Een fluorescentiemicroscoop zonder l(gr)enzen

“Eerst zien, en dan geloven” is een oeroude, oerdegelijke Vlaamse wijsheid – en meteen ook het adagium van de wetenschappelijke revolutie die de Moderne Tijd inluidde.

Ons huidige wereldbeeld wordt dan ook voor een groot deel bepaald door het baanbrekende werk van een aantal pioniers uit het verleden die dankzij de modernste instrumentatie van hun tijd plots heel nieuwe dingen konden zien. Zo richtte Galileo zijn telescoop naar de hemellichamen en werd daarmee de vader van de moderne astronomie. En aan het andere uiterste van de lengteschaal ontdekte Antoni van Leeuwenhoek de wondere wereld van de microscopische organismen, en introduceerde daarmee de optische microscoop als hét werkpaard bij uitstek in de biologie. 

Door de eeuwen heen is de optische microscoop zowat een extensie van het menselijke oog geworden. Hij verbetert de resolutie, het contrast en de gevoeligheid waarmee we uiterst kleine objecten kunnen waarnemen. Of met andere woorden: hij laat ons toe om meer details te zien in een bepaald object. 

Een variant op de klassieke, optische microscoop is de fluorescentiemicroscoop. Die heeft de afgelopen decennia als geen ander bijgedragen tot ons wetenschappelijk inzicht in alles wat met levende organismen en geneeskunde te maken heeft. Fluorescentiemicroscopie laat toe om met een bepaald biomolecule een ‘lichtfakkel’ mee te geven en zo bijvoorbeeld alle inter- en intracellulaire structuren, interactiemechanismen en transportkanalen van cellen in kaart te brengen. Dankzij de fluorescentiemicroscoop kunnen we dus meer dingen tegelijk zien. 

Zelfs de meest recente technische ontwikkelingen in de optische microscopie zijn grotendeels gebaseerd op de microscoop zoals van Leeuwenhoek die in de 17^de eeuw gebruikte. Centraal staat de lens – of beter gezegd: het objectief, een complexe collectie van uiterst precies vervaardigde lenzen waarmee we objecten kunnen zien met een resolutie tot een halve golflengte van het licht waarmee we kijken. Voor zichtbaar licht kan dat ons brengen tot resoluties van 200 nanometer. Mits wat extra inspanningen en speciale trucjes kan dat zelfs nog tien keer fijnmaziger (tot 20 nanometer) dankzij superresolutiemicroscopie. Daarvoor werd in 2014 nog de Nobelprijs chemie uitgereikt. 

Maar: voor die fantastisch hoge resoluties moet er helaas wel een prijs betaald worden – letterlijk en figuurlijk. Niet alleen loopt het kostenplaatje snel op, een dergelijk toestel neemt veel laboruimte in en moet uiterst precies uitgelijnd worden (en blijven). Bovendien neemt met de toenemende resolutie (het zien van meer detail) het gezichtsveld of beeldvormingsgebied af (je bestrijkt een minder grote oppervlakte). Een heuse evenwichtsoefening dus.

Chiptechnologie biedt ons de mogelijkheid om die beperkingen te omzeilen. De ontwikkeling van een chip-microscoop zou dan ook wel eens kunnen leiden tot een heel nieuwe manier om aan optische microscopie te doen. 

Standaard chiptechnologie zorgt er alvast voor dat een chip-microscoop behoorlijk goedkoop geproduceerd kan worden. Bovendien zijn chips zeer compact en kunnen ze verschillende functionaliteiten combineren, waarbij het uitlijnen van de verschillende onderdelen gebeurt met nanometerprecisie. 

Sciencefiction? Allesbehalve! Onderzoekers van imec – met de steun van de Europese Research Council (ERC) – werken immers nu al aan de ontwikkeling van zo’n revolutionaire chip; een chip-microscoop die lichtmicroscopie mogelijk moet maken zonder lenzen te gebruiken. 

De Integrated high-Resolution On-Chip Structured Illumination Microscope (IROCSIM)-oplossing combineert geïntegreerde optische circuits met hoge-resolutie, silicium beeldsensoren. Zo wordt de basis gelegd voor een compacte fluorescentiemicroscoop met een schaalbaar gezichtsveld, die daarbij niet inboet aan resolutie. En de lens? Die is, zoals gezegd, niet meer nodig: de resolutie wordt immers op een andere manier gehaald.

Figuur 1: Standaard chiptechnologie zorgt ervoor dat een chip-microscoop behoorlijk goedkoop geproduceerd kan worden. Bovendien zijn chips zeer compact en kunnen ze verschillende functionaliteiten combineren.

Aan de basis van de chip-microscoop ligt een rooster van fotodetectoren, een standaard beeldsensorchip of camerachip. Daarmee wordt het fluorescente licht gedetecteerd, net zoals in een standaard microscoop. Daarop wordt vervolgens een speciale kleurenfilter en een geïntegreerd optisch circuit aangebracht met behulp van een nieuw productieproces dat door imec ontwikkeld werd.

Het is trouwens in dat optische circuit dat de magie plaatsvindt. Het is een geminiaturiseerde versie van glasvezelcircuits zoals je die ook in datacenters terugvindt, maar dan volledig geïntegreerd op een silicium chip. Hiermee kunnen resoluties tot wel 100 nanometer behaald worden – zonder in te boeten aan gezichtsveld. Maar vanzelfsprekend liggen daar ook de grootste uitdagingen. 

Het optische circuit bestaat uit golfgeleiders, een bundelsplitser, opto-elektronische schakelaars en fase modulatoren die laserlicht — dat voor de belichting van het staal zorgt — in de chip rondleiden en vormgeven.

Door gebruik te maken van de golfeigenschappen van het laserlicht dat door de chip geloodst wordt, kunnen interferentiepatronen gegenereerd worden die bestaan uit regio’s waar het donker blijft (destructieve interferentie) en regio’s waar het licht dat van verschillende richtingen samenkomt elkaar versterkt (constructieve interferentie). Het is die interferentie van lichtgolven die aan de basis ligt van de zeer specifieke gestructureerde lichtpatronen die de lens vervangen. 

Figuur 2: Gestructureerde lichtpatronen in een chip-geïntegreerd optisch circuit vervangen de lens van de conventionele microscoop.

Conclusie: de chip-gebaseerde fluorescentiemicroscoop mag dan klein zijn, de maatschappelijke impact ervan is dat allesbehalve. Dankzij het gebruik van chiptechnologie zal hoge-resolutie fluorescentiemicroscopie op termijn veel toegankelijker en betaalbaarder worden. Op medisch vlak betekent dat bijvoorbeeld dat DNA-analyses sneller en goedkoper zullen kunnen worden uitgevoerd. Maar microscopie-on-chip is zeker ook interessant om het wetenschappelijke onderzoek in heel wat andere disciplines een boost te geven: omdat de microscoop minder duur en kleiner zal zijn, zullen laboratoria er meer kunnen aankopen en hun onderzoeken anders opzetten (waarbij meer parameters gelijktijdig in real time kunnen worden opgevolgd). Dat biedt heel wat mogelijkheden, bijvoorbeeld op het vlak van biologisch en farmaceutisch onderzoek. 

Vandaag schieten de eerste proof-of-concept demonstraties van de IROCSIM-oplossing aardig op. Weliswaar moeten nog heel wat technische uitdagingen overwonnen worden, en wellicht liggen er nog enkele jaren voor ons om deze chip-microscoop verder te ontwikkelen, maar één ding is duidelijk: de eerste belangrijke stappen zijn alvast gezet!