На основе матрицы стоимостью 1,5 долл. от обычного фотоаппарата ученые из Калифорнийского технологического института создали простой и дешевый микроскоп. Устройство имеет широкий спектр применения, включая диагностику заболеваний и быструю оценку воздействия новых лекарственных препаратов.

Некоторые виды болезней, например малярию, проще всего диагностировать с помощью микроскопа. Однако в некоторых регионах мира, где как раз распространена малярия, найти микроскоп трудно. Изобретение американских ученых можно подключить к смартфону или ноутбуку и провести автоматическую диагностику в самых глухих уголках планеты. Устройство также можно применять для быстрой диагностики рака или тестирования на предмет употребления наркотиков.

Изобретение, названное оптофлюидным микроскопом субпиксельного разрешения или SROFM, устроено удивительно просто. На светочувствительный чип устанавливается микрофлюидный чип, по каналу которого проходят образцы. В отличие от аналогичных приборов SROFM состоит только из этих частей. Обычно для перемещения клеток по каналу используется диафрагма с отверстием и электрокинетический привод, причем электрическое поле ориентирует и фиксирует клетки в определенном положении.

В новом устройстве эта сложная техническая проблема решена благодаря продуманной конструкции и более сложным алгоритмам программного обеспечения. Образцы движутся по каналам под воздействием крошечной разницы в давлении на разных концах микрофлюидного чипа. Конечно, при этом клетки совершают хаотичные обороты, но это явление, которое считалось недостатком, SROFM превратил в достоинство – цифровая фотоматрица ведет съемку с большим количеством кадров в секунду и снимает клетки с разных ракурсов. Это позволяет определить объем клеток, что может быть полезно, например, при поиске раковых клеток. Также это делает ненужным предварительную подготовку препаратов, таких как образцы крови – можно просто поместить каплю на чип.

Текущее разрешение SROFM составляет 0,75 мкм, что сравнимо с световым 20-кратным микроскопом. Размер одной стороны пикселя дешевой матрицы равен 3,2 мкм. Алгоритм сверхразрешения обрабатывает 50 изображений для создания картинки высокого качества. Таким образом, программными средствами эмулируется более качественная матрица с размером виртуального пикселя 0,32 мкм. Однако таким методом можно рассмотреть объекты разделенные расстоянием равным по крайней мере одному пикселу. Поэтому окончательное разрешение равно 0,75 мкм. Но и это для дешевой матрицы отличные показатели.

SROFM снимает с относительно высокой частотой кадров – до 300 в секунду, что в режиме сверхразрешения можно снимать фильм с частотой шесть кадров в секунду. Если применить в устройстве более качественную CMOS-матрицу, то можно будет получить безлинзовый микроскоп с увеличением до 40 крат. Это позволит применять SROFM для диагностики малярии с помощью автоматизированного распознавания аномальных клеток крови.

У новой технологии есть и ограничения. В частности микрофлюидный канал должен быть маленьким, что затрудняет или делает невозможным исследование клеток большого размера. Для изучения крупных частиц ученые создали микроскоп, который захватывает «голограмму» образца. Программное обеспечение интерпретирует интерференционную картину после прохождения света сквозь образец.

По материалам: