Smartphone wordt prima microscoop

In Australië hebben technici een ingenieuze clip met een lensje erin ontworpen die je op je smartphone kunt schuiven. Met dit 3D-geprinte opzetstukje werkt de smartphone ineens als een microscoop van behoorlijk hoge kwaliteit. Hij kan zelfs bewegende beelden maken van cellen. Hiermee kun je overal snel iets onder de microscoop leggen.

De smartphone is pas een jaar of tien onder ons, maar inmiddels zijn we helemaal gewend geraakt aan deze krachtige computer die in onze zak past. Sterker nog, veel mensen zouden niet meer zonder kunnen.

Maar benutten we de kwaliteiten van de smartphone wel volledig? Ingenieurs van het ARC Centre of Excellence for Nanoscale BioPhotonics in Australië vonden van niet en sloegen aan het tekenen. Het moest toch mogelijk zijn om een opzetstukje te ontwerpen dat slim gebruikmaakt van de cameralens en uitstekende beeldsensor van de hedendaagse smartphone en waarmee je de telefoon dus omtovert in een microscoop?

Geen externe lichtbron nodig

In vakblad Scientific Reports doen de Australiërs nu hun ontwerp uit de doeken. Ze presenteren een opzetclip van zwart kunststof die is gemaakt met een 3D-printer. Het bijzondere van het ontwerp is dat er geen externe lichtbron in zit, wat bij voorgaande pogingen wel het geval was. Zo'n lichtbron maakte eerdere opzetstukjes te groot, en zorgde ervoor dat er een extra batterij nodig was.

Het nieuwe opzetstuk maakt slim gebruik van de flitser die al in de telefoon zit. Zoals te zien is op onderstaande schets, is in het plastic een diagonaal kanaal opengelaten, dat het licht van de flitser (dat continu schijnt) doorlaat. Dat valt vervolgens op een achtergrond, waardoor er diffuus licht (alle richtingen op) terugkaatst en door het proefstuk (sample) heen gaat.

Figuur a) is een bovenaanzicht van het opzetstuk dat volledig te zien is bij d). Een microscoopglaasje wordt van bovenaf in de gleuf geschoven. De blauwe pijl bij a) is licht dat van de flitser komt en op de achtergrond valt (goudkleurig in de figuur), die het licht diffuus verspreidt. Vervolgens gaat het licht door het microscoopglaasje met proefstuk (sample) heen en valt via twee lenzen (eerst een extra lens, dan de vaste lens van de smartphonecamera) op de beeldsensor van de smartphone.

Het licht gaat nu de telefoon in, maar niet voordat het door een extra lensje is gegaan, dat in het opzetstuk is geklemd. Deze losse lens (een zelfde als die in smartphones wordt ingebouwd) is nodig om het af te beelden object, dat vlak voor de camera staat, toch scherp op de beeldsensor te krijgen. Met alleen de camera van de smartphone zou dat niet lukken; die is ontworpen op voorwerpen die minstens een paar meter weg staan.

Het ontwerp van het opzetstuk is zodanig dat de microscoop ook kan werken als de flitser uit staat. Als er op dat moment voldoende licht van buiten komt, dringt dat via de zijkanten het glas van het proefstuk binnen en komt zo via het af te beelden voorwerp op de beeldsensor van de telefoon terecht. Deze ‘darkfield’-modus (donkerveld-instelling) is handig voor wanneer het af te beelden voorwerp bij gebruik van het flitslicht te weinig contrast vertoont met de omgeving; bijvoorbeeld bij cellen of plankton.

Het opzetstuk is gemaakt op een 3D-printer die werkt met stereolithografie. Dit is een bouwmethode waarbij een laser heel precies vloeibare hars (resin) belicht, waardoor lokaal dit materiaal hard wordt. Door dit laagje voor laagje te doen, ontstaat een driedimensionaal voorwerp.

Testbeeld

De makers hebben hun microscoop op verschillende manieren getest. Om te beginnen hebben ze een zogeheten resolution target eronder gelegd; dit is een soort testbeeld met steeds fijner wordende structuren, dat erg doet denken aan de testjes bij de oogarts. Wanneer je tussen twee smalle lijntjes geen onderscheid meer kunt maken, loop je tegen de grenzen van het oplossend vermogen van de microscoop aan.

Hieruit bleek dat bij helderveldmicroscopie de resolutie van de opzet-microscoop rond de 4,5 µm ligt; details van die grootte zijn dus nog los af te beelden. Bij donkerveldmicroscopie is dat iets slechter, rond 5,6 µm. Ter vergelijking: een menselijke haar is zo’n 70 µm dik, een rode bloedcel meet tussen de 6 – 8 µm. Die laatste kun je dus net onderscheiden. Maar voor veel cellen, micro-organismen en onderdeeltjes van planten is dit ruim voldoende.

Levend sperma

Het mooie van een smartphone is dat hij ook een video-modus heeft. Ook die functioneerde prima, lieten de onderzoekers zien. Ze legden een proefstukje met levend rundersperma onder hun microscoop en filmden de zaadcellen. Software voor beeldherkenning volgt afzonderlijke spermacellen en zo is de gemiddelde beweeglijkheid van de populatie te bepalen. Dit is een maat voor de kwaliteit van het sperma.

Betaalbare microscoop

De makers hebben de digitale bouwtekeningen van hun opzetstuk beschikbaar gesteld voor iedereen, zodat iedereen die wil – en een 3D-printer ter beschikking heeft – zijn eigen betaalbare microscoop bouwen, die ook nog eens draagbaar is. Het extra lensje dat de uitvinders gebruikten, is van een iPhone 5S, en kost 15 Australische dollar (9,50 euro). Wat het kost om het opzetstuk te printen, schrijven ze niet in hun paper. Heel duur kan het niet zijn, want 1 l printbare hars kost 160 euro; en voor het opzetstuk is daarvan maar een fractie nodig.

De opzetmicroscoop is nu alleen ontworpen voor een iPhone 6S, maar misschien volgen er meer modellen.