Хроники лаборатории: как мы молотый кофе считали софтом для анализа клеточных структур

Нашими клиентами становится множество людей самых разных профессий. Иногда они похожи, иногда совсем не похожи друг на друга, но нас всех объединяет одна черта — любовь к свежеобжаренному кофе.
Среди покупателей Torrefacto оказался ученый-исследователь Иван, который с радостью поделился с нами результатами своего небольшого исследования, а также абсолютно новым способом приготовления кофе "в колбе".
Передаем слово Ивану.

Меня зовут Иван и я хочу предложить вам весьма нетипичный для этого блога пост. Я специалист в области тканевой инженерии, но иногда публикуюсь на разных IT-ресурсах. Мимо темы кофе я пройти никак не смог, так как в нормальной лаборатории главенствует принцип "Нет кофе - нет работы". Возможно, вам будет интересна одна из прошлых статей: Здравствуйте, я Meklon и я кофеин-зависимый.

Сегодня мы будем творить непотребства с софтом для биоинженерных задач - CellProfiler. Нормальные люди им считают клетки, плазмиды, экспрессию белка и прочие нужные вещи. Мы долбанутые, поэтому будем проводить гранулометрический анализ помола по микрофотографии, бить кофе статическим электричеством и думать, как прицепить к этому безобразию фен. Ну и конечно нам потребуется скотч для получения графена картины распределения частиц. Какие-то моменты я намеренно опущу для упрощения.

Компьютерный анализ изображения - штука гибкая и может применяться в совершенно странных задачах. Заодно проверим, можно ли заменить турку колбой с магнитной мешалкой. В конце концов, кемекс тоже был создан из лабораторного оборудования.

Графен и кофе

Основная задача, которую я хотел решить - объективное сравнение качества помола разных кофемолок. По идее, качественный помол отличается идеальной равномерностью. Значит нам нужно посчитать количество частиц на заданной площади и отсортировать их по размерам. Чем больше будет разброс по диаметру - тем хуже качество. Самый простой пример - роторная кофемолка, которая разбивает зерна быстро вращающимися лезвиями. В ее профиле помола одновременно присутствуют и крупные фракции и мелкая пыль. Хорошего эспрессо из такого кофе уже не получится. Проблема связана с неравномерностью пробивания "водяных каналов", через которые проливается кофейная таблетка. Мелкие частицы будут давать горечь из-за переэкстракции, а крупные создадут "обходные пути", что сделает кофе водянистым. В отличие от роторной, кофемолка жернового типа дает более или менее калиброванный вариант с одинаковыми частицами.

Собственно, теперь задача состоит из двух основных пунктов:

1. Расположить в нормальном распределении частицы на прозрачной подложке, чтобы их можно было сфотографировать микроскопом
2. Посчитать размеры и количество частиц вручную за пару лет автоматизированным комплексом
3. Подвести итоги, сделать чашку хорошего эспрессо и тщательно себя похвалить за сообразительность

Я думал над использованием вибрации, но этот метод имеет важный недостаток - неравномерность воздействия вибрации на частицы разного размера. Нам надо получить слепок реального усредненного состава, а не создать сортировочный лоток золотодобытчика в миниатюре. Одно из неочевидных решений - использовать обычный скотч. Чем именно метод хорош? Дешево, сердито. Просто, на первый взгляд. И самое главное - касаясь скотчем молотого кофе вы получаете полный набор частиц в реалистичном распределении. Естественно, что без граблей, электротравм и злодейского смеха во время эксперимента здесь не обошлось...

Результат чуть поближе

Фен против электрофорной машины

Одна из основных проблем, с которой я столкнулся - склонность мелких кофейных пылинок слипаться, что в итоге приводит к неверному определению границ и размеров объектов. Логика подсказала, что проблема может быть решена электризацией частиц кофе одноименным зарядом. Осталось только понять как это проще сделать. Генератора Ван де Граафа под рукой не было. Решил просто потрясти пакет с молотым кофе. Так как пакет оказался слегка дырявым, пришлось долго подметать и вытирать кофейную пудру по всей лаборатории. Да и электризации особо не получилось.

Альтернативный вариант мне представился на одной из вузовских выставок, куда свозят автобусами несчастных школьников и заставляют вдохновляться экспозициями учебных заведений. Я развлекался с симулятором эндоскопических операций, удаляя на скорость желчный пузырь, но после третьего круга это начинало надоедать. Посидеть спокойно в интернете мне не дали. Каждые 15-20 минут вся беспроводная связь наглухо падала. Когда я решил пройтись по соседним стендам - я увидел тех странных людей, которые из кучи рассыпухи, километров медной проволоки и чьей-то матери собрали катушку Тесла и пару сопутствующих приборов. Именно эта «вундервафля» гадила во всех частотах при включении и роняла всю связь.

Я пытался снять этого уставшего человека, который в очередной раз показывал детям светящиеся газораздрядные трубки, но телефон начинал дико сходить с ума рядом с установкой, выбрасывая аппаратную ошибку камеры, а потом наглухо зависая. Планшет вроде выдержал, но файл слегка побило. Tesla Coil, штука конечно крутая, но проблему мою не решает. Зато на том же столе у них обнаружилась электрофорная машина с лейденскими банками. Именно такой машиной я пользовался еще в школе, чтобы зарядившись как следует бить током одноклассников в коридоре. Учительница физики страшно ругалась и кричала, чтобы я немедленно заземлялся на батарею. В общем, погрузил я один из электродов в кофе и начал вращать рукоятку. Судя по тому, что волосы начали тихо потрескивать - потенциал был набран ощутимый. Но сволочной порошок упорно не желал распушаться. Тут я сделал большую ошибку, решив добавить еще статики. Лейденские банки, которые они использовали были какими-то особо злыми. И очень-очень емкими. Красивая вспышка между моими руками оказалась крайне болезненной. Видимо, народ тщательно доработал конструкцию.

