Systemy zintegrowanej optoelektroniki obrazowej. Nowe możliwości w ochronie zdrowia i aplikacjach kosmicznych

Dla zdrowia i kosmosu

Miniaturyzacja i integracja systemów optoelektroniki obrazowej otworzyła nowe możliwości aplikacyjne w wielu obszarach działalności człowieka.

Ostatnie 2–3 lata to czas zogniskowania naszej uwagi z jednej strony na zagadnienia związane z ochroną zdrowia, w tym szczególnie wykrywaniem wirusa SARS-CoV-2 (lub szeroko rozumianych zagrożeń biologicznych) oraz z drugiej strony – okres komercyjnego podboju kosmosu i wielu spektakularnych misji kosmicznych zrealizowanych i planowanych w najbliższych latach. W obydwu tych obszarach zminiaturyzowane i zintegrowane systemy obrazowania pełnią istotną funkcję.

Współczesna diagnostyka medyczna wykorzystuje tzw. diagnostykę molekularną. W diagnostyce tej bada się kwasy nukleinowe (DNA lub RNA), będące nośnikiem informacji na temat chorób genetycznych, zarówno dziedzicznych, jak i nowotworowych, a także chorób infekcyjnych oraz pasożytniczych. Metoda ta wykorzystuje specyficzną reakcję łańcuchową polimerazy (polymerase chain reaction, PCR) lub inną technikę namnażania materiału genetycznego do powielenia niewielkich ilości DNA lub RNA (odpowiednik wzmacniacza elektronicznego sygnału). Identyfikacja tego materiału następuje dzięki rejestracji emitowanego przez oddziałujący z DNA barwnik fluorescencyjny światła w trakcie namnażania lub po namnożeniu w procesie elektroforezy żelowej.

Pojawia się zatem konieczność wzbudzenia fluorescencji światłem o odpowiedniej długości i rejestracji fluorescencji z wykluczeniem (filtrowaniem) światła wzbudzającego. Zwykle urządzenia przeznaczone do prowadzenia reakcji PCR z odczytem sygnału świetlnego są duże i drogie. Jednym z najdroższych i najbardziej skomplikowanych elementów reaktora PCR jest właśnie moduł wzbudzania i detekcji fluorescencji. Jednakże w dobie miniaturyzacji, przez odpowiedni dobór elementów optoelektronicznych i inteligentne podejście do zagadnienia, możliwe jest budowanie i stosowanie z powodzeniem małych, kompaktowych reaktorów PCR. Kluczowe jest tutaj oddzielenie bardzo intensywnego światła wzbudzającego fluorescencję od emitowanego światła fluorescencji. Intensywność światła wzbudzającego jest nawet 1000-krotnie wyższa od intensywności fluorescencji, a przesunięcie długości fali między tymi sygnałami to zwykle kilkanaście do kilkudziesięciu nanometrów.

Laboratorium na chipie

Jeden z najmniejszych reaktorów PCR, i pierwszych tak małych w Europie, został opracowany przez naukowców z Politechniki Wrocławskiej (Wydział Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów) w ramach europejskiego projektu OPTOLABCARD. Urządzenie mieszczące się na dłoni zawierało prosty, ale efektywny system wzbudzania i detekcji fluorescencji z miniaturowego zbiornika zawierającego materiał genetyczny bakterii lub wirusów (tzw. laboratorium na chipie). Objętość cieczy w mikrozbiorniku wynosiła zaledwie 10 mikrolitrów czyli 10–6 litra, czyli tyle, ile mała kropla deszczu.

System składał się z miniaturowego czerwonego (λ = 635 nm) półprzewodnikowego lasera, jednego filtra interferencyjnego, który przepuszczał światło o długości fali powyżej 650 nm i miniaturowej, zintegrowanej z obiektywem kamery (CCD lub CMOS). Inteligencja zaproponowanego rozwiązania polega na ułożeniu pod kątem 90° wiązek światła wzbudzającego fluorescencję i emitowanego przez próbkę (ortogonalna separacja geometryczna światła), zastopowaniu jednego filtra górnoprzepustowego przepuszczającego tylko światło fluorescencji i blokującego światło wzbudzające (separacja optyczna), doborze optymalnej matrycy obrazowej dostrojonej do rejestrowanego światła oraz wreszcie programowej analizie rejestrowanego obrazu tak, aby automatycznie wyszukać sygnał fluorescencji w obrazie mikrozbiorniczka i skupić uwagę programu analizującego na tym obszarze [1].

Takie podejście do budowy zintegrowanych systemów optoelektroniki obrazowej zostało z powodzeniem zastosowane w przenośnych urządzeniach wykorzystujących reakcję PCR do wykrywania patogenów żywności (projekt europejski OPTOLABCARD), raka jelita grubego lub złotych alg u wybrzeży Wielkiej Brytanii (projekt europejski LABONFOIL) czy broni biologicznej (projekt SFORA na rzecz obronności państwa [2]) (rysunek 1).

