Mini Floresan Mikroskop Tasarımı

Abstract

Mikroskopi, bilimsel araştırmalarda en çok kullanılan görüntüleme yöntemlerinden biridir. Moleküler düzeyde hücre ve doku içeriğinin belirlenmesinde kullanılan floresan mikroskop, hedef molekülü işaretleyerek mikroskop altında yüksek çözünürlükle görüntülenmesini sağlar. Bu özelliği ile birçok alanda kullanılırlar. Ancak biyomedikal alanında mikroskop kullanımı, maliyet, boyut ve kullanım kolaylığı gibi çeşitli faktörlerden dolayı sınırlıdır. Aynı zamanda floresan mikroskobunun kullanıldığı kaliteli ve ayrıntılı görüntüler gerektiren uygulamalar olmasına karşın, her uygulamada bu kadar ayrıntıya ihtiyaç duyulmaz. Bu nedenle küçük, pratik ve uygun maliyetli bir mini floresan mikroskoba ihtiyaç vardır.
Bu çalışmada özel uygulamalarda kullanılabilecek tek dalga boyunda uyarılabilen böylece tek dalga boyundaki yansımaları algılayarak görüntüleme yapabilecek, pratik, taşınabilir ve düşük maliyetli bir floresan mikroskop tasarımı gerçekleştirilmiştir. Tasarım sırası ile yukarıdan aşağıya doğru istenilen dalga boyunda ışık yayan bir LED, gerekli duyulması durumunda kullanılabilecek bir uyarım filtresi, örnek tutacağı, fokus ayarlamasında kullanılacak bu proje kapsamında geliştirilmiş pratik fokus sistemi, tek odaklı bir mikroskop objektifi, emisyon filtresi ve kameradan oluşmaktadır. Elemaları tutacak plakalar lazer kesici kullanılarak oluşturulmuş, bu plakalar katman şeklinde uygun malzemelerle sabitlenmiştir. Optik düzenekte kullanılacak floresan boyaya göre filtreler ve ışık kaynağı belirlenmiş ve temin edilmiştir. Bu elemanlar spektrofotometre cihazı ile test edilerek tasarıma uygun şekilde bir araya getirilmiştir. Tasarımda kullanılan LED sürücüsü hazır olarak temin edilmiş, LED ile olan bağlantıları gerçekleştirilmiştir.
Odak noktası 4mm ve odak uzaklığı 44 mm olacak şekilde hesaplanmış ve optik büyütme 0.27 um/piksel bulunmuştur. 15.6 inç bir ekranda bu büyütme 610 kat olur.
Tasarlanan mikroskop ile 360 nm dalgaboyuna duyarlı floresan boya görüntülenmiş ve 460 nm dalgaboyunda yaydığı görüntü alınmıştır. Tüm tasarım 2500 TL (434 USD)’ ye mal olmuştur. Floresans mikroskopun boyutları 120mm x 120mm x 170mm yani 2448 cm3 tür. Ağırlığı 1000 gramdır.
Tasarlanan mini floresan mikroskop, uygun maliyetli ve taşınabilir olduğu için kaynakları kısıtlı olan coğrafyalarda ve gelişmekte olan ülkelerde geleneksek floresans mikroskoplara göre özellikli uygulamalarda alternatif olabilir. Pratik ve kullanıcı dostu olduğu için uzman kişi ihtiyacını azaltabilir. Özellikle yerinde teşhis uygulamalar için geleneksek floresans mikroskoba bir alternatif olacaktır.

