Um die Möglichkeiten der programmierbaren Beleuchtung zu erweitern, entwickelte eine Gruppe von Forschern an der University of Connecticut eine Strategie für den Bau und die Kalibrierung von Freiform-Illuminatoren, die eine größere Flexibilität für die Computermikroskopie bieten. Ihre Kalibrierungsmethode verwendet einen blutbeschichteten Sensor zur Rekonstruktion von Lichtquellenpositionen.
Sie demonstrierten die Verwendung kalibrierter Freiform-Illuminatoren für die ptychografische Fourier-Mikroskopie, die 3D-Tomographie-Bildgebung und die On-Chip-Mikroskopie und verwendeten eine kalibrierte Freiform-Illuminator in einem Experiment zur Verfolgung des Bakterienwachstums.
Die Forschung der Gruppe wurde am 20. Februar veröffentlicht Intelligentes Rechnen.
Neue Möglichkeiten für den experimentellen Aufbau mit Freiformbeleuchtung ermöglichen nicht nur mehr Flexibilität, sondern auch mehr Effizienz: „Mit dieser Plattform können wir damit beginnen, Petrischalen-basierte Experimente von dem traditionellen arbeitsintensiven Prozess zu einem automatisierten und rationalisierten Prozess zu überführen“, so der Forschungspapier heißt es.
Programmierbare Lichtquellen vereinfachen die Arbeit der Beleuchtung von Proben in verschiedenen Arten von Mikroskopiekontexten, aber herkömmliche programmierbare Arrays bestehen aus einem flachen, festen Gitter aus einzelnen Lichtern. Ein Array aus Lichtern, die beliebig in drei Dimensionen platziert werden können, bietet Experimentatoren die Möglichkeit, die Größe des Illuminators zu reduzieren, die Lichter näher an der Probe zu platzieren und die Dichte der Lichter zu erhöhen und den Beleuchtungswinkel entsprechend anzupassen ihre spezifischen Anforderungen.
Die Freiformbeleuchtung kann in Zukunft durch bessere Kalibrierungsmethoden, dichtere Beleuchtungsanordnungen, Lichter mit einer größeren Vielfalt an Wellenlängen und angepasste Positionsschätzungen weiter verbessert werden.
Die Autoren entwarfen und bauten vier verschiedene Freiform-Illuminatoren: eine geneigte flache Oberfläche, eine dreieckige Pyramide, eine Kuppel und ein Möbiusband. Der Pyramidenbeleuchter hatte mehrere Vorteile. Es war zur Probe hin abgewinkelt, es hatte die höchste Anzahl von Lichtern an dem Punkt, der am weitesten von der Probe entfernt war, und es konnte sehr nahe an der Probe platziert werden, um Licht effizient zu liefern.
Die Autoren kalibrierten die Illuminatoren mit einem blutbeschichteten Sensor. Durch die Beschichtung des Sensors mit einer dünnen, aber dichten Partikelschicht konnten die Autoren die Position jedes Beleuchtungselements mithilfe von Raytracing berechnen. Der Vorteil der Verwendung von menschlichem Blut aus einem Fingerstich besteht darin, dass keine komplizierten oder teuren Werkzeuge benötigt werden. An seiner Stelle können jedoch auch andere Substanzen mit ähnlichen Eigenschaften verwendet werden. Die Autoren überprüften ihre Kalibrierungsmethode und stellten fest, dass die wiederhergestellten Positionen mit nur geringen Abweichungen mit den tatsächlichen Positionen übereinstimmten.
Die Autoren demonstrierten die Verwendung ihrer Freiform-Illuminatoren in mehreren Experimenten. Alle vier Illuminatoren wurden erfolgreich für die Fourier-Ptychographie-Mikroskopie verwendet, eine computergestützte Mikroskopietechnik, die verschiedene Bilder kombiniert, die durch Beleuchtung in unterschiedlichen Winkeln erzeugt werden.
Der Pyramidenbeleuchter wurde verwendet, um separate Bilder aufzunehmen, die mit rotem, grünem und blauem Licht beleuchtet wurden, die kombiniert wurden, um ein Vollfarbenbild zu erzeugen. Es wurde auch für die 3D-Tomographie verwendet, eine Technik, die ein 3D-Bild durch Stapeln von Querschnittsbildern einer 3D-Probe erstellt.
Die Pyramidenbeleuchtung wurde für die On-Chip-Mikroskopie verwendet, ein Aufbau, bei dem die Probe direkt auf dem Sensor sitzt, genau wie der Blutausstrich im Kalibrierungsschritt. Die Kombination der Bilder, die mit separaten Lichtern im Freiform-Illuminator erzeugt wurden, führt zu einem endgültigen Bild mit einer höheren Auflösung als jedes der Rohbilder allein, weshalb diese Technik als Superauflösungsmikroskopie bezeichnet wird. Ein Experiment erzeugte ein Standbild von Blutzellen, und ein anderes erzeugte eine Zeitrafferserie des Wachstums einer Kolonie von E. Coli-Bakterien auf einem Agarblock.
Guoan Zheng konzipierte die Idee und entwarf die Experimente. Pengming Song und Tianbo Wang führten die Experimente durch. Ihre Co-Autoren an diesem Artikel sind Shaowei Jiang, Chengfei Guo, Ruihai Wang, Liming Yang und You Zhou.
Mehr Informationen:
Pengming Song et al., Freeform Illuminator for Computational Microscopy, Intelligentes Rechnen (2023). DOI: 10.34133/icomputing.0015
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