(07.02.2023) Mit ein paar 3D-gedruckten Teilen, einem Mini-Computer und etwas Geschick lässt sich eine Imaging-Box für Zeitraffer-Aufnahmen konstruieren.
Forschen heißt beobachten. Entsprechend groß ist in biowissenschaftlichen Laboren die Vielfalt an Monitoring-Geräten. Die Palette reicht von Kameras, Gel-Dokumentations-Systemen und Plattenlesegeräten bis zu Spektrometern. Für jeden Test oder Assay von einem Gerät zum anderen wechseln zu müssen, nervt aber nicht nur, sondern erhöht auch den Wartungsaufwand und kostet wertvollen Platz auf dem Labortisch.
Mithilfe sogenannter Digital-Imaging-Correlation (DIC)-Techniken und ein bisschen Automatisierung kommt man aber schon mit relativ wenig Aufwand an auswertbare Originaldaten heran. Aus einem Foto lässt sich schon allerhand herauslesen – eine automatisch aufgenommene Fotoserie liefert aber meist noch mehr Informationen.
Mit diesen Überlegungen ging Alexander D. Edwards' Team an der University of Reading, UK, ans Werk und konstruierte ein automatisiertes Bildaufnahmegerät (HardwareX 12: e00377, Link). Das Imaging-System hat die Form eines Pyramidenstumpfs mit einer rechteckigen Grundfläche von 19 x 14 Zentimetern und einer Höhe von 14 Zentimetern. Die Gruppe nennt es daher Pyramid Imaging Rig oder kurz PiRamid. Es besteht aus drei ineinander verschachtelten Gehäuseteilen, die mit dem 3D-Drucker gefertigt werden. Die aus schwarzer Polymilchsäure (PLA) gedruckten Komponenten werden überlappend zusammengesteckt.
Aufbau und Funktionsweise des englischen Imagers erinnern an ein minimalisiertes Gel-Doksystem in das Soft- und Hardware gleich mit integriert sind. Das Herzstück bildet ein Raspberry-Pi-Minicomputer, der an einer der Seitenflächen des Pyramiden-Mittelteils angedockt ist. Die auf den Boden der Pyramide gerichtete Kamera ist im Deckel des Pyramidenstumpfs untergebracht. Der 116 Millimeter lange und 86 Millimeter breite Probentisch ist 95 Millimeter von der Kamera entfernt.
Unterhalb eines rechteckigen Ausschnitts des Tischs sind zwei an den Raspberry Pi angeschlossene LED-Streifen angeordnet, die eine, weiße, drei Millimeter dicke Plexiglasplatte, die in den Ausschnitt integriert ist, von unten beleuchten. Die Platte verteilt das Licht der LEDs gleichmäßig auf dem Probentisch.
Dass die Kamera im Deckel des Pyramidenstumpfs keine automatische Fokussierung hat, ist kein Beinbruch. Die Schärfe lässt sich mit einer Schraube von Hand einstellen. Die mittleren Probenareale liefern die besten Aufnahmen. Zu den Ecken hin sinkt die Auflösung etwas, sie ist aber dennoch mit durchschnittlich 70 bis 90 Mikrometern pro Pixel hoch genug, um beispielsweise feine Mikrokapillaren in Mikrofluidik-Geräten klar erkennen zu können.
Im derzeitigen Format sind mit dem PiRamid-System Aufnahmen von Proben in verschiedenen gängigen Größen möglich. In Stein gemeißelt sind die 3D-Druckanleitungen der Gruppe aber nicht. Vielmehr lassen sie Spielraum für individuelle Anpassungen, beispielsweise an andere Probenformate. Wer etwa mit der Probenfläche nicht auskommt, muss nur die Distanz zwischen Kamera und Probentisch durch eine etwas höhere und breitere Pyramide verlängern.
Flexibel ist auch das Innenleben des PiRamid-Systems. Sind besonders hoch aufgelöste Aufnahmen gefragt, mit denen die V2-Kamera im Standarddesign überfordert wäre, lässt sich das Raspberry-Pi-Kameramodul gegen eine HQ-Kamera tauschen. Wer LED-Lampen mit definierter Wellenlänge verwendet, kann auch Fluoreszenz-basierte Analysen durchführen.
Die Probe platziert man direkt auf der Plexiglasplatte. Anschließend muss man nur noch die Kamera fokussieren. Prinzipiell sollte der Fokus aufgrund der Gerätemaße ungefähr passen, bei dickeren oder dünneren Proben muss man etwas nachjustieren.
Die Kamera lichtet die Objekte in Sekundenbruchteilen ab oder erstellt Zeitraffer-Aufnahmen. Ist man mit den ersten Aufnahmen zufrieden, kann der PiRamid bis zum nächsten Morgen oder zum Ende der Kaffeepause selbstständig Bilder knipsen. Die Bilddaten legt er auf der SD-Karte des Raspberry-Pi-Computers ab.
Den Einsatzmöglichkeiten des PiRamid sind kaum Grenzen gesetzt – erst recht nicht mit einem Upgrade der Kamera. Aufgrund der handlichen Größe und des Batteriebetriebs macht der Imager bei Feldstudien eine genauso gute Figur wie im Inkubator. Man kann mit ihm zum Beispiel Kristallen beim Wachsen oder Lebensmitteln beim Schimmeln zuschauen. Die Engländer beobachteten mit dem PiRamid unter anderem auch, wie sich E. coli in Mikrofluidik-Apparaturen vermehren, wie Methyl-Anthranilat-Kristalle auf einer Petrischale wachsen und wie Rucola-Blätter schrumpeln und schließlich verwelken.
Was kostet der Spaß? Für das Material muss man 135 Euro einkalkulieren, optional könnte man noch jeweils etwa dreißig Euro in eine USB-Power-Bank sowie in einen Touchscreen investieren. Den Touchscreen bringt man in einer vorgesehenen Vertiefung an einer Seite der mittleren Pyramiden-Etage an, um die Bedienung zu vereinfachen. Auch eine drahtlose Steuerung des PiRamid ist prinzipiell möglich.
Andrea Pitzschke