教你十步DIY荧光显微镜制作

文章来源: 人气:1116 发表时间:2018-01-11

怎么就仪器的设计进行头脑风暴。怎么规划和测试光学设计。怎么使用计算机辅助设计软件来设计主体和定制部件。怎么订购部件,并制造定制的机械和光学滤光片部件。怎么借用组件来测试其性能和集成的简易性。怎么组装原型。怎么编码显微镜控制软件。怎么根据性能细化自定义组件。怎么进行原理验证实验。怎么开发和改进图像处理软件。

透镜,滤光片研发生产.jpg

十步DIY 显微镜制作显微镜非常复杂。但霍华德·休斯医学研究所珍利亚研究园区(Howard Hughes Medical Institute’s Janelia Research Campus)的物理学家 Philipp Keller 把这个过程拆分成十个可行的步骤:怎么就仪器的设计进行头脑风暴。怎么规划和测试光学设计。怎么使用计算机辅助设计软件来设计主体和定制部件。怎么订购部件,并制造定制的机械和光学滤光片部件。怎么借用组件来测试其性能和集成的简易性。怎么组装原型。怎么编码显微镜控制软件。怎么根据性能细化自定义组件。怎么进行原理验证实验。怎么开发和改进图像处理软件。

  第一步是光学设计。这一步需要使用专门的软件——Keller 和 Legant 使用的是 OpticStudio 软件(可从华盛顿州柯克兰市的 Zemax 公司获得)。这类软件可以仿真,根据需要的分辨率和特性来安排激光器、透镜反射镜和其它光学部件的正确分布。

  然后,机械工程师根据设计结果,思考如何把所有这些部分真实地融合在现实世界中,例如用螺栓把零件固定在光学平台上。一位在珍利亚研究园区和 Keller 合作的机械工程师 Brian Coop 表示,在此之前,你看到的,只是一排漂浮在空中的镜头。这需要他来把这些设计落实。

  现阶段最大的挑战是其物理限制。当显微镜必须专注于几微米乃至几纳米的尺寸时,几乎不允许误差的存在。镜头、透镜和激光器需要精确对准,以产生有用的对焦图像。Coop 需要考虑的是怎么排除微小的变化(如金属的热膨胀)对对焦的影响。Coop 指出,严格确保光学元件排布的准确性会让后面的工作简单一些。

 在准备部件时,会尽可能多地使用现成的零件制造显微镜,或者重复使用以前的零件。但是每台显微镜都至少有一些定制的部件,因此 Coop 必须自己去机器车间设计,甚至制造自己需要的部件。

  例如,最新的显微镜的样品室具有端口,可方便四个物镜浸入到样本所在的液体介质中。但这样,要确保镜头被严格密封,防止液体浸入,同时还要保证每个镜头都可以独立移动。另外,由于物镜之间的距离非常近,只有 100 微米的间隙,同时尺寸和形状各不相同,所以 Coop 必须调整样品室和密封,以适应各种可能的组合。他估计每个样品室的设计和制作需要两到三天时间,花费在 800 美元到 1000 美元之间。

  一旦光学和机械工程师完成了原型组装,软件开发人员和计算机科学家便会加入,开发软件,以确保这些部件能够正常工作,并能够生成可用的图像。许多显微镜制造商使用名为 LabVIEW 的商业软件包来控制他们的显微镜。但据珍利亚研究员园区的程序员 Daniel Milkie 表示,当机器变得更加先进时,有时需要定制解决方案。

  他们之所以设计新的工具和新型显微镜,其实是在突破硬件能力的极限,因此他们需要有专门的软件来获得最大的性能。该诀窍在于确保软件具有足够的灵活性,能够快速调整以满足新的要求,如更多的检测器。鉴于此,Milkie 选择将代码模块化,这意味着软件很容易整合新的元素,而不必从头开始。

  但是,软件方面最大的挑战是如何处理显微镜产生的大量数据。高速摄像机每秒可以产生千兆字节的数据,有些机器可以同时运行多台摄像机。例如 Betzig 实验室每年可以生成 50-100 兆兆字节的数据。既然有这么大量的数据生成,就需要一个解决方案。

  看起来一点都不像传统的显微镜。所有部件——镜子、镜头、激光器、照相机和样品室——都被连接到重量为几吨的桌子上的各种支柱和夹具上,以防止显微镜受到振动的影响。Legant 表示,这就像一个精致的乐高套件。

  从头开始制造显微镜至少需要一年,但如果团队可以回收利用前一代仪器的零件和软件,则可以减少这个时间。而且由于设计需要越来越高级的定制,开发成本只会越来越高。Keller 在 2005 年构建 DSLM 的成本约为 5 万美元,而后来的机器需要 10 万到 20 万美元。他在 2015 年的最新版本——各向同性多视图显微镜(isotropic multiview microscope)——成本高达 100 万美元。Keller 感慨,花 5 万美金打造一个高级显微镜的日子一去不复返了。

  定制显微镜的使用也很复杂,因为通常用户需要根据每个实验,手动更改大量设置和校准——这是商业制造商极力避免的。不过 Waterman 指出,这不应该是一个障碍。这是你在显微镜入门课程中应该学习的基础知识。


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