Near-infrared lensless holographic microscopy on a visible sensor enables label-free high-throughput imaging in strong scattering
यह शोध पत्र नियर-इन्फ्रारेड लेंसलेस डिजिटल होलोग्राफिक माइक्रोस्कोपी (NIR-LDHM) प्रस्तुत करता है, जो एक लागत प्रभावी प्लेटफॉर्म है और जो नियर-इन्फ्रारेड तरंग दैर्ध्य तथा अनुकूलित नमूना-सेंसर दूरियों का लाभ उठाकर, एक मानक विज़िबल CMOS सेंसर का उपयोग करके, अत्यधिक प्रकीर्णन वाले जैविक ऊतकों की आंतरिक संरचनाओं के सुदृढ़, लेबल-मुक्त और उच्च-थ्रूपुट इमेजिंग को प्राप्त करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
कल्पना कीजिए कि आप कागज के एक टुकड़े पर लिखे गुप्त संदेश की एक स्पष्ट तस्वीर लेने की कोशिश कर रहे हैं, लेकिन वह कागज घने, घूमते हुए कोहरे से ढका हुआ है। लाइट माइक्रोस्कोपी की दुनिया में, इस "कोहरे" को स्कैटरिंग (Scattering) कहा जाता है। जब प्रकाश एक मोटे ऊतक (जैसे कि चूहे के मस्तिष्क या लिवर का एक स्लाइस) से टकराता है, तो यह बेतरतीब ढंग से इधर-उधर उछलता है, जिससे एक स्पष्ट छवि धुंधली और अस्पष्ट हो जाती है।
दशकों से, वैज्ञानिकों के पास एक शक्तिशाली उपकरण रहा है जिसे लेसंलेस डिजिटल होलोग्राफिक माइक्रोस्कोपी (LDHM) कहा जाता है। इसे एक विशेष कैमरे के रूप में समझें जो प्रकाश को केंद्रित करने के लिए कांच के लेंस का उपयोग नहीं करता है। इसके बजाय, यह किसी वस्तु से गुजरने वाले प्रकाश के "सायों" और "लहरों" से एक छवि को पुनर्गठित करने के लिए गणित का उपयोग करता है। यह सस्ता है, छोटा है, और एक बार में एक बहुत बड़े क्षेत्र को देख सकता है।
समस्या:
यह जादुई ट्रिक आमतौर पर तभी काम करती है जब "कोहरा" बहुत पतला हो। यदि आप ऊतक के एक मोटे स्लाइस के माध्यम से देखने की कोशिश करते हैं, तो प्रकाश इतना अधिक बिखर जाता है कि गणित विफल हो जाता है और छवि गायब हो जाती है। इसके अलावा, अधिकांश कैमरे दृश्य प्रकाश (Visible Light) (जैसे इंद्रधनुष के रंग) को देखने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, जो ऊतक द्वारा बहुत आसानी से बिखेरा जाता है।
समाधान: "इन्फ्रारेड टॉर्चलाइट"
शोधकर्ताओं ने एक चतुर समाधान निकाला है: नियर-इन्फ्रारेड (NIR) प्रकाश पर स्विच करें।
दृश्य प्रकाश को एक उछलती हुई गेंद के रूप में देखें। जब आप इसे लोगों की भीड़ (ऊतक कोशिकाओं) में फेंकते हैं, तो यह हर किसी से टकराकर अपनी दिशा खो देता है। अब, नियर-इन्फ्रारेड प्रकाश को एक फिसलन भरी, भारी बॉलिंग बॉल के रूप में सोचें। क्योंकि यह बड़ी है (इसकी वेवलेंथ लंबी है), यह भीड़ के छोटे "लोगों" से उतनी आसानी से नहीं टकराती है। यह भीड़ के बीच से बहुत सुचारू रूप से फिसलती हुई निकल जाती है, और अपना संदेश सुरक्षित रूप से दूसरी ओर पहुँचा देती है।
चौंकाने वाला मोड़: "जितना दूर, उतना बेहतर" का नियम
आमतौर पर, फोटोग्राफी में, सबसे अच्छे फोकस के लिए आप चाहते हैं कि आपका विषय कैमरे के करीब हो। लेकिन वैज्ञानिकों ने इस विशिष्ट प्रकार की "धुंधली" इमेजिंग के लिए एक अजीब, विपरीत नियम की खोज की: कैमरे को दूर ले जाने से वास्तव में छवि अधिक स्पष्ट हो जाती है।
