zei hij. "Dat betekent dingen die kleiner zijn dan de diameter van een mensenhaar, zoals cellen, delen van cellen of de fijne structuur van vezels."

Het bereiken van die resolutie vereiste aanpassingen aan het FlatCam-masker om de hoeveelheid licht die de sensor bereikt verder te verminderen, evenals een herschrijving van hun software, zei Robinson. "Het was niet zo triviaal als simpelweg het FlatCam-algoritme toepassen op dezelfde technieken die we gebruikten om dingen die ver weg zijn af te beelden, " hij zei.

Het masker is verwant aan het diafragma in een camera met lens die het licht op de sensor focust, maar het is slechts een paar honderd micrometer verwijderd van de sensor en laat slechts een fractie van het beschikbare licht door, beperking van de hoeveelheid gegevens om de verwerking te vereenvoudigen.

"In het geval van een megapixelcamera, dat rekenprobleem vereist een matrix van een miljoen keer een miljoen elementen, Robinson zei. "Het is een ongelooflijk grote matrix. Maar omdat we het opsplitsen via dit patroon van rijen en kolommen, onze matrix is ​​slechts 1 miljoen elementen."

Dat reduceert de gegevens voor elke snapshot van zes terabytes tot een meer praktische 21 megabytes, wat zich vertaalt in korte verwerkingstijden. Van vroege versies van FlatCam die een uur of langer nodig hadden om een ​​afbeelding te verwerken, FlatScope legt 30 frames van 3D-gegevens per seconde vast.

Veeraraghavan zei dat het ontluikende internet der dingen veel toepassingen kan bieden voor platte camera's en microscopen. Dat zou op zijn beurt de kosten drukken. "Een van de grote voordelen van deze technologie in vergelijking met traditionele camera's is dat we geen lenzen nodig hebben, we hebben geen montage achteraf nodig, "zei hij. "We kunnen ons voorstellen dat dit van een fabricagelijn rolt."

Maar hun primaire doelen zijn medische toepassingen, van implanteerbare telescopen voor de kliniek tot microscopen ter grootte van een handpalm voor op het slagveld. "Een microscoop in je zak kunnen dragen is een mooie technologie, ' zei Veeraraghavan.

De onderzoekers merkten op dat hoewel hun huidige werk gericht is op fluorescerende toepassingen, FlatScope kan ook worden gebruikt voor helderveld, donkerveld- en gereflecteerd-lichtmicroscopie. Ze stelden voor een reeks FlatScopes op een flexibele achtergrond te gebruiken om de contouren van een doel te matchen.