FlatScope utvecklas vid Rice University för användning som ett fluorescerande mikroskop som kan fånga tredimensionella data och producera bilder var som helst inom synfältet. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Linser är inte längre nödvändiga för vissa mikroskop, enligt ingenjörer från Rice University som utvecklar FlatScope, ett tunt fluorescerande mikroskop vars förmågor lovar att överträffa apparater från gamla skolor.
Ett papper i Vetenskapliga framsteg av Rice -ingenjörerna Ashok Veeraraghavan, Jacob Robinson, Richard Baraniuk och deras laboratorier beskriver ett vidsträckt mikroskop som är tunnare än ett kreditkort, tillräckligt liten för att sitta på en fingertopp och kan upplösa mikrometer över en volym på flera kubikmillimeter.
FlatScope eliminerar den avvägning som hindrar traditionella mikroskop där matriser av linser antingen kan samla mindre ljus från ett stort synfält eller samla mer ljus från ett mindre fält.
Rice -teamet började utveckla enheten som en del av ett federalt initiativ från Defense Advanced Research Projects Agency som en implanterbar, neural gränssnitt med hög upplösning. Men enhetens potential är mycket större. Forskarna hävdar FlatScope, ett förskott på laboratoriernas tidigare FlatCam, kan användas som ett implanterbart endoskop, en storbildsbildare eller ett flexibelt mikroskop.
"Vi tänker på det här som att förstärka FlatCam så att det kan lösa ännu större problem, Sa Baraniuk.
Traditionella fluorescerande mikroskop är viktiga verktyg i biologin. De tar upp fluorescerande signaler från partiklar som sätts in i celler och vävnader som är upplysta med specifika våglängder av ljus. Tekniken gör det möjligt för forskare att undersöka och spåra biologiska medel med nanometer-upplösning.
Rice University doktorander Vivek Boominathan, vänster, och Jesse Adams inrättade ett experiment med FlatScope, en liten, objektivlös kamera de har konfigurerat för användning som ett fluorescerande mikroskop som kan fånga tredimensionella data och producera bilder var som helst inom synfältet. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Men som alla traditionella mikroskop, teleskop och kameror, deras upplösning beror på deras linsers storlek, som kan vara stora och tunga och begränsa deras användning i biologiska tillämpningar.
Rice -teamet har en annan inställning. Den använder samma laddningskopplade enhet (CCD) -chips som finns i alla elektroniska kameror för att fånga inkommande ljus, men jämförelserna stannar där. Som FlatCam -projektet som inspirerade det, FlatScopes synfält är lika med storleken på CCD -sensorn, som kan vara så stor eller så liten som krävs. Det är platt eftersom det ersätter uppsättningen linser i ett traditionellt mikroskop med en anpassad amplitudmask.
Denna mask, som liknar en streckkod, sitter direkt framför CCD:n. Ljus som kommer genom masken och träffar sensorn blir data som ett datorprogram tolkar för att producera bilder.
Algoritmen kan fokusera på vilken del av de tredimensionella data som omfattningen fångar och producera bilder av objekt som är mindre än en mikron var som helst i fältet.
Den upplösningen är det som gör enheten till ett mikroskop, Sa Robinson. "En kamera i din mobiltelefon eller DSLR får vanligtvis storleksordningen 100 mikron upplösning, "sa han." När du tar ett makrofoto, upplösningen är cirka 20 till 50 mikron.
"Jag tänker på ett mikroskop som något som låter dig avbilda saker i mikronskala, "sa han." Det betyder saker som är mindre än diametern på ett människohår, som celler, delar av celler eller den fina strukturen av fibrer. "
FlatScope, utvecklad vid Rice University, fångar upp tredimensionella data som passerar genom en mask och till ett nagelstort kamerachip. Den skickar data till en dator som behandlar den tillbaka till en bild. Kameran kan användas som ett implanterbart endoskop, en storbildsbildare eller ett flexibelt mikroskop. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
För att uppnå den upplösningen krävs modifieringar av FlatCam -masken för att ytterligare minska mängden ljus som når sensorn samt en omskrivning av deras programvara, Sa Robinson. "Det var inte så trivialt som att bara applicera FlatCam -algoritmen på samma tekniker som vi använde för att avbilda saker som är långt borta, " han sa.
Masken liknar bländaren i en objektivkamera som fokuserar ljuset på sensorn, men det är bara några hundra mikrometer från sensorn och tillåter bara en bråkdel av det tillgängliga ljuset att komma igenom, begränsa mängden data för att förenkla behandlingen.
"När det gäller en megapixelkamera, att beräkningsproblemet kräver en matris på en miljon gånger en miljon element, "Robinson sa." Det är en otroligt stor matris. Men eftersom vi bryter ner det genom detta mönster av rader och kolumner, vår matris är bara 1 miljon element. "
Det skär ner data för varje ögonblicksbild från sex terabyte till mer praktiska 21 megabyte, vilket innebär korta handläggningstider. Från tidiga versioner av FlatCam som krävde en timme eller mer för att bearbeta en bild, FlatScope fångar 30 bildrutor med 3D-data per sekund.
Veeraraghavan sa att det växande internetets saker kan ge många applikationer för platta kameror och mikroskop. Det skulle i sin tur sänka kostnaderna. "En av de stora fördelarna med denna teknik jämfört med traditionella kameror är att eftersom vi inte behöver objektiv, vi behöver inte efterfabrikation, "sa han." Vi kan tänka oss att detta rullar av en fabrikationslinje. "
Men deras främsta mål är medicinsk användning, från implanterbara omfattningar för kliniken till palmstora mikroskop för slagfältet. "Att kunna bära ett mikroskop i fickan är en snygg teknik, "Sa Veeraraghavan.
Forskarna noterade att medan deras nuvarande arbete är inriktat på fluorescerande applikationer, FlatScope kan också användas för ljusfält, mörkt fält och reflekterat ljus. De föreslog att en rad FlatScopes på en flexibel bakgrund skulle kunna användas för att matcha konturerna för ett mål.
