Silicon PhotonicsLife sciencesAcademic ExcellenceGovernment funded research

10 min

Een grote stap in een kleine wereld: een lensvrije fluorescentiemicroscoop

Bij het woord ‘microscoop’ denken we veelal aan een vrij groot instrument met een lens als hoofdcomponent. De realiteit is echter veel complexer: lens-vrije microscopie is niet langer toekomstmuziek. Tot nu toe kon enkel helderveld-microscopie op een enkele chip gerealiseerd worden. Maar hier komt verandering in: imec onderzoeker Niels Verellen kreeg recent een ERC Grant om een lensvrije fluorescentiemicroscoop-op-chip te ontwikkelen.

Scroll

Van vergrootglas tot hoge-resolutie microscoop op een enkele chip

De uitvinding van de microscoop in de late 16de eeuw ontketende een revolutie in de wetenschap. Voor het eerst waren onderzoekers in staat om de kleinste componenten in de natuur te analyseren. Zo ontdekten ze onder meer celstructuren, microben en bacterieën. In het begin van de 20ste eeuw verscheen een nieuw soort miscroscopie op het toneel die wetenschappers toeliet om op specifieke celstructuren te focussen door ze te laten oplichten of ‘fluoresceren’. Fluorescentiemicroscopie is intussen een onmisbare tool geworden in de biologie en de geneeskunde. Het wordt vaak gebruikt in klinische trials, voor de diagnose van gezondheidsproblemen en in DNA-onderzoek.

In de laatste decennia is microscopie enorm sterk geëvolueerd. Daardoor werd onder meer ook DNA-onderzoek opmerkelijk goedkoper. In 2014 ontvingen drie onderzoekers zelfs een Nobelprijs omdat ze erin slaagden om de klassieke resolutielimiet van fluorescentiemicroscopie te doorbreken. 

Ondanks die enorme vooruitgang op het vlak van resolutie lijkt de standaardmicroscoop van vandaag nog steeds sterk op zijn 16de eeuwse voorlopers: microscopen met een hoge resolutie zijn meestal vrij grote, dure toestellen die enkel door speciaal opgeleide operatoren correct afgesteld kunnen worden. Daarom vind je ze meestal enkel in gespecialiseerde labo’s, wat hun inzetbaarheid uiteraard beperkt.

Maar de volgende grote stap in de evolutie van de microscoop komt eraan en wel in de vorm van compacte lensvrije microscopen. Imec onderzoeker Niels Verellen kreeg recent een prestigieuze ERC Starting Grant van 1,5 miljoen euro (voor vijf jaar) toegekend om een fluorescentiemicroscoop-op-chip te ontwikkelen die niet alleen heel compact is maar ook een betere resolutie en breder gezichtsveld heeft.

Lensvrije microscopie: waarom?

Een microscoop zonder lens: het klinkt misschien vreemd, maar eigenlijk is lensvrije microscopie niet nieuw. Imec biedt op dit moment al een compacte microscoop-op-chip aan voor helderveld-microscopie. Deze technologie is klaar om ingezet te worden voor specifieke applicaties gaande van het opvolgen van celculturen in incubatoren, het tellen van partikels of bloedcellen, tot het opsporen van defecten in industriële inspectiesystemen.

Niels Verellen (senior onderzoeker fotonica & projectleider): “De technologie waar we bij imec tot nu toe aan werkten is een goed alternatief voor helderveld-microscopie, de oudste en meest bekende soort microscopie. Maar voor veel toepassingen in de medische wereld en in de biologie, zoals bijvoorbeeld DNA-analyse of eender welk soort test waarbij je op een specifieke molecule wilt focussen, heb je fluorescentiemicrosocopie nodig. Onze huidige methode voor lensvrije helderveld-microscopie maakt gebruik van het interferentiepatroon van het licht om een holografische reconstructie te maken die de taak van de lens overneemt. Maar bij fluorescentiemicroscopie is de straling van het licht incoherent, dus kunnen we niet dezelfde techniek gebruiken, maar moeten we een volledig nieuwe methode ontwikkelen.”

Een compacte lensvrije fluorescentiemicroscoop biedt grote voordelen tegenover de lensgebaseerde microscoop. Het eerste voordeel is vrij duidelijk: kleiner is gewoon handiger. Maar microscopen-op-chip hebben ook nog andere troeven. Zo moeten standaardmicroscopen regelmatig manueel afgesteld worden, een beetje zoals een piano af en toe gestemd moet worden. Dit ‘stemmen’ kan alleen gedaan worden door een speciaal opgeleide operator. Microscopen-op-chip moeten maar één keer ‘gestemd’ worden, namelijk bij hun productie in de cleanroom. Een ander groot voordeel is natuurlijk de kostprijs: er is minder hardware en omdat de microscopen CMOS-compatibel zijn, is massaproductie ook mogelijk.

