Un microscope sans objectif à 1,50 $

À l'aide d'un capteur d'appareil photo numérique à 1,50 $, les scientifiques de Caltech ont créé le microscope sans objectif le plus simple et le moins cher à ce jour. Un tel dispositif pourrait avoir de nombreuses applications, notamment aider à diagnostiquer des maladies dans les pays en développement et permettre le dépistage rapide de nouveaux médicaments.

Aucun objectif requis : Le chercheur Guoan Zheng injecte un échantillon dans l'entrée du microscope optofluidique.

La meilleure façon actuelle de diagnostiquer le paludisme est qu'un technicien qualifié examine des échantillons de sang à l'aide d'un microscope optique conventionnel. Mais cela n'est pas pratique dans les régions du monde où le paludisme est courant. Un simple appareil d'imagerie sans lentille connecté à un téléphone intelligent ou à un PDA pourrait diagnostiquer automatiquement une maladie. Un microscope sans lentille pourrait également être utilisé pour le dépistage rapide du cancer ou des médicaments, avec des dizaines ou des centaines de microscopes fonctionnant simultanément.

L'appareil Caltech est remarquablement simple. Un système de canaux microscopiques appelé microfluidique conduit un échantillon à travers la puce de détection de lumière, qui prend des images en succession rapide au fur et à mesure que l'échantillon passe à travers. Contrairement aux itérations précédentes, il n'y a pas d'autres parties. Les versions antérieures comportaient des trous d'épingle et un entraînement électrocinétique pour déplacer les cellules dans une orientation fixe avec un champ électrique. Dans le nouvel appareil, cette complexité est éliminée grâce à une conception intelligente et à des algorithmes logiciels plus sophistiqués. Les échantillons s'écoulent dans le canal en raison d'une infime différence de pression d'un bout à l'autre de la puce. Les fabricants de l'appareil l'appellent un microscope optofluidique à résolution de sous-pixels, ou SROFM.

L'avantage ici est que c'est plus simple que leurs approches précédentes, dit David Erickson , un expert en microfluidique à l'Université Cornell.

Les cellules ont tendance à rouler bout à bout lorsqu'elles traversent un canal microfluidique. Le nouvel appareil utilise ce comportement à son avantage en capturant des images et en produisant une vidéo. En imageant une cellule sous tous les angles, un clinicien peut déterminer son volume, ce qui peut être utile lors de la recherche de cellules cancéreuses, par exemple. Changhuei Yang , qui dirige le laboratoire où le microscope a été développé, explique que cela signifie que les échantillons, tels que le sang, n'ont pas à être préparés au préalable sur des lames.

La résolution actuelle du SROFM est de 0,75 micron, ce qui est comparable à un microscope optique à un grossissement de 20 fois, selon Guoan Zheng , auteur principal d'un article récent sur le travail, publié dans la revue Laboratoire sur puce .

Le capteur a des pixels de 3,2 microns de chaque côté. Un algorithme de super résolution assemble plusieurs images (50 pour chaque image haute résolution) pour créer une image à résolution améliorée, comme si l'écran avait des pixels de 0,32 micron. Cependant, les techniques de super-résolution ne peuvent distinguer que les caractéristiques séparées par au moins un pixel, ce qui signifie que la résolution finale doit être au moins deux fois supérieure à la taille du pixel. C'est pourquoi une taille de pixel de 0,32 micron ne donne qu'une résolution de 0,75 micron.

La technique de Zheng n'utilise qu'une petite partie de la puce, ce qui lui permet de capturer des cellules à une fréquence d'images relativement élevée de 300 images par seconde. Cela donne un film en super-résolution d'une cellule à six images par seconde.

L'utilisation d'un capteur CMOS à plus haute résolution devrait permettre une résolution ultime encore meilleure, déclare Seung Ah Lee, un autre collaborateur du projet. Lee souhaite obtenir une résolution jusqu'à l'équivalent d'un grossissement de 40x, afin que la technique puisse être utilisée pour le diagnostic du paludisme via la reconnaissance automatisée des cellules sanguines anormales.

Aydogan Ozcan , professeur à l'UCLA qui développe une approche concurrente, déclare que le travail de Zheng est une avancée précieuse pour la microscopie optofluidique, en ce que ce système est plus simple, offre une résolution plus élevée et est plus facile à utiliser que les microscopes précédents. Cependant, Ozcan dit que la technique a des limites.

Le canal microfluidique doit être assez petit, dit Ozcan, ce qui signifie que l'approche ne peut pas être appliquée aux particules dont la taille peut varier considérablement, et le canal doit être construit pour accueillir la plus grosse particule qui pourrait le traverser. Le propre microscope sans lentille d'Ozcan n'utilise pas de canaux microfluidiques et capture à la place un hologramme de l'échantillon en interprétant le motif d'interférence d'une lampe LED qui le traverse. Cette méthode n'a pas de telles limitations.

De mon point de vue, ce sont des approches complémentaires, dit Ozcan, dont le but ultime est des outils de diagnostic médical bon marché basés sur les téléphones portables pour le monde en développement.

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