UvA-spinoff maakt confocale microscopie plug-and-play

Met confocale microscopen kun je driedimensionale beelden maken. De apparaten zijn echter schreeuwend duur. Het Amsterdamse Confocal.nl heeft de techniek gevangen in een box die onderzoekers tussen een normale microscoop en een camera kunnen zetten. Daarmee krijgen ze een confocale microscoop voor een fractie van de prijs. En de UvA-spinoff verhoogt de resolutie ook nog van 250 naar 170 nanometer.

Alexander Pil
7 februari 2018

Een microscoop is een van de belangrijkste tools in de gereedschapskist van veel biowetenschappers. Een probleem is dat de resolutie beperkt is. De apparaten hebben een fysische grens die wordt bepaald door de wet van Abbe: je kunt geen details zien die kleiner zijn dan de helft van de golflengte van het licht. Er bestaan echter verschillende trucs om een klein stapje verder te gaan.

Een van de opties is confocale microscopie. Het idee voor deze superresolutietechniek stamt al uit de jaren zestig. De benodigde lasers en computers waren toen echter nog niet krachtig genoeg, waardoor het pas in de jaren tachtig echt van de grond kwam. Dat gebeurde onder meer op het lab van Fred Brakenhoff aan de Universiteit van Amsterdam.

Confocal.nl richt zich op de grote groep gebruikers van confocale microscopen die alle features van de dure apparaten vrijwel nooit nodig hebben.

Bij confocale microscopie kijk je steeds naar één punt in het sample. De microscoop scant in 2d door het preparaat heen en bouwt punt voor punt een beeld van die laag op. Door de focus te veranderen, kun je naar een volgende laag schakelen en een compleet driedimensionaal beeld construeren.

Een groot voordeel van confocale microscopie is dat de scherpte van het beeld beduidend hoger ligt dan bij conventionele microscopen. Dat lukt alleen als je de zogenaamde pinhole – het hart van de confocale microscoop – heel klein maakt ‘Als je niet oppast, geeft dat heel veel ruis en zeer zwakke signalen’, weet Erik Manders, wetenschappelijk directeur van het Amsterdamse Confocal.nl. ‘Wij hebben de puntdetector vervangen door een camera. Moderne cmos-beeldsensoren halen een kwantumefficiëntie van ruim negentig procent. Een typische puntsensor komt niet verder dan zo’n vijftien procent, dus we maken een mooie slag in de signaal-ruisverhouding.’

 advertorial 
Schneider

Monitor uw industriële applicaties op afstand

Dankzij de XIOT Cloud Connected Sensor hebben industriële applicaties nu toegang tot het Internet of Things. De sensor wordt toegepast om een significante of abnormale statusverandering van een technische installatie of industriële toepassing te detecteren. Denk bijvoorbeeld aan de aan/uit-status van een pompinstallatie of de vulgraad van een perscontainer. Lees meer.

De tweede truc die Confocal.nl heeft toegepast, is een tweede scanner vlak voor de camera. ‘Met die Rescanner schrijven we het licht op de camerachip’, legt Manders uit. ‘Daarmee verhogen we de resolutie van typisch zo’n 250 nanometer naar 170 nanometer.’

Gemiddelde gebruiker

De Rescan-methode is ontwikkeld op de UvA. Manders’ promovenda Giulia De Luca toonde aan dat de technologie werkt en ontving er in 2014 de Amsterdam Science & Innovation Award voor. Manders zag een commerciële kans: een schoenendoos waarmee je conventionele microscopen omtovert tot een confocale variant met een betere resolutie. ‘We hebben geprobeerd om de technologie in een licentiemodel onder te brengen bij een van de grote microscopenbouwers’, vertelt hij. ‘Dat bleek lastig omdat dergelijke bedrijven zo’n product niet makkelijk kunnen opnemen in hun roadmap.’

De RCM-module is een oranje schoenendoos waarmee je conventionele microscopen omtovert tot een confocale variant met een betere resolutie.

Manders – die zichzelf niet kwalificeert als een echte ondernemer – onderzocht de mogelijkheden om een eigen bedrijf te starten. Daarvoor zocht hij de samenwerking met Peter Drent, die zo’n vijfentwintig jaar ervaring heeft aan de commerciële kant van de microscopiewereld. Drent keek verder dan de verhoogde resolutie en de verbeterde signaal-ruisverhouding; daar zijn immers ook andere technieken voor. Het derde verkoopargument moest de prijs zijn.