Het einddoel: kleiner maar fijner

Elk jaar dienen ongeveer 3000 jonge onderzoekers een aanvraag in voor een ERC Starting Grant. Met deze beurs wil de European Research Council veelbelovende onderzoekers in hun carrière ondersteunen en wetenschappelijke uitmuntendheid in Europa stimuleren. Met een slaagkans van 10-12% is het bemachtigen van zo’n beurs een indrukwekkende prestatie. In de komende vijf jaar zal Niels Verellen een team leiden dat zich bezighoudt met het ontwikkelen van een techniek voor hoge-resolutie fluorescentiemicroscopie-op-chip die ook nog eens snel, robuust, onderhoudsvriendelijk, goedkoop en ultracompact is.

Niels Verellen: “Binnen vijf jaar willen we een proof-of-concept hebben dat aantoont dat onze techniek werkt en beantwoordt aan de vereisten wat betreft resolutie en gezichtsveld. Meer specifiek hebben we een microscoop in gedachten die ongeveer 5 cm2 groot is en een resolutie heeft van 100 nanometer.” Met andere woorden: een microscoop die in je broekzak past, maar toch beter is dan de standaardmicroscopen met een resolutie van 150-200 nanometer die je vandaag in gespecialiseerde laboratoria vindt.

State-of-the-art bouwstenen voor een geheel nieuw concept

Om deze ultrakleine microscoop te ontwikkelen zullen de onderzoekers verderbouwen op de meest recente doorbraken in geïntegreerde fotonia en CMOS beeldsensoren. Ze vertrekken van bestaande bouwstenen om een geheel nieuw concept te creëren.
Niels Verellen: “Imec is de beste, zo niet de enige, plek waar we zoiets kunnen doen omdat we hier beschikken over een uniek platform voor zichtbare fotonica die ook CMOS-compatibel is. Dankzij PIX4life – een project gefinancierd door de Europese Unie – is er zelfs een open-access pilootlijn voor biofotonica.” De uitdaging ligt dus niet in het designen van nieuwe componenten, maar in het slim combineren van bestaande elementen om zo nieuwe functionaliteiten te creëren en in het ontwikkelen van modellen voor beeldreconstructie.

Niels Verellen: “De huidige lensvrije microscopen maken – net als microscopen met een lens – maken gebruik van hoe het licht zich in een 3D-omgeving voortplant om hun sample te verlichten. Maar met onze oplossing zijn we beperkt tot de 2D-wereld van een enkele chip. Daarom moeten we een manier zien te vinden om binnen de beperkingen van 2D toch een beeld met hoge resolutie weer te geven. We weten hoe we dit in theorie kunnen doen, maar het is een volledig nieuwe methode dus het wordt een uitdagend project. Toch hebben we er vertrouwen in: op dit moment hebben we al wat voorbereidend werk gedaan met enkele simpele modellen die aantoonden dat de basiscomponenten van onze techniek werken.”

Onderzoek en testen sneller en toegankelijker maken

De nieuwe microscoop mag dan klein zijn, de maatschappelijke impact is dat niet. Met deze technologie zou hoge-resolutie fluorescentiemicroscopie veel toegankelijker en betaalbaarder worden. In het medische veld betekent dit bijvoorbeeld dat DNA-analyses sneller (hogere throughput) en goedkoper zouden worden. Maar microscopie-on-chip is vooral ook interessant voor onderzoek. Aangezien de microscoop minder duur en kleiner is, zouden laboratoria er meer kunnen aankopen. Het gevolg is dat experimenten anders opgezet zouden kunnen worden: meer parameters kunnen gelijktijdig in real-time opgevolgd worden. Dit biedt mogelijkheden in verschillende velden, vooral in biologisch en farmaceutisch onderzoek.

 

Meer weten?  

  • Klik hier om het persbericht over de ERC Starting Grant van Niels Verellen te lezen.
  • Klik hier voor meer informatie over onze huidige expertise op het gebied van lensvrije microscopie.

Biografie Niels Verellen

Niels Verellen is senior onderzoeker en projectleider in imecs Life Science Technologie departement, waar hij werkt aan geïntegreerde fotonicatechnologieën voor life science toepassingen. Hij is ook geaffilieerd onderzoeker aan de afdeling vaste-stoffysica en magnetisme van de KU Leuven. Voor zijn doctoraatsonderzoek in het veld van plasmonische nanomaterialen, gedeeltelijk uitgevoerd op imec, mocht hij de Umicore Scientific Award 2012 (€10.000) in ontvangst nemen. Van 2011-2016 onderzocht hij als FWO postdoc aan de KU Leuven en imec de interactie tussen licht en materie door gebruik te maken van optische nanoantennes en nabije-veld beeldverwerking voorbij de diffractielimiet. In 2014 werkte hij aan optische quantum sensoren aan het California Institute of Technology (Caltech) als bezoekende postdoc onderzoeker. Hij is de (co-)auteur van bijna 50 publicaties die meer dan 1800 keer geciteerd werden. En onlangs mocht hij een prestigieuze ERC Starting Grant in ontvangst nemen voor de ontwikkeling van een platform voor hoge-resolutie microscopie-op-chip.

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies