Töötati välja “mikroskoop kiibil”

California Tehnoloogiainstituudi uurijad on muutnud ulme tegelikkuseks, arendades välja ülikompaktse, kõrge eraldusteravusega mikroskoobi, mis on nii väike, et mahub sõrmeotsale, vahendab EurekAlert!

Sellist “mikroskoopilist mikroskoopi”, mis ei rakenda läätsesid, ehkki suurendab sama hästi kui tipptasemel optiline mikroskoop, saab kasutada välitöödel vereproovidest malaarianakkuse või veevarudest parasiitide ja patogeenide otsimiseks.

Masstoodetud aparaat ei maksa rohkem kui umbes kümme dollarit.

“See aparaat on uskumatult kompaktne — mahuks mugavalt mobiiltelefoni —, ning valgustamiseks piisab päiksevalgusest, mistõttu see on eriti ahvatlev kasutuseks kolmanda maailma riikides,” selgitab Changhuei Yang, California Tehnoloogiainstituudi elektrilise ja bioloogilise inseneriõppe professor, kes koos kolleegidega arendaski välja riista nimega valgusvoolav (ingl k optofluidic) mikroskoop.

Uus instrument kombineerib traditsioonilist arvutikiibi-tehnoloogiat mikrovoolavusega — vedelikuvoolu kanaldamisega uskumatult väikestes mastaapides. Terve valgusvoolav mikrokiip mahub veeranddollarilisele mündile, ehkki see osa seadmest, mis objektide kuvamisega tegeleb, on heal juhul samal mündil kujutatud president Washingtoni nina suurune.

“Meie uurimust ajendas tõik, et mikroskoobid on olnud kasutuses juba 16. sajandist, nende elementaarne konstruktsioon on seni väga vähe muutunud ja nende kahandamine on osutunud röögatult kulukaks. Meie uus konstruktsioon töötab hoopis teisel põhimõttel, võimaldades hüljata läätsed ja kobakad optilised elemendid,” räägib Yang.

Mikrokiibi valmistamine on relvitukstegevalt lihtne. Laengsidestusseadise (ingl k CCD, charge-coupled device) andur (samasuguseid kasutatakse digikaamerais) kaetakse õhukese metallikihiga. Seejärel mulgustatakse metall tillukeste aukudega, mis on väiksemad kui miljondik meetrit ja asuvad üksteisest viie mikromeetri kaugusel. Iga auk vastab ühele pikslile andurmaatriksil. Metall- ja andurmaatriksile lisatakse mikrovoolukanal, läbi mille hakkab voolama vaadeldavat proovi sisaldav vedelik. Kogu kiipi valgustatakse ülalt, milleks piisab päiksevalgusest.

Lisatud proov voolab — kas siis lihtsalt gravitatsiooni mõjul või elektrilaengu tõmbel — rõhtsalt üle metallisse tehtud mulkude. Rakud ja mikroorganismid, mis ükshaaval auke ületavad, tõkestavad ülalt andurile langevat valgust. Tulemuseks on jada valgusest ja varjust moodustuvaid pilte, mis meenutavad solarograafi või camera obscuraga (ingl k pinhole camera) saadud tulemusi.

Kuna augud on kergelt kaldus, moodustades voolusuuna suhtes diagonaalse joone, kattuvad pildid osaliselt. Seejärel liidetakse pildikillud kokku üllatavalt täpseks kahemõõtmeliseks kuvaks objektist.

Praegu peab Yang biotehnoloogiafirmadega läbirääkimisi kiibi masstootmise asjus. Platvorm, millele kiip integreeritakse, võib sõltuvalt kasutaja vajadustest varieeruda. Näiteks tervishoiutöötajad maapiirkondades saavad kaasas kanda odavaid, kompaktseid mudeleid malaariaproovide analüüsimiseks; ühekordseks kasutamiseks mõeldud versioone võib kaasa võtta sõjatandrile. “Üheleainsale kiibile saab konstrueerida sadu tuhandeid valgusvoolav-mikroskoope, mis võimaldaks mitme organismi kuvamist ja analüüsimist korraga,” kinnitab projekti juures töötanud juhtivaspirant Xiquan Cui.

Tulevikus võib mikrokiipe lisada seadmeile, mida saaks siirata inimorganismi. “Siirdatav mikroskoopilise analüüsi süsteem võib vereringest iseseisvalt sõeluda ja eraldada hulkuvaid vähirakke, võimaldades sel moel hankida olulist diagnostilist teavet ja aidata piirata vähi levikut,” usub Yang.

Uurimustöö pealkirjaga “Mikroorganismide kuvamine kõrge eraldusteravusega, kiibile paigutatud valgusvoolav-mikroskoobiga” avaldati žurnaali Proceedings of the National Academy of Sciences üleeilses võrguväljaandes.