Als je door een microscoop kijkt, wat er ook op het toneel staat, wordt zo uitvergroot dat het blote oog het zich nauwelijks kan voorstellen. Terwijl traditionele microscopietechnieken ervoor zorgen dat minuscule details zichtbaar worden, standaarduitrusting geeft ons niet het volledige beeld.

De meeste optische microscopen hebben een beperkt gezichtsveld, slechts één tot twee millimeter. Dit is een groot ongemak voor biowetenschappers en pathologen die afhankelijk zijn van microscopie om ziekten te analyseren en te diagnosticeren, aangezien geprepareerde weefselmonsters afmetingen hebben in het centimeterbereik.

Om aan deze onvervulde klinische behoefte te voldoen, een nieuw microscopieplatform ontwikkeld aan de UConn verwijdert een centraal onderdeel van traditionele microscopen:objectieflenzen. Door lensloos te gaan, onderzoekers kunnen clinici een vollediger beeld geven, leiden tot nauwkeurigere diagnoses.

Guoan Zheng, een professor in biomedische technologie aan de Universiteit van Connecticut, publiceerde onlangs zijn bevindingen over een succesvolle demonstratie van een lensloos on-chip microscopieplatform in Lab on a Chip. Dit platform elimineert een aantal van de meest voorkomende problemen met conventionele optische microscopie en biedt een goedkope optie voor de diagnose van ziekten.

In plaats van lenzen te gebruiken om het weefselmonster te vergroten, Het platform van Zheng is gebaseerd op een diffuser die tussen het monster en de beeldsensor of camera gaat. De diffuser beweegt willekeurig naar verschillende posities terwijl de sensor de beelden verwerft, het verzamelen van de gecodeerde objectinformatie die later zal worden gebruikt om een ​​afbeelding te herstellen voor weergave door clinici of onderzoekers.

De kern van het objectherstelproces is een beeldvormingstechniek die ptychografie wordt genoemd. Ptychografische beeldvorming gebruikt meestal een gefocusseerde straal om een ​​monster te verlichten en het patroon vast te leggen dat door het verstrooide licht wordt gecreëerd. Om een ​​volledig complex beeld, zoals een weefselmonster, te herstellen om te bekijken, ptychografie vereist dat duizenden patronen worden vastgelegd terwijl het monster naar verschillende posities wordt gescand.

"Hoewel ptychografie steeds interessanter is geworden voor wetenschappers over de hele wereld, brede implementatie van de methode werd belemmerd door de lage snelheid en de vereiste van nauwkeurig mechanisch scannen, " zegt Shaowei Jiang, een UConn-afgestudeerde student en de hoofdauteur van de studie.

De nieuwe ptychografische technologie van Zheng pakt deze problemen aan door het monster dicht bij de beeldsensor te brengen. Met deze nieuwe configuratie kan het team het hele beeldsensorgebied als beeldveld gebruiken. In aanvulling, het vereist niet langer het nauwkeurige mechanische scannen dat nodig is voor traditionele ptychografie. Dit komt omdat de nieuwe configuratie het hoogste Fresnel-getal heeft dat ooit is getest voor ptychografie, ongeveer 50, 000. Het Fresnel-getal kenmerkt hoe een lichtgolf een afstand aflegt nadat hij door een opening is gegaan, zoals een gaatje. Het ultrahoge Fresnel-getal dat in de experimenten van Zheng wordt gebruikt, geeft aan dat er zeer weinig lichtdiffractie is van het objectvlak naar het sensorvlak. Lage diffractieniveaus betekenen dat de beweging van de diffuser direct kan worden gevolgd vanaf de vastgelegde onbewerkte beelden, het elimineren van de noodzaak van een nauwkeurig bewegingsstadium, wat cruciaal is voor conventionele ptychografie.

"Deze aanpak verkort de verwerkingstijd, kosten, en zorgt voor een completer beeld van het monster, " zegt Zheng.

Met conventionele lensmicroscopie, wetenschappers kunnen tijdens elke weergave slechts een klein deel van een dia bekijken. Het platform van Zheng biedt een grote verbetering door het gezichtsveld van de microscoop effectief uit te breiden. Het huidige prototype van Zheng biedt een gezichtsveld van 30 mm2, vergeleken met de standaard ~2 mm2. Door een volformaat beeldsensor te gebruiken in een gewone fotocamera, Met de technologie van Zheng kunnen artsen twee hele dia's tegelijk analyseren.

"Stel je voor dat je een heel boek in één keer kunt lezen in plaats van slechts een pagina per keer. Dat is in wezen wat we hopen dat onze technologie clinici in staat zal stellen te doen, " zegt Zheng.

Als toevoeging aan de toch al lange lijst met verbeteringen, Zheng's platform elimineert de noodzaak voor celkleuring. Normaal gesproken, wetenschappers kleuren delen van cellen, zoals de kern, om te zien hoeveel het er zijn. Zheng testte het vermogen van dit platform om automatische celsegmentatie uit te voeren met behulp van de herstelde labelvrije fasekaarten.

Door zijn compacte configuratie en robuuste prestaties, Zheng en zijn team denken dat hun platform geschikt zou zijn voor gebruik in een reeks point-of-care, wereldwijde gezondheid, en telegeneeskundetoepassingen. Hun technologie kan ook nuttig zijn voor röntgen- en elektronenmicroscopie.

"Door onze lensloze, kant-en-klaar weergavesysteem, we kunnen de fysieke beperkingen van optica omzeilen en kwantitatieve informatie met hoge resolutie verkrijgen voor microscopie op de chip. We zijn verheugd om door te gaan met het verfijnen van deze technologie voor commerciële en klinische toepassingen om een ​​tastbare impact te hebben voor patiënten en onderzoekers, "zegt Zheng.

De Lab op een chip papier is getiteld, "Breed veld, hoge resolutie lensloze on-chip microscopie via bijna-veld blinde ptychografische modulatie."