Ανοιχτού κώδικα «μακροσκόπιο» προσφέρει δυναμική απεικόνιση φωταύγειας

Μια ομάδα Ευρωπαίων ερευνητών ανέπτυξε ένα ευέλικτο, ανοιχτού κώδικα όργανο απεικόνισης φωταύγειας, σχεδιασμένο να δημοκρατικοποιήσει την πρόσβαση σε προηγμένες τεχνικές φθορισμού και ηλεκτροφωταύγειας σε τομείς που εκτείνονται από τη βιολογία φυτών έως την έρευνα υλικών.

Το νέο σύστημα, που παρουσιάζεται στο περιοδικό Optics Express, προσφέρει μια προσιτή και προσαρμόσιμη εναλλακτική λύση έναντι των εξειδικευμένων εργαστηριακών διατάξεων και αναπτύχθηκε με την υποστήριξη του προγράμματος DREAM.

Ένα μακροσκόπιο με δυναμικό φωτισμό και ανοιχτή σχεδίαση

Η συσκευή – που περιγράφεται ως μακροσκόπιο φωταύγειας με δυναμικό φωτισμό – συνδυάζει ευελιξία, ακρίβεια και χαμηλό κόστος σε μια ενιαία πλατφόρμα. Σε αντίθεση με τα συμβατικά συστήματα απεικόνισης που περιορίζονται από σταθερές οπτικές διατάξεις, το νέο μακροσκόπιο υποστηρίζει πολύπλοκα, χρονικά εξαρτώμενα πρωτόκολλα φωτισμού και ανίχνευσης.

Οι ερευνητές μπορούν να προγραμματίζουν αυθαίρετες ακολουθίες φωτισμού, να συγχρονίζουν πολλαπλά μήκη κύματος και να καταγράφουν γρήγορες αποκρίσεις, διατηρώντας παράλληλα τη συμβατότητα με ποικίλα δείγματα – από γλαστρικά φυτά έως φωτοβολταϊκές διατάξεις.

Γεφυρώνοντας την καινοτομία με την προσβασιμότητα

Η απεικόνιση φωταύγειας αποτελεί πλέον θεμέλιο της σύγχρονης επιστήμης, αποκαλύπτοντας μοριακές και φυσιολογικές διεργασίες αόρατες στο γυμνό μάτι. Ωστόσο, η υλοποίηση προηγμένων πρωτοκόλλων φωτισμού απαιτεί συνήθως ειδικές γνώσεις οπτικής, ηλεκτρονικής και προγραμματισμού.

«Ο στόχος μας ήταν να άρουμε αυτό το εμπόδιο», εξηγεί ο Δρ. Ian Coghill από την École Normale Supérieure στο Παρίσι. «Δημιουργήσαμε ένα σύστημα που άλλοι μπορούν εύκολα να αναπαράγουν, χωρίς εξειδικευμένη εκπαίδευση».

Η ομάδα προσφέρει ανοιχτή πρόσβαση σε ολόκληρη τη σουίτα πόρων: αρχεία CAD, αναλυτικές οδηγίες κατασκευής, πρωτόκολλα βαθμονόμησης και λογισμικό ελέγχου σε Python. Ολόκληρο το σύστημα μπορεί να συναρμολογηθεί με λιγότερα από 25.000 ευρώ, χρησιμοποιώντας κυρίως εξαρτήματα του εμπορίου και κομμάτια εκτυπωμένα σε 3D. Έτσι, δίνεται η δυνατότητα ακόμη και σε μικρά εργαστήρια να διεξάγουν πειράματα που μέχρι πρότινος απαιτούσαν πανάκριβα, εξειδικευμένα συστήματα.

Μία πλατφόρμα, πολλοί τομείς

Ο σχεδιασμός του μακροσκοπίου υποστηρίζει πολλαπλές πηγές φωτισμού, από την υπεριώδη έως την εγγύς υπέρυθρη περιοχή (405–740 nm) και παρέχει συγχρονισμένη απεικόνιση έως 100 καρέ ανά δευτερόλεπτο. Μπορεί επίσης να εφαρμόζει προσαρμοσμένες ακολουθίες φωτισμού –  ημιτονοειδείς, παλμικές ή ορισμένες από τον χρήστη – για τη διερεύνηση της κινητικής των φωτοενεργών συστημάτων.

Η ερευνητική ομάδα απέδειξε τις δυνατότητές του σε πολλαπλές εφαρμογές:

• Φυσιολογία φυτών: Μέτρηση παραμέτρων φωτοσύνθεσης και παρακολούθηση της πρόσληψης ζιζανιοκτόνων στο Arabidopsis thaliana μέσω δυναμικών πρωτοκόλλων φθορισμού.
• Φωτοφυσική πρωτεϊνών: Διάκριση αναστρέψιμων φωτοδιακόπτων φθοριζουσών πρωτεϊνών μέσω των «κινητικών αποτυπωμάτων» τους, με μεθόδους όπως το RIOM (Rectified Imaging under Optical Modulation).
• Οπτοηλεκτρονικές διατάξεις: Χαρτογράφηση της συχνότητας της ηλεκτροφωταύγειας σε ηλιακές κυψέλες και LED, αποκαλύπτοντας τη δυναμική μεταφοράς και επανασύνδεσης φορτίου.

«Αυτά τα παραδείγματα είναι μόνο μια γεύση του τι μπορεί να επιτευχθεί», σημειώνει ο Δρ. Ludovic Jullien, συντονιστής του προγράμματος DREAM.

Ανοιχτή επιστήμη και συνεργασία

Σε πλήρη εναρμόνιση με τη φιλοσοφία της ανοιχτής επιστήμης, όλα τα αρχεία σχεδίασης, τα δεδομένα πειραμάτων και τα σκριπτ ανάλυσης είναι ελεύθερα προσβάσιμα στο Zenodo, καλώντας την επιστημονική κοινότητα να προσαρμόσει το σχέδιο, να το επεκτείνει σε νέες οπτικές εφαρμογές ή να το ενσωματώσει σε αυτοματοποιημένες ροές απεικόνισης.

«Δεν πρόκειται για ένα απλό πρωτότυπο», καταλήγει ο Coghill. «Είναι μια πλατφόρμα ανοιχτού κώδικα πάνω στην οποία μπορούν να χτιστούν νέες ιδέες – ένα προσιτό εργαλείο για την εξερεύνηση της δυναμικής φωτοφυσικής».