左图:设备上夹子原理图。蓝色箭头指示的是闪光灯。在撞击照明逆止器(由与夹子的其余部分相同的3D打印树脂制成)时,该光被漫反射向样品,然后通过透镜进入照相机。右图:夹式设备的剖面3D模型,显示照明隧道。(图片来源:Scientific Reports, CC BY)
我和我的同事开发了一个3D打印“夹子”,可以将您的智能手机改造成功能齐全的显微镜。
我们已经在网上发布了这个设计,以便任何人都可以打印并修改它以满足他们的需求。
但我们为啥要这么做呢?
在很多医疗诊断的场景中,你需要近距离观察一些极微的东西,尺度甚至降低到单细胞的水平。要做到这一点,一台显微镜必不可少。科学家和工程师过去十多年来,一直在推动诊断技术进入家庭,以及其他一些你无法利用传统实验室设备的领域。
许多便携式医疗诊断设备的核心部件都是基于手机端的显微镜。
让我们从这里开始吧
你可能并不认为你的手机厉害到可以充当一个显微镜,但它真真切切包含了一个显微镜需要的所有部件——相同的镜头和相机传感器排列方式,你想获得放大功能所需做的唯一一件事就是为它添置一枚前置镜头。
接下来的部分就是思考如何为你的样品打光,这通常和你使用的镜头一样重要。
在过去的十年里,诞生过很多伟大的工程,比如在加州大学伯克利分校的弗莱彻实验室,以及加州大学洛杉矶分校的Ozcan实验室,都做出了很多杰出的贡献,其中很多都与自定义照明有关。
然而,组装这些移动电话显微镜所涉及的工程可不是小菜一碟。你经常需要相当的技能和专业的实验室才能将这些设备组装完整。我们希望把显微镜做到尽可能的简单化,这意味着最少的额外部件和装配步骤。
闪光灯引导
我们认为使用相机内的闪光灯来照亮你的样本将会有很好的效果。但挑战在于,闪光灯总是会指向错误的方向——这时就需要你把它来回旋转,使光束得以通过样品射进相机里。
像这样重定向光线通常需要像镜子或棱镜这样的东西。但我们意识到,手机上的闪光是如此的明亮,以至于我们可以利用普通塑料的漫反射(眩光)。所以我们设计了这个夹子,让它有一系列的通道来定向光线,然后使它转到面对样品和相机。
黑色夹子的3D打印树脂吸收了几乎所有光线。但其实它并不完全是黑色的,这使得即使是穿过隧道并从黑色表面反射回来的极小部分光线也足以点亮显微镜样品。就是这么简单,不需要镜子,棱镜或照明镜头。
接下来,当然,你需要开始观察一些东西。当地的池塘就是一个好地方。将一些水放置在载玻片上或毛细管中,你会发现很多看起来很酷的微生物在愉快地生活着。
用手机显微镜观察微生物。
这种类型的照明被称为明场显微镜。但我们实际上可以关闭闪光灯并利用阳光观测,这被称为暗场显微镜——样品被照亮,但是它周围是黑暗的。
该夹子的设计理念是使阳光(或周围的室内光线)被限制在玻璃样品载玻片上,并且只有在样品中碰到物体时才能被重新反射到手机相机。如果物体能在暗场中发出较亮的光,这样就可以很好地检测细微的物体,比如悬浮在水中的细胞(当然主要由水组成)。
我们希望的是,我们的设计或类似的设计可以用于简单,便宜和强大的,基于移动电话的设备——无论是在服务业不发达地区(如澳大利亚内陆和中非)的医疗诊断,还是监测当地水源中的微生物数量。
我们已经在线公开了设计,以便任何人都可以打印并修改它以满足他们的需求。这部分非常重要的,因为低成本显微镜的使命就是为了方便人们使用这种高科技设备。当每个人都有机会为自己创造它或自由改造它时,这项任务就完成了。
可以使用任何3D打印机打印这种夹子 - 我们更推荐Formlabs系列打印机 - 而且您需要黑色树脂。每个夹子的树脂成本通常最多为几美元。你还需要一个镜头以放入夹子。我们从网上零售商购买这些产品,然后从相机模块中取出镜头。