Keywords

• Floresan mikroskop
• floresan boya
• spektrofotometre
• lazer kesici

Design of a Mini Fluorescence Microscope

Abstract

Microscopy is one of the most commonly used imaging methods in scientific research. The fluorescence microscopes which are used to determine the cell and tissue content at the molecular level, provides high-resolution images of the fluorochrome marked molecules. They are used in many areas with this feature. However, the use of fluorescence microscopy in biomedical field is limited due to various factors such as cost, size and difficulty of use. Also for some applications of fluorescence microscopy there are no need for very high quality and detailed images. Therefore, a small, practical and cost-effective mini fluorescent microscope is needed (Sanz, Picazo-Bueno, Granero, & Micó, 2017).
In this study, a practical, portable and cost-effective fluorescent microscope was designed for specific proposes. Unlike the common fluorescent microscopes in this mini version one emission and one excitation wavelength is used. From top to bottom the design consists of a LED which is emitting the chosen wavelength of light, an excitation filter that can be used if necessary, a sample holder, a practical focus system developed in this project to be used for focus adjustment, a single-focus microscope objective lens, an emission filter and a camera. Plates holding these elements were formed using laser cutter, these plates are fixed in the form of layers with the appropriate materials. Filters and LED light source were determined and supplied according to the specific fluorescent dye to be used. These elements were tested by spectrophotometer and assembled together in the design. The LED power driver used in the design was supplied and the connections with the LED are completed.
The focal point was calculated as 4 mm and the focal length as 44 mm so optical magnification 0.27 um/pixel was obtained. This means a 610 times magnification on a 15.6-inch screen.
Using the mini fluorescent microscope a fluorochrome sensitive to 360nm wavelength was imaged. And the image from emitted light at 460nm wavelength was obtained. The entire design cost 2500 TL (434 USD). The dimensions of the fluorescence microscope are 120mm x 120mm x 170mm, 2448cm^3. Its weight is 1 kg.
This mini fluorescence microscope can be used as an alternative to traditional fluorescent microscopes in developing countries and geographies where resources are scarce, because it is cost-effective and portable. As it is practical and user friendly, it can reduce the need for expert person. Also for point of care applications, this microscope can be an alternative for conventional fluorescence microscopy.

Keywords

• Fluorescence microscopy
• fluorescence dye
• spectrophotometer
• laser cutter

References

1. Zhang, Y. S., Ribas, J., Nadhman, A., Aleman, J., Selimović, Š., Lesher-Perez, S. C., … Khademhosseini, A. (2015). A cost-effective fluorescence mini-microscope for biomedical applications. Lab on a Chip, 15(18), 3661–3669. https://doi.org/10.1039/c5lc00666j
2. Kenneth R. Spring, & Micheal W. Davidson. (2018). Introduction to Fluorescence Microscopy | MicroscopyU. from https://www.microscopyu.com/techniques/fluorescence/introduction-to-fluorescence-microscopy
3. Sanz, M., Picazo-Bueno, J. Á., Granero, L., Garciá, J., & Micó, V. (2017). Compact, cost-effective and field-portable microscope prototype based on MISHELF microscopy. Scientific Reports, 7(February), 1–12. https://doi.org/10.1038/srep43291
4. Wei, Q., Qi, H., Luo, W., Tseng, D., Ki, S. J., Wan, Z., … Ozcan, A. (2013). Fluorescent imaging of single nanoparticles and viruses on a smart phone. ACS Nano, 7(10), 9147–9155. https://doi.org/10.1021/nn4037706
5. spectrumviewer | BD Biosciences-US. (2018). from http://www.bdbiosciences.com/us/s/spectrumviewer
6. Understanding Microscopes and Objectives | Edmund Optics. (2019). from https://www.edmundoptics.com/resources/application-notes/microscopy/understanding-microscopes-and-objectives/
7. THORLABS. (2016). full-text. Retrieved from https://www.thorlabs.com/drawings/a88be2972f90488b-2FEDCBBD-0F3D-B6B6-040F0B44DA00E73A/CAB-LEDD1-AutoCADPDF.pdf
8. Rottenfusser, R., Wilson, E. E., & Davidson, M. W. (2019). ZEISS Microscopy Online Campus | Microscopy Basics | Fluorescence Microscopy. from http://zeiss-campus.magnet.fsu.edu/articles/basics/fluorescence.html