{{{sourceTextContent.title}}}

Neues 3D-Mikroskop vielversprechend für die medizinische Diagnostik in Entwicklungsländern

{{{sourceTextContent.subTitle}}}

Forscher haben den 3D-Druck verwendet, um ein preiswertes und tragbares hochauflösendes Mikroskop herzustellen, das klein und robust genug ist, um es im Feld oder am Bett zu verwenden. Die hochauflösenden 3D-Bilder des Instruments könnten potenziell zur Erkennung von Diabetes, Sichelzellkrankheiten, Malaria und anderen Krankheiten eingesetzt werden.

{{{sourceTextContent.description}}}

"Dieses neue Mikroskop benötigt keine speziellen Färbungen oder Markierungen und könnte helfen, den Zugang zu kostengünstigen medizinischen Diagnosetests zu verbessern", sagte Bahram Javidi, Leiter des Forschungsteams von der University of Connecticut. "Dies wäre besonders vorteilhaft für die Entwicklung von Teilen der Welt, in denen es nur begrenzten Zugang zur Gesundheitsversorgung und wenige High-Tech-Diagnoseeinrichtungen gibt."

In der Zeitschrift Optics Letters der Optical Society (OSA) beschreiben die Forscher ihr neues Mikroskop, das auf digitaler holographischer Mikroskopie basiert. Das tragbare Gerät erzeugt 3D-Bilder mit der doppelten Auflösung der herkömmlichen digitalen holographischen Mikroskopie, die typischerweise auf einem optischen Tisch in einem Labor durchgeführt wird. Neben biomedizinischen Anwendungen könnte es auch für Forschung, Fertigung, Verteidigung und Bildung nützlich sein.

"Das gesamte System besteht aus 3D-Druckteilen und häufig vorkommenden optischen Komponenten, was es kostengünstig und einfach zu replizieren macht", sagt Javidi. "Alternative Laserquellen und Bildsensoren würden die Kosten weiter senken, und wir schätzen, dass ein einziges Gerät für mehrere hundert Dollar reproduziert werden kann. Die Massenproduktion der Einheit würde auch die Kosten erheblich senken."

Vom Labor bis zum Feld bereit

In der traditionellen digitalen holographischen Mikroskopie zeichnet eine Digitalkamera ein Hologramm auf, das durch Interferenz zwischen einer Referenzlichtwelle und Licht aus der Probe erzeugt wird. Ein Computer wandelt dieses Hologramm dann in ein 3D-Bild der Probe um. Obwohl dieser Mikroskopieansatz für die Untersuchung von Zellen ohne Labels oder Farbstoffe nützlich ist, erfordert er typischerweise einen komplexen optischen Aufbau und eine stabile Umgebung ohne Vibrationen und Temperaturschwankungen, die Rauschen in die Messungen einbringen können. Aus diesem Grund sind digitale holographische Mikroskope in der Regel nur im Labor zu finden.

Durch die Kombination mit einer hochauflösenden Technik, der so genannten strukturierten Beleuchtungsmikroskopie, konnten die Forscher die Auflösung der digitalen holographischen Mikroskopie über das hinaus steigern, was mit einer gleichmäßigen Beleuchtung möglich ist. Dies geschah durch die Erzeugung eines strukturierten Lichtmusters mit einer klaren Compact Disc.

"Durch den 3D-Druck des Mikroskops konnten wir die optischen Komponenten, die für die Verbesserung der Auflösung notwendig sind, präzise und dauerhaft ausrichten und gleichzeitig das System sehr kompakt gestalten", sagt Javidi.

Test des neuen Mikroskops

Die Forscher bewerteten die Systemleistung, indem sie Bilder aus einem Auflösungsdiagramm aufzeichneten und dann einen Algorithmus zur Rekonstruktion hochauflösender Bilder verwendeten. Dies zeigte, dass das neue Mikroskopiesystem Merkmale von nur 0,775 Mikron auflösen konnte, was doppelt so viel Auflösung wie bei herkömmlichen Systemen bedeutet. Der Einsatz einer Lichtquelle mit kürzeren Wellenlängen würde die Auflösung noch weiter verbessern.

Zusätzliche Experimente zeigten, dass das System stabil genug war, um Schwankungen in biologischen Zellen im Laufe der Zeit zu analysieren, die im Bereich von einigen zehn Nanometern gemessen werden müssen. Die Forscher demonstrierten dann die Anwendbarkeit des Gerätes für die biologische Bildgebung, indem sie ein hochauflösendes Bild einer Grünalge aufnahmen.

"Unser Design bietet ein hochstabiles System mit hoher Auflösung", sagt Javidi. "Das ist sehr wichtig für die Untersuchung subzellulärer Strukturen und Dynamiken, die bemerkenswert kleine Details und Schwankungen aufweisen können."

Die Forscher sagen, dass das aktuelle System für den praktischen Einsatz bereit ist. Sie planen, es für biomedizinische Anwendungen wie Zellidentifikation und Krankheitsdiagnose zu nutzen und werden ihre Zusammenarbeit mit ihren internationalen Partnern fortsetzen, um die Identifizierung von Krankheiten in abgelegenen Gebieten mit begrenztem Zugang zur Gesundheitsversorgung zu untersuchen. Sie arbeiten auch daran, die Auflösung und den Signal-Rausch-Abstand des Systems weiter zu verbessern, ohne die Kosten des Geräts zu erhöhen.