В итоге, от электрофорной машины я тоже отказался и решил сделать снимки как есть. Уже после того, как я отфотграфировал образцы, мне пришла в голову альтернативная идея, но времени на ее реализацию уже не было. Будет настроение - попробуйте. Смысл в том, чтобы одновременно использовать очень горячий воздух, трение и конвекцию. То есть тупо фен и трубу. Насыпаем чайную ложку кофе в трубу, влючаем фен, дожидаемся электризации и опускаем скотч на жестком каркасе внутрь, чтобы он насобирал частичек. Схема ниже:

Микроскоп и CellProfiler

Получив свою порцию задумчивых взглядов со стороны коллег, торжественно идем к микроскопу, размахивая кусками скотча. Как оказалось, частицы кофе имеют интересную полупрозрачную структуру на большом увеличении:

Еще фотография

В принципе, для наших целей нам нет необходимости в получении снимков идеальной четкости. Поэтому берем объектив 4х и фотографируем наш будущий эспрессо:

Образец от Torrefacto, смолотый Mahlkoenig EKK43

Образец из моей домашней кофемолки, смолотый DeLonghi KG89

К сожалению, у нас что-то отвалилось во встроенной в микроскоп фотокамере и она начала дико шуметь. Я предположил, что сдох элемент Пелетье на матрице, но нормально остудить ее хладагентом не получилось. Поэтому второй кадр выглядит весьма побито из-за дполнительной обработки.

Теперь отдаем изображения на вход специализированого свободного ПО CellProfiler. Он позволяет автоматизировать процесс обработки изображений, подсчета объектов и многое другое. В результате, тратится определенное время на написание задачи, но зато потом можно скармливать хоть 100 000 изображений и идти пить чай.

Вот как выглядит идентификация объектов. Распознавание в нашем варианте далеко от идеала, так как не получилось разделить слипшиеся частицы. Согласно настройкам, алгоритм после отделения фона пытается найти объекты округлой формы.

После сортировки на мелкие, средние и крупные частицы мы получили следующее распределение для профессиональной и домашней кофемолки, соответственно:

Визуально, помол на профессиональной машине более равномерный, но точные цифры получить сложно из-за несовершенства метода. Мелкая пыль все равно слипалась в более крупные объекты. В конце концов, все это создавалось из желудей и спичек "just for fun".

Как сварить кофе в лаборатории

Хорошо подумав, мы решили, что пропадать нашему любимому сорту Гватемала Платанийо Ежипто просто так не стоит. Я его дико люблю за насыщенность и полноту в эспрессо, с дразнящими нотами зрелого какао и легкой кислинкой. Один из самых ярких сортов средней степени обжарки, на мой взгляд. Тем более, когда он обжарен несколько дней назад. Но раз уж мы начали тестирование образцов, то решили попробовать альтернативный подход к приготовлению кофе. Будем варить его на прецизионном лабораторном нагревателе с магнитной мешалкой. Главное не получить потом по голове от руководителя лаборатории.

В этом мне поможет Диана. Она вообще-то лингвист-переводчик, но иногда, когда ее никто не видит, она надевает халат и делает умный вид, играя в ученого.

Вначале набираем деионизированной воды из Milli-Q. По сопротивлению - глухой изолятор с сопротивлением 18.2 MΩ·cm. Вода такой чистоты используется для аналитической химии, молекулярной биологии и теперь для варки кофе.

Диана с умным видом разглядывает колбу с водой

Теперь надо внимательно осмотреть образец. И подружиться с ним. Ведь это друг-кофейный порошок. Этот сорт ее особенно радует, да.

Точно взвешиваем нужное количество кофе. Точно взвешиваем. Четыре знака после запятой будет достаточно, я думаю. Мы же в лаборатории все-таки.

Высыпаем кофе в колбу и бросаем туда неодимовый магнит в керамической оболочке. В процессе варки он будет вращаться со скоростью около 1000 оборотов в минуту, обеспечивая максимальную экстракцию.

А вот и сам нагреватель. По идее, надо еще и датчик обратной связи в кофе окунуть, но его до этого использовали с чем-то токсичным, а терпеливо ожидать, не отвалится ли чего не хочется. Поэтому решили обойтись вариантом попроще. Просто выставляем 320 градусов для первичного нагрева и снижаем температуру до 97 перед самым закипанием. Магнитная мешалка вращается как ненормальная, обеспечивая непрерывное перемешивание.

Поднятие пены ловим точно так же, как и с классической туркой:

В итоге получаем ожоги из-за того, что забыли о нагревании горла колбы от горячего пара. При следующей попытке используем толстые перчатки и аккуратно разливаем результат по чашкам. Кофе получился ароматным, но очень уж высокоэкстрагированным. Глаза резко открываются и начинаешь бегать как кофеиновая белка. Метод на самом деле из разряда just for fun, но почему бы и не попробовать? Ну и в качестве бонуса я добавлю еще фотографий из этого фотосета).

Мне кажется, кофе на нее как-то странно влияет