如何构建荧光数字显微镜

我想创造一些让我感到兴奋的东西，通过这种方式与人们分享知识。因此，我开发了这个项目，让任何想了解如何利用自己的资源制作荧光数字显微镜的人都能参与其中。

开始吧

要轻松理解这个项目，我们需要将其分为四个类别：运动控制、照明、机械设计和图像采集。

运动控制

对于运动控制，我希望它既可靠又易于操作。因此，我决定基于Arduino Uno开发板来实现运动控制。我在Arduino上加装了CNC屏蔽板，并为三个轴(X、Y和Z)添加了3个TMC2209驱动器。

对于电机，我选用了两个NEMA 11 TR6-12 50毫米的电机用于X轴和Y轴，以及一个NEMA 11 TR6-4 50毫米的电机用于Z轴。由于需要更高的移动灵活性，我在X轴和Y轴上选择了更大的行程(12毫米)。而Z轴需要更高的灵敏度，因此我保留了4毫米的行程。

为了控制电机，我使用了两个操纵杆，一个用于X轴和Y轴，另一个仅用于Z轴。

现在我只需要电源。我决定使用4节18650电池来为电机供电。连接好所有设备并编程Arduino后，运动系统就准备就绪了。

最后一点：如果你不想每10分钟就因电量耗尽而烦恼，就需要安装一个电池均衡器。它能平衡四个电池之间的负载。如果不安装这个设备，其中一个电池会完全耗尽，其余的则几乎处于满电状态。

照明

显微镜的一个关键方面是照明。你可以让一切都完美，但如果照明不好，屏幕上就什么都看不到。

我使用了三种主要光源，采用两种照明方式：正射式和斜射式。

对于主教光，我使用了两个白色LED和一个紫外LED。两个白色LED的安装位置很简单，如下图所示(或在仓库中的3D文件中可见)，但要让紫外LED正确照亮样品，其位置却另有讲究。

挑战是用紫外线照射样品。问题在于焦距约为1.6毫米，因此我几乎没有空间来照射样品。我的想法是将光纤改装用于引导LED发出的紫外线到达样品。由于光纤直径为2毫米，我尝试了多种光纤支架的设计，需要以特定角度引入光纤，才能在正确的焦距下照射样品。最终，我对结果感到满意。

我还需要修复UV LED，以便将光纤连接到LED上，因此我设计了一个解决方案(我对这个设计非常自豪)。此外，我还对光纤外壳进行了覆盖。

我还添加了一种背光照明方法。在样品架底部放置了一个白色LED灯，其透镜与顶部的有所不同。这种特殊设计使其能够照亮更广的区域。

为了控制光照强度，我必须设计一个包含三个PWM的PCB，每个闪电系统对应一个PWM。

设计好PCB后，我将原理图发送给PCB制造商，收到后便进行了元件焊接。你可以在原理图文件中查看我所使用的具体元件明细。

机械设计

机械设计可能是这个项目中最耗时的部分。我设计了单个夹具的不同版本，并在过程中不断进行修改，但最终我认为效果非常出色。为了设计所有部件，我使用了西门子的NX软件。

我也用自己拥有的3D打印机打印了零件，所有使用的材料均为PLA。

在机械设计方面，没什么特别要说的。我只是花了数小时进行零件测量、设计和打印。当然，你可以在仓库中获取所有设计图纸。

图像采集

为了获取图像，我使用了一台带摄像头模块1的树莓派3B+。由于需要放大图像，我加装了一个镜头，这个镜头取自一台旧的DVD播放器(DVD播放器配有高质量的镜头)。

取出DVD镜头后，我用胶带将其固定在相机模块上(真希望有更好的方法来固定镜头，但胶带其实效果很好)。

之后，我使用 Python 在 Raspberry OS 上开发了一个应用程序，能够实时查看摄像头画面并保存样本照片。由于我的编程能力有限，AI 的帮助非常有用。

最终结果

根据我的数据，总放大倍数约为42倍——对于自制显微镜来说，表现相当不错。我用了一具已死亡的蝎子尸体作为样本，因为我知道它们具有生物荧光特性。当我看到结果时，感到非常惊讶。

使用主教白光LED灯，我注意到蝎子身体上有一些透明的突起。

当我打开紫外线灯时，我感到非常惊讶。

如图所示，白色的突起消失了!我一直在想为什么会这样，原来这些突起是蝎子用来硬化其外骨骼的矿物质。这些矿物质对紫外线透明，因此当你照射到蝎子的身体时，看不到矿物质本身，只能看到矿物质在外骨骼上留下的凹陷痕迹。真奇妙啊——我之前都不知道这一点。

将这些方面整合成一个项目对我来说是个不错的挑战。我非常享受这个过程，因为它难度适中，又不显得过于复杂。我对自己的所有工作感到自豪，也期待向他人展示我的成果。

本文编译自hackster.io