- उपमा: कल्पना कीजिए कि आप लोगों के चिल्लाने (शोर/स्कैटरिंग) से भरे कमरे में खड़े हैं। यदि आप वक्ता (सैंपल) के बिल्कुल बगल में खड़े होते हैं, तो चिल्लाना इतना शोर भरा और अराजक होता है कि आप विशिष्ट शब्दों को नहीं सुन पाते। लेकिन यदि आप कमरे के पिछले हिस्से में चले जाते हैं, तो अराजक शोर तेजी से कम हो जाता है जबकि वक्ता की आवाज स्पष्ट बनी रहती है। अचानक, आवाज फिर से स्पष्ट हो जाती है।
- विज्ञान: सेंसर को थोड़ा दूर ले जाने से, "शोर" (बिखरा हुआ प्रकाश) फैल जाता है और कमजोर हो जाता है, जबकि "सिग्नल" (उपयोगी प्रकाश जो छवि ले जाता है) अपेक्षाकृत मजबूत बना रहता है। यह एक स्पष्ट तस्वीर बनाता है, भले ही छवि धुंधली (dim) हो।
"लो-बैटरी" वाली सुपरपावर
एक और शानदार खोज यह है कि यह सिस्टम तब भी काम करता है जब "बैटरी" कम हो।
- मानक कैमरों को इन्फ्रारेड को अच्छी तरह से देखने के लिए बहुत अधिक प्रकाश की आवश्यकता होती है। लेकिन यह कैमरा प्रकाश के पैटर्न (होलोग्राफी) के प्रति इतना संवेदनशील है कि यह बहुत कम फोटोन (प्रकाश कणों) के साथ भी एक स्पष्ट तस्वीर बना सकता है। यह अंधेरे कमरे में केवल पन्ने पर उभरे उभारों को महसूस करके किताब पढ़ने के समान है, न कि एक चमकदार लैंप की आवश्यकता होने के समान।
वास्तविक दुनिया का परीक्षण
टीम ने वास्तविक चूहे के ऊतकों (लिवर और मस्तिष्क) पर बिना किसी रसायन के इसका परीक्षण किया (जिसमें आमतौर पर उन्हें साफ करने के लिए एक लंबी और थकाऊ प्रक्रिया की आवश्यकता होती है)।
- दृश्य प्रकाश (Visible Light): केवल ऊतक की रूपरेखा देख सका, जैसे कि एक छाया (silhouette)।
- इन्फ्रारेड प्रकाश (Infrared Light): ऊतक के आर-पार देख सका, जिससे अंदर की सूक्ष्म रक्त वाहिकाओं और कोशिका संरचनाओं का पता चला, यहाँ तक कि 250 माइक्रोमीटर मोटे स्लाइस में भी (जो इस तरह की इमेजिंग के लिए बहुत बड़ा है)।
यह क्यों महत्वपूर्ण है
यह एक बड़ी बात है क्योंकि:
- यह सस्ता है: आपको महंगे, विशेष इन्फ्रारेड कैमरों की आवश्यकता नहीं है। आप एक मानक, कम लागत वाले कैमरा सेंसर का उपयोग कर सकते हैं जो कई उपकरणों में पाया जाता है।
- यह तेज़ है: आपको ऊतक को पहले रासायनिक उपचार देने की आवश्यकता नहीं है। आप ताजे, वास्तविक नमूनों को तुरंत देख सकते हैं।
- यह सरल है: सेटअप छोटा है और इसमें जटिल लेंसों की आवश्यकता नहीं है।
संक्षेप में:
शोधकर्ताओं ने एक विशेष "फिसलन भरे" इन्फ्रारेड प्रकाश का उपयोग करके और कैमरे को थोड़ा दूर ले जाने की चतुराई भरी तकनीक के माध्यम से घने, धुंधले जैविक ऊतकों के आर-पार देखना सीख लिया है। उन्होंने साबित किया है कि आप यह साधारण, मानक उपकरणों के साथ कर सकते हैं, जो हमारे शरीर के अंदर गहराई से, तेजी से, सस्ते में और नमूनों को नुकसान पहुँचाए बिना देखने का रास्ता खोलता है।
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