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Ein linsenfreies Mikroskop für 1,50 USD
Mit einem Digitalkamerasensor im Wert von 1,50 US-Dollar haben Wissenschaftler von Caltech das bisher einfachste und günstigste Mikroskop ohne Objektiv entwickelt. Ein solches Gerät könnte viele Anwendungen haben, einschließlich der Hilfe bei der Diagnose von Krankheiten in Entwicklungsländern und der Ermöglichung eines schnellen Screenings neuer Medikamente.
Kein Objektiv erforderlich : Forscher Guoan Zheng injiziert eine Probe in den Einlass des optofluidischen Mikroskops.
Der beste Weg, Malaria zu diagnostizieren, besteht derzeit darin, dass ein erfahrener Techniker Blutproben mit einem herkömmlichen optischen Mikroskop untersucht. Dies ist jedoch in Teilen der Welt, in denen Malaria verbreitet ist, unpraktisch. Ein einfaches objektivfreies Bildgebungsgerät, das an ein Smartphone oder einen PDA angeschlossen ist, könnte Krankheiten automatisch diagnostizieren. Ein linsenloses Mikroskop könnte auch für das schnelle Krebs- oder Medikamentenscreening verwendet werden, wobei Dutzende oder Hunderte von Mikroskopen gleichzeitig arbeiten.
Das Caltech-Gerät ist bemerkenswert einfach. Ein System mikroskopischer Kanäle, das als Mikrofluidik bezeichnet wird, führt eine Probe über den lichtempfindlichen Chip, der Bilder in schneller Folge aufnimmt, wenn die Probe hindurchläuft. Im Gegensatz zu früheren Iterationen gibt es keine anderen Teile. Frühere Versionen verfügten über Lochblenden und einen elektrokinetischen Antrieb zum Bewegen von Zellen in einer festen Ausrichtung mit einem elektrischen Feld. Im neuen Gerät wird diese Komplexität durch ein ausgeklügeltes Design und ausgefeiltere Softwarealgorithmen eliminiert. Die Proben fließen aufgrund eines winzigen Druckunterschieds von einem Ende des Chips zum anderen durch den Kanal. Die Hersteller des Geräts nennen es ein optofluidisches Mikroskop mit Subpixel-Auflösung oder SROFM.
Der Vorteil hier ist, dass es einfacher ist als ihre bisherigen Ansätze, sagt David Erickson , einem Mikrofluidik-Experten an der Cornell University.
Zellen neigen dazu, sich Ende über Ende zu rollen, wenn sie einen Mikrofluidikkanal passieren. Das neue Gerät nutzt dieses Verhalten zu seinem Vorteil, indem es Bilder aufnimmt und ein Video produziert. Durch die Abbildung einer Zelle aus jedem Winkel kann ein Arzt ihr Volumen bestimmen, was beispielsweise bei der Suche nach Krebszellen hilfreich sein kann. Changhuei Yang , der das Labor leitet, in dem das Mikroskop entwickelt wurde, sagt, dass Proben wie Blut nicht vorher auf Objektträgern präpariert werden müssen.
Die aktuelle Auflösung des SROFM beträgt 0,75 Mikrometer, was bei 20-facher Vergrößerung mit einem Lichtmikroskop vergleichbar ist, sagt Guoan Zheng , Hauptautor eines kürzlich erschienenen Artikels über die Arbeit, veröffentlicht in der Zeitschrift Lab auf einem Chip .
Der Sensor hat Pixel, die auf jeder Seite 3,2 Mikrometer groß sind. Ein Superauflösungsalgorithmus setzt mehrere Bilder (50 für jedes hochauflösende Bild) zusammen, um ein Bild mit verbesserter Auflösung zu erstellen – als ob der Bildschirm Pixel mit einer Größe von 0,32 Mikrometer hätte. Super-Resolution-Techniken können jedoch nur Merkmale unterscheiden, die durch mindestens ein Pixel getrennt sind, was bedeutet, dass die endgültige Auflösung mindestens das Doppelte der Pixelgröße betragen muss. Aus diesem Grund ergibt eine Pixelgröße von 0,32 Mikrometer nur eine Auflösung von 0,75 Mikrometer.
Zhengs Technik verwendet nur einen kleinen Teil des Chips, wodurch er Zellen mit einer relativ hohen Bildrate von 300 Bildern pro Sekunde erfassen kann. Dies ergibt einen superaufgelösten Film einer Zelle mit sechs Bildern pro Sekunde.
Die Verwendung eines höher auflösenden CMOS-Sensors sollte eine noch bessere Endauflösung ermöglichen, sagt Seung Ah Lee, ein weiterer Mitarbeiter des Projekts. Lee möchte die Auflösung auf das Äquivalent einer 40-fachen Vergrößerung erhöhen, damit die Technik zur Diagnose von Malaria durch automatisierte Erkennung abnormaler Blutkörperchen verwendet werden kann.
Aydogan Özcan , ein Professor an der UCLA, der einen konkurrierenden Ansatz entwickelt, sagt, dass Zhengs Arbeit einen wertvollen Fortschritt für die optofluidische Mikroskopie darstellt, da dieses System einfacher ist, eine höhere Auflösung bietet und einfacher zu bedienen ist als bisherige Mikroskope. Ozcan sagt jedoch, dass die Technik Grenzen hat.
Der mikrofluidische Kanal muss ziemlich klein sein, sagt Ozcan, was bedeutet, dass der Ansatz nicht auf Partikel angewendet werden kann, die in der Größe stark variieren können, und der Kanal muss so gebaut sein, dass er das größte Partikel aufnehmen kann, das durch ihn fließen könnte. Ozcans eigenes linsenloses Mikroskop verwendet keine mikrofluidischen Kanäle, sondern erfasst stattdessen ein Hologramm der Probe, indem es das Interferenzmuster einer durchscheinenden LED-Lampe interpretiert. Diese Methode hat keine derartigen Einschränkungen.
Aus meiner Sicht sind dies komplementäre Ansätze, sagt Ozcan, deren ultimatives Ziel billige, mobiltelefonbasierte medizinische Diagnosewerkzeuge für die Entwicklungsländer sind.