Wetenschap
Een ultracompacte multimode metamicroscoop
Veelzijdigheid en miniaturisering van beeldvormingssystemen zijn van groot belang in de huidige informatiemaatschappij. Microscopische beeldvormingstechnieken zijn altijd onmisbaar geweest voor wetenschappelijk onderzoek en ziektediagnose op biomedisch gebied, dat ook een stap richting integratie, draagbaar en multifunctioneel gebied maakt.
De optische microscooptechniek omvat gewoonlijk helderveld-, donkerveld- en fluorescentiebeeldvorming, die gewoonlijk gebaseerd zijn op omslachtige optische componenten. Vooral voor fluorescentie- en donkerveldmicroscopie is het blokkeren van ongewenst achtergrondstrooilicht om de hoge SNR te garanderen van groot belang voor de beeldprestaties.
Het gebruik van geleide golfverlichting maakt het mogelijk om twee beeldvormingstechnieken te combineren, maar de systemen zijn nog steeds omvangrijk en ingewikkeld. Een veelbelovende route naar een compacte microscoop is het gebruik van metalensen, die bestaan uit nanostructuren met een subgolflengte met krachtige mogelijkheden om de amplitude en fase van licht te moduleren.
Hoewel innovatieve metalenses zijn aangetoond voor fluorescentiemicroscopie, zijn de voordelen van ultradunne en platte architectuur voor miniaturisatie nog niet onthuld.
De groep van professor Tao Li &Shining Zhu van de Universiteit van Nanjing rapporteerde een geminiaturiseerde multimode microscoop voor helderveld-, donkerveld- en fluorescentiebeeldvorming door de introductie van geleide golfverlichting. Door de lichtbron handig te wisselen, kunnen drie beeldvormingsmodi samenwerken of afzonderlijk werken binnen een zeer compacte microscoop (enkele centimeters groot).
Met name biedt de voorgestelde geleide-golfverlichtingsmodule niet alleen een beeldvormingsmodus met weinig ruis, maar verkleint ook de systeemgrootte verder, wat de compacte microscoop zeer ten goede komt.
Als resultaat wordt een metalens-array ontworpen en vervaardigd met een vergroting van 3,5x bij beeldvorming (werkend bij λ =470 nm), wat overeenkomt met de emissiegolflengte van fluorescentiebeeldvorming. De beeldresolutie bedraagt ongeveer 714 nm, wat subcellulaire beeldvorming garandeert. Bovendien hebben experimenten de potentiële toepassingen van microfluïdische beeldvormingstechnieken aangetoond om microfluïdische beeldvormingssystemen verder te miniaturiseren.
Concluderend stellen en demonstreren de onderzoekers een geminiaturiseerde multimode meta-microscoop op basis van geleide golfverlichting. Er worden drie beeldvormingsmodi gerealiseerd binnen een prototype op centimeterschaal, waaronder helderveld-, donkerveld- en fluorescentiemodi.
De voorgestelde geleidegolfverlichting bespaart verder de ruimte om aan deze compactheid te voldoen, die donkerveld- en fluorescentiebeeldvorming aanzienlijk combineert. Een metalens-array is speciaal ontworpen en werkt in een zoom-in-modus (3,5×) en is voorzien van een CMOS-beeldsensor, die is ontworpen met betrekking tot de golflengte van 470 nm die overeenkomt met de emissiegolflengte.
De halve toonhoogte-resolutie bedraagt ongeveer 714 nm, wat een subcellulaire beeldresolutie garandeert. Dit is met name de eerste meta-apparaatimplementatie van multimode beeldvorming in een ultracompact systeem, dat naar verwachting real-time visualisatie van celcultuur mogelijk zal maken en in de toekomst een grote impact zal hebben op biomedisch gebied.
Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Devices &Instrumentation .