Rysunek 1. Miniaturowy system wzbudzania i detekcji fluorescencji: a) wygląd kluczowych komponentów inteligentnego rozwiązania, b) przykłady miniaturowych instrumentów analitycznych do wykrywania materiału genetycznego patogenów – minireaktor PCR z odczytem optycznym do wykrywania patogenów żywności, c) instrument diagnostyczny do wykrywania zakażeń wirusowych, nowotworu raka jelita oraz złotych alg, d) przenośny (walizkowy) minireaktor PCR do wykrawania broni biologicznej w warunkach polowych

Dokładność i skuteczność

Drugą z powszechnie stosowanych technik identyfikacji materiału genetycznego jest kapilarna elektroforeza żelowa (capillary gel electrophoresis, CGE) [2]. Podstawą tej metody jest rozdzielenie mieszaniny fragmentów DNA w polu elektrycznym w rurce o średnicy porównywalnej do średnicy ludzkiego włosa (około 100 mikrometrów) ze względu na ich masę cząsteczkową (długość), sekwencję nukleotydów lub określoną strukturę przestrzenną (konformację). Adaptowany na potrzeby CGE system detekcji optycznej musi zapewniać detekcję sygnałów z bardzo małej objętości (nawet poniżej 10–9 litra) i zmienność w czasie sygnału, który generowany jest w trakcie migrujących przez obszar detekcji fragmentów DNA z przyłączonym barwnikiem fluorescencyjnym. Analiza obrazu przeprowadzana jest podobnie jak dla urządzenia PCR, przy czym algorytm jest nastawiony na wykrywanie dynamicznych zmian sygnału fluorescencji fragmentów DNA. Instrument walizkowy do CGE umożliwił wykrycie m.in. markerów wysokopatogennego szczepu wirusa ptasiej grypy A(H7N7) na tle szczepu niskopatogennego w zaledwie 5 minut. W innych testach szklanego lab-chipa potwierdzono separację fragmentów jednoniciowego DNA ze sprawnością przekraczającą 7 milionów półek teoretycznych na metr, co jest jednym z najlepszych wyników na świecie [3, 4].

Miniaturowy satelita

Postępująca miniaturyzacja dotyczy nie tylko obiektów znajdujących się na Ziemi. Nie inaczej dzieje się w domenie kosmicznej, gdzie wciąż rosnące znaczenie zyskują mikro- lub nanosatelity (QubeSats). Taki miniaturowy satelita, o wymiarach będących wielokrotnością 1 U (10×10×10 cm³) to umieszczony w przestrzeni kosmicznej pełnoprawny obiekt kosmiczny. Zawiera on wszystkie komponenty związane z zasilaniem, komunikacją, utrzymaniem orientacji w przestrzeni oraz ładunek, tak zwany payload.

Autorzy tego artykułu uczestniczą w realizacji projektu pt. „Opracowanie rewolucyjnej usługi obrazowania Ziemi przy użyciu satelitarnej konstelacji REC”, którego zadaniem jest opracowanie innowacyjnej technologii obrazowania Ziemi przy użyciu konstelacji REC, składającej się z wysokorozdzielczych nanosatelitów optoelektronicznych ScopeSat. Szczególnie istotnymi i nowatorskimi rozwiązaniami dla tego satelity obserwacyjnego jest instrument optyczny z segmentowaną aperturą zwierciadeł pierwotnego i wtórnego. Jak dotąd możliwość zastosowania segmentowanej apertury udowodniono tylko teoretycznie. W Katedrze Mikrosystemów Politechniki Wrocławskiej powstał pierwszy na świecie instrument optyczny z segmentowana aperturą oraz mechanizmy umożliwiające ultraprecyzyjną (nanometrową rozdzielczość) korekcję położenia zwierciadeł.

Teleskop składa się z aż siedmiu zwierciadeł, a dwa z nich składają się z trzech segmentów. Układ taki należy traktować jako trzy tory optyczne (teleskopy) w jednej obudowie. Zwierciadła te muszą być precyzyjnie ułożone względem siebie. Jest to ogromne wyzwanie, ponieważ układ optyczny w trakcie wystrzelenia i przygotowania do pracy jest złożony jak origami. Po osiągnięciu docelowej orbity i orientacji układ ten jest rozkładany i poszczególne zwierciadła pozycjonowane są względem siebie. Niezbędna jest tutaj również autokalibracja tych zwierciadeł, tak aby obraz był wyraźny i jasny (rysunek 2). Brak autokalibracji skutkuje rozmyciem obrazu. Precyzyjne mechanizmy korekcji ustawienia segmentów wybranych zwierciadeł wtórnych umożliwiają ich ruch w pięciu stopniach swobody i dopasowanie obrazów, co pozwala otrzymać jeden ostry, jasny obraz. A wszystkie te operacje prowadzane są w przestrzeni kosmicznej w urządzeniu wielkości pudełka po butach.