Manders: ‘De grote spelers – Leica, Nikon, Olympus en Zeiss – brengen regelmatig nieuwe confocale microscopen uit die elke keer meer functionaliteit hebben, maar ook steeds duurder zijn. Dan moet je denken aan vier tot zes ton. Het zijn Ferrari’s waarmee je alles kunt. Interessant voor een handvol superusers, maar de meeste PhD’ers hebben die toeters en bellen helemaal niet nodig; ze willen gewoon een plaatje schieten. Met een Ford of een Toyota kan het gros van de gebruikers prima aan de slag.’

Confocal.nl mikt op die gemiddelde gebruiker. ‘We proberen alles simpel te houden zodat de prijs laag blijft en we ongeveer tachtig procent van de gebruikers kunnen bedienen’, legt Manders de strategie uit. ‘Dat betekent dat we ook uitgebreid naar de bediening hebben gekeken. Die grote confocale microscopen zijn net 747’s, zo veel knopjes zitten erop. Het merendeel daarvan wordt echter zelden tot nooit gebruikt. Dat doen wij heel anders.’

Hittech

Confocal.nl startte begin 2016. Een jaar later was het eerste product klaar, de RCM-Visible. In maart vorig jaar begon het Amsterdamse bedrijf met de wereldwijde verkoop. Die snelle overgang van een prototype in het lab naar maakbaar en marktklaar product komt voor een groot deel op het conto van Hittech Multin.

Met de Rescan-technologie verhoogt de Amsterdamse startup de resolutie naar 170 nanometer.

‘De labopstelling was een wetenschappelijke configuratie met heel veel instelmogelijkheden en totaal niet maakbaar in serie’, vertelt Fred Couweleers, senior optical designer bij Hittech. ‘We hebben daarom eerst een optisch model gemaakt in het Opticstudio-pakket van Zemax. Daarmee kun je doorrekenen hoe de lichtstraal door het optische systeem loopt. Het geeft bovendien inzicht in de toleranties. Hoeveel maakt het uit als je een spiegel een klein beetje draait?’

Door het design in Opticstudio te vangen, kreeg Hittech duidelijkheid over welke instellingen echt noodzakelijk waren en wat het bereik moest zijn van de instelopties die overbleven. Couweleers: ‘We hebben het aantal parameters teruggebracht van ongeveer honderd naar minder dan tien. Voor monteurs ligt er een procedure en is er tooling beschikbaar zodat ze kunnen meten of de instelling optimaal is.’

Op basis van de analyse ontwierp Hittech optische en optomechanische componenten die passen bij de berekende toleranties. ‘Zo hebben we een barrel ontwikkeld waarin twee lenzen passen’, geeft Couweleers een voorbeeld. ‘Oorspronkelijk stonden die los van elkaar op de basisplaat. Het kostte misschien wel anderhalf uur om ze ten opzichte van elkaar goed in de bundel te positioneren. Met ons redesign kost het een minuut of tien om de subassembly voor te bereiden en daarna nog een minuut om hem in de doos te monteren.’ De plaatsnauwkeurigheid is in de orde van een tiende millimeter. ‘Maar dat kan alleen omdat andere instelbare componenten in het systeem voor die toleranties kunnen compenseren’, benadrukt Couweleers. ‘Het systeem is vergevingsgezind.’

Door alle aanpassingen is de module nu met een goede yield in serie te produceren. ‘We hebben het oorspronkelijke ontwerp omgezet in een maakbaar product’, stelt Couweleers. ‘Confocal.nl heeft niet de wens of de mogelijkheid om een eigen productielijn op te zetten en een toeleverketen in te richten. Dat kun je beter overdragen aan een partij die dat allemaal al heeft opgetuigd.’

De roots van Confocal.nl liggen op de Universiteit van Amsterdam.

Voor Confocal.nl was 2017 een overgangsjaar: van startup naar scale-up. 2018 staat volledig in het teken van groei. Het bedrijf praat met verschillende investeerders hoe het zijn ambitieuze sales- en ontwikkelplannen kan waarmaken.