Ученые создали сверхдешевые оптические компоненты для наноскопии с помощью обычного 3D-принтера
Исследователи продемонстрировали, что потребительские 3D-принтеры и недорогие материалы могут производить передовые оптические компоненты, способные на съемку в сверхвысоком разрешении. Стоимость изготовления каждой пользовательской линзы составляет менее одного доллара. Эта работа может значительно расширить доступ к высокопроизводительным инструментам визуализации, которые раньше были ограничены специализированными лабораториями.
Команда показала, что недорогие, настраиваемые оптические детали могут поддерживать съемку за пределами традиционного дифракционного предела. Их подход сочетает 3D-печать, силиконовое литье и УФ-отверждаемую смолу для изготовления многоэлементных линз. Исследователи использовали эти линзы для создания многофокусного микроскопа со структурированным освещением, который позволил рассмотреть биологические структуры в наномасштабе.
«Мы создали оптические детали, которые позволяют снимать мельчайшие строительные блоки жизни с замечательной детализацией», — сказал ведущий автор исследования Джей Кристофер из Университета Стратклайда в Великобритании. «Этот подход открывает возможность создания пользовательских систем визуализации и раскрывает сценарии съемки, которые традиционно либо невозможны, либо требуют дорогостоящих услуг по изготовлению стеклянных компонентов».
Ученые описали, как их недорогие линзы позволили визуализировать микротрубочки в цитоскелете клетки. Система достигла разрешения около 150 нанометров, что сопоставимо с коммерческими микроскопами сверхвысокого разрешения. «Наш новый подход может позволить ученым и компаниям получить доступ к инструментам, которые ранее были заблокированы из-за высокой стоимости специализированных технологий, — отметил Кристофер. — Используя бюджетные 3D-принтеры и материалы, они могут изготавливать собственные компоненты для решения стоящих перед ними задач и, в свою очередь, создавать уникальные исследовательские и производственные решения».
Для передовой микроскопии команде потребовались линзы, хорошо работающие с лазерным освещением. Стандартная 3D-печать вносит оптическое рассеяние из-за послойного создания объектов. Эта структура может дифрагировать свет и ухудшать качество изображения. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали процесс уточнения на основе литья. Они сначала распечатали исходный оптический дизайн с использованием стандартного программного обеспечения САПР, а затем добавили дополнительный печатный материал для сглаживания поверхностных слоев. Этот аддитивный метод заменил трудоемкие методы полировки.
После доработки напечатанной решетки микролинз исследователи создали силиконовую форму. Они заполнили ее недорогой прозрачной УФ-отверждаемой смолой. Этот шаг устранил эффекты дифракции, наблюдавшиеся в оригинальных напечатанных деталях. Прецизионные измерения поверхности показали, что недорогие линзы близко соответствуют как высококлассной, так и бюджетной коммерческой оптике. При тестировании в лабораторно собранном микроскопе напечатанные линзы давали биологические изображения, почти идентичные тем, что получены с коммерческих стеклянных решеток.
Далее команда планирует изучить более сложные конструкции. Будущая работа может включать трехмерные фокальные схемы, биоинспирированную оптику и гибридные компоненты, сочетающие прозрачные и непрозрачные материалы в одной детали.
Исследование в журнале Biomedical Optics Express.