Forskare har använt 3D-utskrift för att göra ett billigt och bärbart högupplöst mikroskop som är litet och tillräckligt robust för att användas i fältet eller vid sängen. De högupplösta 3D-bilderna från instrumentet kan eventuellt användas för att upptäcka diabetes, sicklecellanemi, malaria och andra sjukdomar.

"Det här nya mikroskopet kräver ingen speciell färgning eller etiketter och kan hjälpa till att öka tillgången till billiga medicinska diagnostiska tester, "sade forskargruppens ledare Bahram Javidi från University of Connecticut." Detta skulle vara särskilt fördelaktigt för att utveckla delar av världen där det är begränsad tillgång till hälso- och sjukvård och få högteknologiska diagnostiska faciliteter. "

Forskarna beskriver sitt nya mikroskop, som är baserad på digital holografisk mikroskopi, i tidskriften The Optical Society (OSA) Optikbokstäver . Det bärbara instrumentet producerar 3D-bilder med dubbelt så hög upplösning som traditionell digital holografisk mikroskopi, som vanligtvis utförs på ett optiskt bord i ett laboratorium. Förutom biomedicinska tillämpningar, det kan också vara användbart för forskning, tillverkning, försvar och utbildning.

"Hela systemet består av 3D-tryckta delar och vanliga optiska komponenter, gör det billigt och enkelt att replikera, "sa Javidi." Alternativa laserkällor och bildsensorer skulle ytterligare minska kostnaden, och vi uppskattar att en enda enhet kan reproduceras för flera hundra dollar. Massproduktion av enheten skulle också avsevärt minska kostnaden. "

Från labbet till fältet klart

I traditionell digital holografisk mikroskopi, en digitalkamera registrerar ett hologram som produceras av störningar mellan en referensljusvåg och ljus som kommer från provet. En dator konverterar sedan detta hologram till en 3D-bild av provet. Även om detta mikroskopi -tillvägagångssätt är användbart för att studera celler utan etiketter eller färgämnen, det kräver vanligtvis en komplex optisk installation och en stabil miljö fri från vibrationer och temperaturfluktuationer som kan introducera brus i mätningarna. Av denna anledning, digitala holografiska mikroskop finns vanligtvis bara i laboratorier.

Forskarna kunde öka upplösningen för digital holografisk mikroskopi utöver vad som är möjligt med enhetlig belysning genom att kombinera den med en superupplösningsteknik som kallas strukturerad belysningsmikroskopi. De gjorde detta genom att generera ett strukturerat ljusmönster med hjälp av en klar CD -skiva.

"3D-utskrift av mikroskopet tillät oss att exakt och permanent anpassa de optiska komponenterna som är nödvändiga för att förbättra upplösningen samtidigt som systemet gör det mycket kompakt, sa Javidi.

Testar det nya mikroskopet

Forskarna utvärderade systemets prestanda genom att spela in bilder av ett upplösningsschema och sedan använda en algoritm för att rekonstruera högupplösta bilder. Detta visade att det nya mikroskopisystemet kunde lösa funktioner så små som 0,775 mikron, dubbla upplösningen av traditionella system. Att använda en ljuskälla med kortare våglängder skulle förbättra upplösningen ännu mer.

Ytterligare experiment visade att systemet var tillräckligt stabilt för att analysera fluktuationer i biologiska celler över tid, som måste mätas på skalan på några tiotals nanometer. Forskarna demonstrerade sedan enhetens tillämplighet för biologisk avbildning genom att förvärva en högupplöst bild av en grönalger.

"Vår design ger ett mycket stabilt system med högupplöst, "sa Javidi." Detta är mycket viktigt för att undersöka subcellulära strukturer och dynamik, som kan ha anmärkningsvärt små detaljer och fluktuationer. "

Forskarna säger att det nuvarande systemet är klart för praktisk användning. De planerar att använda den för biomedicinska applikationer som cellidentifiering och diagnos av sjukdomar och kommer att fortsätta sitt samarbete med sina internationella partners för att undersöka sjukdomsidentifiering i avlägsna områden med begränsad tillgång till sjukvård. De arbetar också med att ytterligare förbättra systemets upplösning och signal-brusförhållande utan att öka enhetens kostnad.