Rysunek 2. Obrazowanie z zastosowaniem wzoru testowego: a) przed kalibracją segmentów zwierciadła wtórnego widoczne dwa przesunięte obrazy, b) wynik prawidłowo przeprowadzonej kalibracji

Opisane systemy obrazowania powstały w ramach wielu krajowych i europejskich programów badawczych realizowanych w Katedrze Mikrosystemów Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów Politechniki Wrocławskiej. Wyniki tych programów są również prezentowane studentom jako przykłady praktycznego wykorzystania wiedzy z zakresu elektroniki, fotoniki, mechatroniki, inżynierii precyzyjnej i technik informacyjnych. Synergia wielu obszarów nauk inżynieryjno-technicznych w połączeniu z naukami o życiu i podstawowymi to dziś cecha charakterystyczna nowoczesnego nauczania i warunek rozwoju technologicznego.

Odnośniki:

1. R. Walczak, „Laboratoria chipowe z detekcją optyczną: konstrukcja, technologia i przykłady wykorzystania”, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 2014
2. R. Walczak, W. Kubicki, W. Kosek, P. Śniadek, P. Knapkiewicz, A. Górecka-Drzazga, J. Dziuban, „Mobilne laboratorium do poboru próbek środowiskowych i identyfikacji zagrożeń biologicznych” – Systemy mikrofluidyczne do analizy materiału genetycznego (rozdział), pod red. J. Kocika, J. Dziubana, A. Góreckiej-Drzazgi, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Kraków, 2014, 45–72
3. R. Walczak, W. Kubicki, J. Dziuban, „Low cost fluorescence detection using a CCD array and image processing for on-chip gel electrophoresis”, Sensors and Actuators B, 240, 2017, 46–54
4. W. Kubicki, B. Pająk, K. Kucharczyk, R. Walczak, J. Dziuban, „Rapid detection of highly pathogenic A(H7N7) avian influenza virus genetic markers in heterogenic samples utilizing on-chip SSCP-CE method”, Sensors and Actuators B, 236, 2016, 926–936

Prof dr hab. inż. Rafał Walczak pełni funkcje Dziekana Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów Politechniki Wrocławskiej i jest pracownikiem katedry Mikrosystemów tego Wydziału. Jego zainteresowania naukowe związane są z badaniami nad nowymi metodami wspomaganego mikrofalami trawienia monokrystalicznego krzemu na potrzeby mikroinżynierii, badaniami nad konstrukcją i technologią laboratoriów chipowych oraz miniaturowych instrumentów analitycznych wykorzystujących optyczne metody detekcji bazujące na najnowszych osiągnięciach techniczno-informatycznych oraz detekcji obrazowej, spektrofotometrycznej i fluorymetrycznej oraz w ostatnim czasie badaniami nad technologią laboratoriów na chipie i mikrosystemów wykonanych techniką druku 3D. Badania te prowadził zarówno w domenie inżynieryjno-technicznej jak również na pograniczu wielu pozatechnicznych dziedzin nauki – medycyny, weterynarii, biologii i chemii. Miały one tak charakter badań podstawowych jak i interdyscyplinarnych ukierunkowanych w stronę sprecyzowanych zagadnień aplikacyjnych.

Dr hab. inż Paweł Knapkiewicz jest pracownikiem w Katedrze Mikrosystemów, Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów Politechniki Wrocławskiej. Jego zainteresowania naukowe dotyczą technologii MEMS, to jest krzemowych i krzemowo szklanych miniaturowych czujników, układów mikroprzepływowych, aktuatorów MEMS; technologii optycznych, cezowych/rubidowych komórek MEMS dla zegarów atomowych w tym komórek wysokopróżniowych dla zegarów atomowych na tak zwanych zimnych atomach; budowy rozproszonych systemów pomiarowych wykorzystujących czujniki MEMS. Aktualnie prowadzi prace dotyczące precyzyjnych miniaturowych mechanizmów do pozycjonowania zwierciadeł w teleskopie optycznym przeznaczonym do obserwacji Ziemi z kosmosu. Rozwinął kompetencje, w tym bazę laboratoryjną, w zakresie projektowania i testowania instrumentów optycznych o aperturze do 200 mm.

Dr inż. Wojciech Kubicki jest zatrudniony w Wydziale Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów Politechniki Wrocławskiej. Jego zainteresowania naukowe dotyczą technik mikroinżynierii, w szczególności technologii szklanych, polimerowych i hybrydowych mikrosystemów analitycznych, a także budowy instrumentów lab-on-a-chip (LOC) do badań i diagnostyki Point-of-Care. Jest autorem pierwszych w Polsce przenośnych urządzeń LOC do szybkiej i wysokosprawnej analizy DNA technikami elektroforezy.