Open-Source Label-Free Microscopy

Abstract

The rapid innovation in modern microscopy has outpaced its commercialization and adoption, leaving many users unable to access these advances. Even within the scientific community, adopting complex peer-reported designs can be challenging. To bridge the gap between microscopy innovation and widespread implementation, efforts are needed to democratize the field, making custom, research-grade instruments easily accessible to all. In this thesis, the development of open-source tools to perform label-free analysis in current science and engineering applications through digital holographic microscopy (DHM) systems, and its related technologies, was sought. To achieve it, simulation platforms, which account for the main parameters in an experimental setup, and numerical reconstruction tools that allow the digital processing of label-free recordings, were initially developed and openly distributed. Supported by these tools, accessible instrumentation of DHM systems was pursued, allowing the design and assembly of systems with increased portability and reduced cost and complexity. The developed devices and systems were validated in real-world applications, gathering valuable feedback that highlighted improvement opportunities. Finally, these opportunities were harnessed in the refinement of the proposed systems, both the software and hardware tools, enhancing their functionality. The results were reported on 13 manuscripts submitted to indexed journals of international circulation and shared in 17 presentations in international conferences. These works, which constitute the core of the present thesis, represent significant progress towards accessible, high-performance DHM and DLHM systems, with broad potential applications in both scientific research and education. (Tomado de la fuente)

La rápida innovación en microscopía moderna ha superado su comercialización y adopción, dejando a muchos usuarios sin acceso a estos avances. Incluso dentro de la comunidad científica, la incorporación de diseños complejos reportados en la literatura es un desafío. Para cerrar la brecha entre la innovación en microscopía y su implementación generalizada, es necesario democratizar esta área de investigación, facilitando el acceso a instrumentos personalizados de nivel investigativo. En esta tesis se desarrollaron herramientas libres para realizar análisis sin marcadores en aplicaciones actuales de ciencia e ingeniería, mediante sistemas de microscopía holográfica digital (DHM) y tecnologías afines. Para ello, se desarrollaron y distribuyeron plataformas de simulación que incorporan los principales parámetros de un entorno experimental, y herramientas de reconstrucción numérica para el procesamiento digital de registros sin marcadores. Estas herramientas apoyaron el desarrollo de instrumentación accesible para sistemas DHM, permitiendo la creación de dispositivos más portátiles, económicos y de menor complejidad. Los sistemas desarrollados fueron validados en aplicaciones reales, recopilando retroalimentaciones y oportunidades de mejora, que luego fueron aprovechadas para optimizar tanto las herramientas de software como los dispositivos de hardware, mejorando su funcionalidad. Los resultados se reportaron en 13 manuscritos sometidos a revistas indexadas de circulación internacional y 17 presentaciones en conferencias internacionales. Estos trabajos, que constituyen el núcleo de esta tesis, representan un avance significativo hacia sistemas DHM y DLHM accesibles y de alto desempeño, con aplicaciones en investigación y docencia.