只要130元!人人用得起的实验室级机器人显微镜

机器人显微镜是指具有高通量和信息含量的多种用于自动成像和分析的技术集合,随着自动控制技术的发展,各代机器人显微镜相继问世,使大细胞群、高灵敏性的多变量实验方法成为可能。如今,已有众多研究表明机器人显微镜在临床治疗、癌症诊断,甚至是暗物质测量等领域均有着良好的应用前景。

然而,机器人显微镜的研究亦存在许多阻碍。商用高端显微镜可提供精确的电动高分辨率成像功能,但这些显微镜通常存在成本过高的问题,主要原因是供应链不可靠,导致价格上涨,采购缓慢,并且对设备的维护亦需要较高的开销,这使得机器人显微镜对众多科研团队来说可望而不可即。

近年来开源硬件的出现为机器人显微镜的进一步发展铺平了道路,尤其是3D打印技术的普及,这使得许多开源硬件项目将3D打印用于样机和实验室级设备的制作加工。

近期,英国巴斯大学Richard Bowman研究团队提出了一种机器人显微镜,称之为OpenFlexure microscope(以下简称OFM),这是一台基于3D打印的实验室级别显微镜,具有轻重量、低成本、高集成度和多功能显微成像的特点。同时,OpenFlexure 可定制性很强,很适用于实验室、学校和家庭使用。

一架用于实验室的商用显微镜可以卖到数万英镑,约数十万人民币,所以无论从前期成本还是设备的维护成本来看,OpenFlexure显微镜都比商用显微镜便宜得多,它的制造成本可以低至15英镑(低端版本),约130元人民币,该成本主要为印刷塑料,相机和一些固定硬件的费用(该成本不含组装成本,每个显微镜组装时间通常是3-4小时;不含3D打印机的成本)。高端版本(高分辨率电动版本)的生产成本为数百英镑,其中包括显微镜物镜和嵌入式Raspberry Pi计算机。

研究人员在坦桑尼亚和肯尼亚制造了100多台OpenFlexure显微镜,证明了在世界某个地区进行概念化并在其他地方制造的复杂硬件的可行性。他们希望这些显微镜在世界范围内使用,如果需要,可以在学校,研究实验室,诊所和人们的家中使用。

该成果题为“Robotic microscopy for everyone: the OpenFlexure microscope”发表在Biomedical Optics Express。该显微镜结构如图1所示,经过设计,简化了零件采购,并最大程度地提高可靠性,整台设备高度集成,体积大小为15 cm×15cm×20cm,重量仅为500g。

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图1 OFM设计示意图 图源:BOE Vol.11:2447-2460 Fig.1

一台完整的机器人显微镜一般需要具备四个功能:自动平移样品以实现串行成像、多参量/多通道成像、自动化的成像控制和图像自动分析。

功能上,首先它能提供精确的样品三维移动和定位,基于柔性机制,在xy方向上移动精度可达70nm,而z轴方向移动精度可达50nm,而三个方向上的行程为12 mm×12mm×4mm。

其次,OFM用可互换的光学模块,可以轻松地在成像模式之间进行切换。文章验证了其可用于明场(透射和落射照明)成像,偏振对比度成像和落射荧光成像。各种成像方案示意图如图2所示。

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图2 OFM四种成像方式 a.透射式明场成像;b.反射式明场成像;c.偏振对比度成像;d.荧光成像

其中,图2(a)(b)分别为透射式和落射式明场照明方案,其具体内部示意图如图3所示。

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图3 OFM明场照明成像结构截面图 a.透射式明场成像;b.反射式明场成像

在此基础上,OFM亦可具备偏振对比成像的能力,只需要在照明和样品之间放置一个起偏器,并在镜筒透镜和传感器之间放置一个垂直方向的检偏器。若穿过样品的光若偏振态未改变,则被阻挡,以此对样品的手性或各向异性区域成像。通过偏振对比成像,OFM可以有效的观测许多对生物学和生物化学的重要微观结构(图2(c))。此外,OFM也可以实现荧光成像。同样在透射式照明装置的基础上,通过在管镜和传感器中间的3D打印的滤波模块内插入分光镜和滤光镜,并用所需激发波长的LED进行照明,可以收集样品的荧光信号,实现低成本的荧光成像(图2(d))。

此外,作为机器人显微镜,OFM具有高度自动化的特性。一方面,OFM利用基于图像的自动对焦算法,自动对薄样品聚焦;另一方面,OFM采用平铺扫描。平铺扫描可通过在样品周围自动移动,在一系列位置拍摄图像,然后以数字方式重建完整图像来获得比正常视场大得多的图像。高度的自动化,使得OFM能够对较长周期的生物行为进行成像,慢变的生物活动或生长过程使系统需要间隔较长时间(几分钟甚至几小时)成像一次,因此OFM的应用有效地减少了人力在测量慢变过程中的浪费。

最后,在整体设计方面,OFM也存在其独特的新颖性。通常,OpenFlexure项目的主要目标是实现本地生产,3D打印技术和开源硬件设计有效地实现了这个目标。然而,复杂几何结构的逐层3D打印通常需要打印其他支撑结构,并需要通过复杂的后期处理将其移除。而本文作者将OFM设计为无需支撑材料即可进行打印的结构,这使得显微镜结构既打印速度提升、打印难度降低,并且避免了在移除支撑件时损坏打印零件的风险。而在非打印器件的选取和设计方面,作者也同样平衡了成本、性能及采购难度各方面因素,极大地加快了组装速度。

总的来说,该论文提出了一种基于3D打印的机器人显微镜,为世界各地的实验室提供了以极低成本制造高性能显微镜的途径。

OpenFlexure显微镜通过将自动图像采集与合适的机器学习相结合,可以快速并行地诊断疾病以及它巨大的成本优势,普通门诊就可以低成本检测疾病,如此一来,许多患者在当地医院就可就诊,而不用拥向高端医院做检测,减轻社会医疗压力。[长春光机所Light学术出版中心 撰稿人 | HUA(哈尔滨工业大学 博士生)]

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