Исследователи использовали трехмерную печать для создания недорогого и портативного микроскопа с высоким разрешением, который был бы небольшим и достаточно прочным для использования в полевых условиях или у постели больного. Трехмерные изображения с высоким разрешением, предоставляемые прибором, потенциально могут быть использованы для выявления диабета, серповидноклеточной анемии, малярии и других заболеваний.

«Этот новый микроскоп не требует какого-либо специального окрашивания или маркировки и может помочь расширить доступ к недорогим медицинским диагностическим тестам», — сказал руководитель исследовательской группы Бахрам Джавиди из Университета Коннектикута. «Это было бы особенно полезно в развивающихся частях мира, где существует ограниченный доступ к медицинской помощи и мало высокотехнологичных диагностических учреждений».

Исследователи описывают свой новый микроскоп, который основан на цифровой голографической микроскопии , в Оптического Общества (OSA) журнале Optics Letters . Портативный прибор создает трехмерные изображения с удвоенным разрешением традиционной цифровой голографической микроскопии, которая обычно выполняется на оптическом столе в лаборатории. В дополнение к биомедицинским применениям, он также может быть полезен для исследований, производства, обороны и образования.

«Вся система состоит из трехмерных печатных деталей и широко распространенных оптических компонентов, что делает ее недорогой и простой в репликации», — сказал Джавиди. «Альтернативные лазерные источники и датчики изображения еще больше снизят стоимость, и мы предполагаем, что один блок может быть воспроизведен за несколько сотен долларов. Массовое производство блока также значительно снизит стоимость».

Из лаборатории в поле готов

В традиционной цифровой голографической микроскопии цифровая камера записывает голограмму, создаваемую интерференцией между эталонной световой волной и светом, исходящим из образца. Затем компьютер преобразует эту голограмму в трехмерное изображение образца. Хотя этот микроскопический подход полезен для изучения клеток без каких-либо меток или красителей, он обычно требует сложной оптической установки и стабильной среды, свободной от вибраций и колебаний температуры, которые могут вносить шум в измерения. По этой причине цифровые голографические микроскопы обычно можно найти только в лабораториях.

Исследователи смогли повысить разрешение цифровой голографической микроскопии сверх того, что возможно при равномерном освещении, комбинируя его с техникой сверхразрешения, известной как микроскопия с структурированным освещением. Они сделали это путем генерации структурированного светового рисунка с использованием прозрачного компакт-диска.

«Трехмерная печать под микроскопом позволила нам точно и постоянно выровнять оптические компоненты, необходимые для улучшения разрешения, а также сделать систему очень компактной», — сказал Джавиди.

Тестирование нового микроскопа

Исследователи оценили производительность системы, записав изображения с диаграммой разрешения, а затем используя алгоритм для восстановления изображений с высоким разрешением. Это показало, что новая система микроскопии может разрешать функции размером до 0,775 мкм, что вдвое превышает разрешение традиционных систем. Использование источника света с более короткими длинами волн улучшит разрешение еще больше.

Дополнительные эксперименты показали, что система была достаточно стабильной, чтобы анализировать флуктуации в биологических клетках во времени, которые необходимо измерять в масштабе нескольких десятков нанометров. Затем исследователи продемонстрировали применимость устройства для биологической визуализации путем получения изображения зеленых водорослей в высоком разрешении.

«Наш дизайн обеспечивает высокостабильную систему с высоким разрешением», — сказал Джавиди. «Это очень важно для изучения субклеточных структур и динамики, которые могут иметь удивительно мелкие детали и колебания».

Исследователи говорят, что нынешняя система готова к практическому использованию. Они планируют использовать его для биомедицинских применений, таких как идентификация клеток и диагностика заболеваний, и продолжат сотрудничество со своими международными партнерами для изучения выявления заболеваний в отдаленных районах с ограниченным доступом к медицинской помощи. Они также работают над дальнейшим повышением разрешения и отношения сигнал / шум системы без увеличения стоимости устройства.