FlatScope è in fase di sviluppo presso la Rice University per essere utilizzato come microscopio a fluorescenza in grado di acquisire dati tridimensionali e produrre immagini da qualsiasi punto del campo visivo. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Le lenti non sono più necessarie per alcuni microscopi, secondo gli ingegneri della Rice University che sviluppano FlatScope, un sottile microscopio a fluorescenza le cui capacità promettono di superare quelle dei dispositivi della vecchia scuola.
Una carta in Progressi scientifici dagli ingegneri della Rice Ashok Veeraraghavan, Jacob Robinson, Richard Baraniuk e i loro laboratori descrivono un microscopio a largo campo più sottile di una carta di credito, abbastanza piccolo da stare sulla punta di un dito e capace di una risoluzione micrometrica su un volume di diversi millimetri cubi.
FlatScope elimina il compromesso che ostacola i microscopi tradizionali in cui gli array di lenti possono raccogliere meno luce da un ampio campo visivo o raccogliere più luce da un campo più piccolo.
Il team di Rice ha iniziato a sviluppare il dispositivo come parte di un'iniziativa federale della Defense Advanced Research Projects Agency come impianto impiantabile, interfaccia neurale ad alta risoluzione. Ma il potenziale del dispositivo è molto maggiore. I ricercatori affermano che FlatScope, un anticipo rispetto alla precedente FlatCam dei laboratori, potrebbe essere utilizzato come endoscopio impiantabile, un imager ad ampia area o un microscopio flessibile.
"Pensiamo a questo come ad amplificare FlatCam in modo che possa risolvere problemi ancora più grandi, " disse Baraniuk.
I microscopi a fluorescenza tradizionali sono strumenti essenziali in biologia. Raccolgono segnali fluorescenti da particelle inserite in cellule e tessuti che sono illuminati con specifiche lunghezze d'onda della luce. La tecnica consente agli scienziati di sondare e tracciare agenti biologici con una risoluzione su scala nanometrica.
Gli studenti laureati della Rice University Vivek Boominathan, sinistra, e Jesse Adams hanno organizzato un esperimento con FlatScope, un piccolo, fotocamera senza obiettivo che hanno configurato per l'uso come microscopio fluorescente in grado di acquisire dati tridimensionali e produrre immagini da qualsiasi punto del campo visivo. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Ma come tutti i microscopi tradizionali, telescopi e fotocamere, la loro risoluzione dipende dalle dimensioni delle loro lenti, che possono essere grandi e pesanti e limitarne l'uso nelle applicazioni biologiche.
Il team di Rice ha un approccio diverso. Utilizza gli stessi chip del dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) presenti in tutte le fotocamere elettroniche per catturare la luce in ingresso, ma i confronti si fermano qui. Come il progetto FlatCam che lo ha ispirato, Il campo visivo di FlatScope è uguale alla dimensione del sensore CCD, che può essere grande o piccolo quanto basta. È piatto perché sostituisce la serie di lenti in un microscopio tradizionale con una maschera di ampiezza personalizzata.
Questa maschera, che assomiglia a un codice a barre, si trova direttamente di fronte al CCD. La luce che passa attraverso la maschera e colpisce il sensore diventa dati che un programma informatico interpreta per produrre immagini.
L'algoritmo può concentrarsi su qualsiasi parte dei dati tridimensionali acquisiti dall'oscilloscopio e produrre immagini di oggetti più piccoli di un micron in qualsiasi punto del campo.
Quella risoluzione è ciò che rende il dispositivo un microscopio, disse Robinson. "Una fotocamera nel tuo telefono cellulare o DSLR in genere ha una risoluzione dell'ordine di 100 micron, " ha detto. "Quando si scatta una foto macro, la risoluzione è di circa 20-50 micron.
"Penso a un microscopio come a qualcosa che ti permette di visualizzare le cose su una scala di micron, " ha detto. "Ciò significa cose che sono più piccole del diametro di un capello umano, come cellule, parti di cellule o la struttura fine delle fibre".
FlatScope, sviluppato alla Rice University, acquisisce dati tridimensionali che passano attraverso una maschera e un chip della fotocamera delle dimensioni di un'unghia. Invia quei dati a un computer che li rielabora in un'immagine. La telecamera può essere utilizzata come endoscopio impiantabile, un imager ad ampia area o un microscopio flessibile. Credito:Jeff Fitlow/Rice University
Il raggiungimento di tale risoluzione ha richiesto modifiche alla maschera FlatCam per ridurre ulteriormente la quantità di luce che raggiunge il sensore e una riscrittura del loro software, disse Robinson. "Non era così banale come applicare semplicemente l'algoritmo FlatCam alle stesse tecniche che usavamo per fotografare cose che sono lontane, " Egli ha detto.
La maschera è simile all'apertura di una fotocamera con obiettivo che focalizza la luce sul sensore, ma dista solo poche centinaia di micrometri dal sensore e lascia passare solo una frazione della luce disponibile, limitare la quantità di dati per semplificare l'elaborazione.
"Nel caso di una fotocamera megapixel, quel problema computazionale richiede una matrice di un milione di volte un milione di elementi, " ha detto Robinson. "È una matrice incredibilmente grande. Ma poiché lo scomponiamo attraverso questo schema di righe e colonne, la nostra matrice è solo 1 milione di elementi."
Ciò riduce i dati per ogni istantanea da sei terabyte a 21 megabyte più pratici, che si traduce in tempi di elaborazione brevi. Dalle prime versioni di FlatCam che richiedevano un'ora o più per elaborare un'immagine, FlatScope acquisisce 30 fotogrammi di dati 3D al secondo.
Veeraraghavan ha affermato che il fiorente Internet delle cose può fornire molte applicazioni per fotocamere e microscopi piatti. Ciò a sua volta ridurrebbe i costi. "Uno dei grandi vantaggi di questa tecnologia rispetto alle fotocamere tradizionali è che, poiché non abbiamo bisogno di obiettivi, non abbiamo bisogno di assemblaggio post-fabbricazione, " ha detto. "Possiamo immaginare questo rotolare fuori una linea di fabbricazione."
Ma i loro obiettivi primari sono gli usi medici, dagli ambiti impiantabili per la clinica ai microscopi palmari per il campo di battaglia. "Essere in grado di portare un microscopio in tasca è una tecnologia pulita, " disse Veeraraghavan.
I ricercatori hanno notato che mentre il loro lavoro attuale si concentra su applicazioni fluorescenti, FlatScope può essere utilizzato anche per campo chiaro, microscopia in campo oscuro e a luce riflessa. Hanno suggerito che una serie di FlatScope su uno sfondo flessibile potrebbe essere utilizzata per abbinare i contorni di un bersaglio.
