Naukowcy z Indian Institute of Science (IISc) w Bengaluru odkryli, że tani mikroskop podłączony do aparatu w smartfonie może znaleźć szersze zastosowanie w różnych obszarach badawczych, aw niektórych przypadkach potencjalnie zastąpić droższy sprzęt.

Foldscope to ręczny mikroskop wykonany głównie z papieru, który można łatwo połączyć z aparatem w smartfonie. Ma powiększenie około 140x i może identyfikować obiekty o szerokości zaledwie 2 mikrometrów. Został stworzony przez naukowców z Uniwersytetu Stanforda w 2014 roku. Dziś Foldscope kosztuje około 400 Rs.

Naukowcy odkryli, że Foldscopes może uchwycić okrągłość i proporcje obiektu z dokładnością do 5% tych zobrazowanych przez najnowocześniejszy instrument zwany skaningowym mikroskopem elektronowym (SEM), który kosztuje ponad 50 lakh rupii każdy.

Informują również, że w oparciu o ich odkrycia, Foldscopes mogą być wykorzystywane między innymi w farmaceutyce (do kontroli produktów leczniczych), naukach o środowisku (do obserwacji zanieczyszczeń) i kosmetykach (do obserwacji proszków i emulsji).

P. Anbazhagan, profesor nadzwyczajny na Wydziale Inżynierii Lądowej IISc i autor korespondujący z artykułem, powiedział również w e-mailu, że Foldscopes można wykorzystać do badania „morfologii cząstek gleby”, co może „pomóc zrozumieć strukturę gleby, dostępność składników odżywczych i rośliny wzrost” w rolnictwie.

Ziarna gleby

Pomysł jest wynikiem badania opublikowanego w czasopiśmie Bieżąca nauka 25 lutego, w którym dr Anbazhagan i jego były doktorant Kunjari Mog zgłosili ocenę przydatności Foldscope do identyfikacji kształtu ziaren gleby.

Obecnie wiele schematów klasyfikacji gleby na całym świecie nie obejmuje kształtu ziaren gleby „ze względu na złożoność dokładnego pomiaru kształtu ziarna i ograniczoną dostępność przystępnych cenowo instrumentów do przechwytywania obrazu” – powiedział dr Anbazhagan.

Indyjski standardowy system klasyfikacji gleby klasyfikuje glebę jako „grubą”, „drobną” i „torfową / organiczną” na podstawie wielkości, konsystencji i podatności na odkształcenia.

Kształt jest trudny do określenia, ponieważ wymaga nieporęcznych mikroskopów o wysokiej rozdzielczości. Jednak ma to znaczenie: Anindya Sarkar, profesor i była szefowa Wydziału Geologii i Geofizyki IIT Kharagpur, powiedziała w e-mailu, że wpływa to na to, jak ziarna się pakują. Większa szczelina między ziarnami oznacza, że ​​gleba ogólnie może pomieścić więcej wody niż w przypadku mniejszej szczeliny.

Ponadto „gleby z ziarnami kanciastymi lub o nieregularnych kształtach mają zwykle większe tarcie międzycząsteczkowe, co czyni je bardziej odpornymi na odkształcenia niż gleby z dobrze zaokrąglonymi lub kulistymi ziarnami” – powiedział dr Anbazhagan.

Schematy klasyfikacji obchodzą niemożność szybkiej i niedrogiej oceny kształtu ziarna przy użyciu innych miar. W swoim nowym badaniu dr Anbazhagan i dr Mog zbadali, czy Foldscope może wypełnić tę lukę.

Cztery próbki, trzy atrybuty

W 2018 roku zebrali naturalny piasek z czterech miejsc: koryt rzek Manu i Brahmaputry, piasku odkrytego podczas trzęsienia ziemi w Tripura w 2017 roku oraz piasku z metra pod ziemią w Kalpakkam w Tamil Nadu. Wszystkie cztery były gruntami gruboziarnistymi o szerokości cząstek 0,32-0,47 mm.

Użyli dwóch instrumentów – Foldscope podłączonego do 64-megapikselowego aparatu w smartfonie i skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) – do pomiaru trzech atrybutów każdej próbki: okrągłości (stopień, w jakim cząstka jest kulista), współczynnika kształtu (jak szeroka jest porównuje się z jego wysokością) oraz kołowość (stopień, w jakim jest okrągły w dwóch wymiarach).

W każdym przypadku przechwycili obraz za pomocą instrumentu i przeanalizowali go za pomocą narzędzia programowego o nazwie ImageJ.

Odkryli, że odczyty oparte na Foldscope i SEM różniły się o około 5% pod względem okrągłości i proporcji dla wszystkich piasków z wyjątkiem piasku Tripura, którego pomiary różniły się o 9%.

Jednak odczyty kołowości różniły się o 50% od odczytu SEM. W swoim artykule naukowcy przypisują to problemom z rozdzielczością związanym z analizatorem obrazu. Dodają, że przyszłe badania mogą znaleźć rozwiązanie, w tym poprzez udoskonalenie istniejącego oprogramowania, takiego jak ImageJ.

W przeciwnym razie odkryli jednak, że Foldscope może rozszerzyć badania kształtu ziarna gleby, w tym w kierunku włączenia cechy do systemu klasyfikacji gleby.

Plusy i minusy

Naukowcy odkryli, że każdy Foldscope nie może być używany do obrazowania więcej niż „150-200 cząstek” naraz, ponieważ jego mechanizm ogniskowania uległby zużyciu. Zostało to jednak zrównoważone niewielkimi rozmiarami i niskim kosztem instrumentu.

Naukowcy zauważyli również, że przygotowanie próbki do badania za pomocą Foldscope zajęło mniej niż godzinę, podczas gdy ten sam proces w przypadku SEM był „żmudny i czasochłonny”.

„Foldscope nie został zaprojektowany jako substytut SEM, który jest wysoce wyspecjalizowanym i drogim instrumentem” – powiedział dr Anbazhagan. Jednak „pozwala na analizę gleby w terenie” oraz wizualizację „struktury i właściwości gleby szybko i łatwo w erze cyfrowej”.