适合所有人的显微镜：研究人员开发开源光学工具箱

用于生物成像的现代显微镜价格昂贵，位于专业实验室中，并且需要高素质的人员。因此，主要用于富裕国家设备完善的研究机构中的科学家，以研究新颖的，创造性的方法来解决紧急的科学问题，例如在与COVID-19等传染病的斗争中。来自耶拿的莱布尼兹光子技术学院（Leibniz IPHT），弗里德里希·席勒大学和耶拿大学医院的年轻研究团队希望改变这一点：研究人员开发了一个光学工具箱，以几百欧元的价格制造显微镜，可提供分辨率图像可媲美商业显微镜，价格要高出一百到一千倍。借助开源蓝图，3-D打印机和智能手机相机的组件，UC2（您也可以参见）模块系统可以按照研究问题的具体方式进行组合-从长期观察生物体内的生物孵化器到光学教育工具箱。该研究团队于2020年11月25日在著名的《自然通讯》上发表了其研究进展。 UC2系统的基本构建块是边缘长度为5厘米的简单3D可打印立方体，它可以容纳各种组件，例如镜头，LED或照相机。几个这样的立方体被插入到磁性光栅基板上。模块排列得当，因此可以构成功能强大的光学仪器。相邻镜片的焦平面重合的光学概念是大多数复杂光学装置（例如现代显微镜）的基础。借助UC2工具箱，博士的研究团队Rainer Heintzmann教授，Leibniz IPHT和Friedrich Schiller University Jena实验室的学生们展示了如何在动手实验中直观地理解这种固有的模块化过程。通过这种方式，UC2还为未经技术培训的用户提供了可以使用，修改和扩展的光学工具，具体取决于他们正在研究的内容。

柏林自由大学和Charité生物化学教授Helge Ewers正在使用UC2工具箱研究病原体。他说：“ UC2系统使我们能够以低成本生产高质量的显微镜，从而可以在培养箱中观察活细胞。”因此，UC2开拓了传统显微镜不适合的生物医学研究应用领域。 Benedict Diederich博士说：“可用于在更长的时间内检查病原体的商业显微镜的成本比我们的UC2装置贵数百倍或数千倍。” Leibniz-IPHT的学生，他与RenéLachmann一起开发了光学工具箱。 “您很难将它们带入受污染的实验室，因为它们不易清洗，因此您可能无法从它们中取出它们。”另一方面，塑料制成的UC2显微镜在生物安全实验室中成功使用后，很容易燃烧或回收。在耶拿大学医院的一项研究中，UC2小组观察了培养箱中单核细胞在一周内的分化为巨噬细胞的情况，以了解先天免疫系统如何抵抗体内病原体。

依照乐高积木原则建造游戏-不仅可以唤醒用户的内在游戏本能，而且还可以为研究人员设计出专门针对其研究问题的乐器提供新的可能性。本尼迪克特·迪德里奇（Benedict Diederich）解释说：“使用我们的方法，可以快速组装合适的工具来绘制特定细胞。” “例如，如果需要红色波长作为激发光，则只需安装适当的激光器并更换滤光片。如果需要倒置显微镜，则可以相应地堆叠立方体。使用UC2系统，可以根据需要组合元件。所需的分辨率，稳定性，持续时间或显微镜方法，并直接在“快速原型”过程中进行了测试。

研究人员在可免费访问的在线存储库GitHub上发布了施工计划和软件，以便全世界的开源社区都可以访问，重建，修改和扩展提出的系统。 RenéLachmann表示：“有了用户的反馈，我们逐步改进了系统，并添加了新的创意解决方案。”第一批用户已经开始针对自己和他们的目的扩展系统。 “我们渴望看到何时可以提供第一个用户解决方案。”

其背后的目的是实现开放科学。得益于详细的文档资料，研究人员可以在世界任何地方，甚至在装备精良的实验室之外，也可以复制并进一步开发实验。本尼迪克特·迪德里希（Benedict Diederich）称之为“范式的变化：科学为一毛钱”：宣告一种范式转变，在这种转变中，科学过程尽可能公开和透明，所有人均可自由访问，研究人员彼此共享知识，将其纳入他们的工作。

为了使特别是年轻人对光学感兴趣，研究小组开发了一套先进的工具集，用于学校和大学的教育目的。 UC2通过“盒子”引入了一套工具包，使用户可以了解和尝试光学概念和显微镜方法。 “组件可以组合在一起构成投影仪或望远镜；您可以构建光谱仪或智能手机显微镜，” BarboraMaršíková解释说，他开发了实验和一系列现成的文档，UC2团队已经在多个实验室中对其进行了测试。在耶拿及其周边地区以及在美国，英国和挪威举办的研讨会。在耶拿（Jena），年轻的研究人员已经在几所学校（例如支持学生建立荧光显微镜以检测微塑料。 “我们已将UC2与智能手机相结合。这使我们能够在没有任何光学知识的情况下经济高效地建立自己的荧光，并开发出一种比较简单的方法来检测化妆品中的塑料颗粒，”耶拿市蒙特梭利学校的艾米莉亚·沃尔瑟（Emilia Walther）报告说，她和她的团队一起追求一种创新的跨学科学习方法。

本尼迪克特·迪德里希（Benedict Diederich）说：“我们希望使现代显微镜技术对广大公众开放，并建立一个开放和创新的显微镜社区。”这种自行构建的教学方法具有巨大的潜力，尤其是在电晕大流行期间，家里的教学材料受到严重限制。更多信息：Benedict Diederich等人，《多功能和可定制的低成本3D打印显微成像开放标准》，《自然通讯》（2020年）。 DOI：10.1038 / s41467-020-19447-9