Near-infrared lensless holographic microscopy on a visible sensor enables label-free high-throughput imaging in strong scattering
تقدم هذه الورقة تقنية المجهر الهولوغرافي الرقمي عديم العدسات بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR-LDHM)، وهي منصة منخفضة التكلفة تستخدم مستشعر CMOS قياسي للضوء المرئي لتحقيق تصوير قوي، خالٍ من الوسم، وعالي الإنتاجية للهياكل الداخلية في الأنسجة البيولوجية شديدة التشتت، وذلك عبر الاستفادة من أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء القريبة والمسافات المثلى بين العينة والمستشعر.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل أنك تحاول التقاط صورة واضحة لرسالة سرية مكتوبة على ورقة، لكن الورقة مغطاة بضباب كثيف ودوار. في عالم المجهر الضوئي، يُطلق على هذا "الضباب" اسم التشتت (Scattering). عندما يصطدم الضوء بنسيج سميك (مثل شريحة من دماغ أو كبد فأر)، فإنه يرتد بشكل عشوائي، مما يحول الصورة الواضحة إلى فوضى ضبابية.
لعقود من الزمن، امتلك العلماء أداة قوية تسمى المجهر الهولوغرافي الرقمي عديم العدسات (LDHM). فكر في هذا ككاميرا خاصة لا تستخدم عدسة زجاجية للتركيز على الضوء، بل تستخدم الرياضيات لإعادة بناء صورة من "ظلال" و"تموجات" الضوء التي تمر عبر الجسم. إنها رخيصة، ومدمجة، ويمكنها رؤية مساحة شاسعة في وقت واحد.
المشكلة:
هذه الخدعة السحرية تعمل عادةً فقط إذا كان "الضباب" رقيقاً جداً. فإذا حاولت النظر عبر شريحة سميكة من الأنسجة، سيتشتت الضوء كثيراً لدرجة أن الرياضيات تفشل، وتختفي الصورة. كما أن معظم هذه الكاميرات مصممة لرؤية الضوء المرئي (مثل ألوان قوس قزح)، والذي يتشتت بسهء شديد عند مروره عبر الأنسجة.
الحل: "المصباح الأشعة تحت الحمراء"
وصل الباحثون في هذه الورقة إلى حل ذكي: التحول إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR).
فكر في الضوء المرئي ككرة مطاطية؛ عندما تقذفها داخل حشد من الناس (خلايا الأنسجة)، فإنها ترتد عن الجميع وتفقد اتجاهها. أما الآن، ففكر في الأشعة تحت الحمراء القريبة كـ كرة بولينج ثقيلة ومنزلقة. نظرًا لأنها أكبر (لها طول موجي أطول)، فهي لا ترتد عن "الناس" الصغار في الحشد بسهولة، بل تنزلق عبر الحشد بسلاسة أكبر، لتصل إلى الجانب الآخر ورسالتها سليمة.
التحول المفاجئ: قاعدة "كلما ابتعدت كان أفضل"
عادةً في التصوير الفوتوغرافي، تريد أن يكون موضوعك قريباً من الكاميرا للحصول على أفضل تركيز. لكن العلماء اكتشفوا قاعدة غريبة ومناقضة للمنطق لهذا النوع المحدد من التصوير الضبابي: تحريك الكاميرا بعيداً في الواقع يجعل الصورة أكثر وضوحاً.
- التشبيه: تخيل أنك تقف في غرفة مليئة بأشخاص يصرخون (الضجيج/التشتت). إذا وقفت بجانب المتحدث مباشرة (العينة)، فسيكون الصراخ صاخباً وفوضوياً لدرجة أنك لن تستطيع سماع الكلمات المحددة. ولكن إذا مشيت إلى مؤخرة الغرفة، فإن الصراخ الفوضوي يتلاشى بشكل أسرع من صوت المتحدث. فجأة، يصبح الصوت واضحاً مرة أخرى.
- العلم: من خلال تحريك المستشعر بعيداً قليلاً، ينتشر "الضجيج" (الضوء المشتت) ويضعف، بينما تظل "الإشارة" (الضوء المفيد الذي يحمل الصورة) قوية نسبياً. هذا يخلق صورة أوضح، رغم أنها تكون أقل سطوعاً.
قدرة "البطارية المنخفضة" الخارقة
هناك اكتشاف رائع آخر وهو أن هذا النظام يعمل حتى عندما تكون "البطارية" منخفضة.
الكاميرات القياسية تحتاج إلى الكثير من الضوء لرؤية الأشعة تحت الحمراء جيداً. لكن هذه الكاميرا حساسة جداً لـ نمط الضوء (الهولوغرافيا)، لذا يمكنها بناء صورة واضحة حتى مع عدد قليل جداً من الفوتونات (جسيمات الضوء). الأمر يشبه القدرة على قراءة كتاب في غرفة مظلمة بمجرد لمس النتوءات الموجودة على الصفحة، بدلاً من الحاجة إلى مصباح ساطع.
الاختبار في العالم الحقيقي
اختبر الفريق هذا على أنسجة حقيقية من فئران (كبد ودماغ) دون استخدام أي مواد كيميائية لتوضيحها (وهي عملية عادة ما تكون مرهقة وتستغرق وقتاً طويلاً).
- الضوء المرئي: استطاع رؤية الخطوط الخارجية للنسيج فقط، مثل الظل.
- الأشعة تحت الحمراء القريبة: رأت عبر النسيج، وكشفت عن الأوعية الدموية الصغيرة وهياكل الخلايا في الأعماق، حتى في الشرائح التي يصل سمكها إلى 250 ميكرومتر (وهو سمك كبير جداً لهذا النوع من التصوير).
لماذا هذا مهم؟
هذا أمر بالغ الأهمية لأن:
- إنه رخيص: لا تحتاج إلى كاميرات أشعة تحت حمراء باهظة الثمن ومتخصصة. يمكنك استخدام مستشعر كاميرا قياسي ومنخفض التكلفة موجود في العديد من الأجهزة.
- إنه سريع: لا تحتاج إلى معالجة الأنسة كيميائياً أولاً. يمكنك النظر إلى العينات الطازجة والحقيقية فوراً.
- إنه بسيط: الإعداد صغير ولا يحتاج إلى عدسات معقدة.
باختاًصر:
اكتشف الباحثون كيفية الرؤية عبر الأنسجة البيولوجية السميكة والضبابية باستخدام "ضوء تحت حمراء منزلق" خاص وحيلة ذكية تتمثل في تحريك الكاميرا بعيداً قليلاً. لقد أثبتوا أنه يمكنك القيام بذلك باستخدام معدات قياسية ورخيصة، مما يفتح الباب للنظر داخل أجسامنا بشكل أسرع وأرخص وأعمق دون إلحاق الضرر بالعينات.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.