Biofotonik:In situ udskrivning af flydende superlinser til billede af sommerfuglevinger og nanobiostrukturer

Nanostrukturer og naturlige mønstre har længe fascineret forskere inden for bioinspireret materialeteknik. Biologiske prøver kan afbildes og observeres på nanoskala ved hjælp af sofistikerede analytiske værktøjer inden for materialevidenskab, herunder scanningselektronmikroskopi (SEM) og transmissionselektronmikroskopi (TEM). Mens billeddannelsesmetoder bidrager til forståelsen af ​​strukturer ved at afsløre materialeegenskaber til syntese af biomimetiske materialer, de har ofte gjort det med tab af fotoniske egenskaber, der er forbundet med materialerne.

I en ny metode, materialeforskere Boliang Jia og kolleger ved afdelingerne for maskinteknik og robotteknologi præsenterede en printbar biokompatibel superlinse placeret direkte på objekter af interesse for at observere subdiffraktionsbegrænsede funktioner (opløsning ud over diffraktionsgrænsen). De så de naturlige træk ved hjælp af et optisk mikroskop til at demonstrere nanoskala billeddannelse af sommerfuglevinger i farver. Undersøgelsen tillod superopløsningsbilleddannelse og et større synsfelt (FOV) sammenlignet med de tidligere dielektriske mikrosfære-baserede optiske systemer med superopløsningsmikroskopi.

Den nye tilgang skabte en hurtig og fleksibel vej til at observere de direkte farver af biologiske træk på nanoskala i det synlige område. Resultaterne er nu offentliggjort i Mikrosystemer og nanoteknik , hvor arbejdet tillod optiske målinger på subdiffraktionsbegrænset skala. En superlinse er baseret på et optisk materiale med et negativt brydningsindeks (optiske metamaterialer), som eksperimentelt kunne vende næsten alle kendte optiske fænomener. Teknisk set, en tynd film med negativt indeks kan fungere som en 'superlinse' for at give billeddetaljer med en opløsning ud over den diffraktionsgrænse, som alle objektiver med positivt indeks er udsat for.

I undersøgelsen, Jia et al. udtænkt en metode til at printe glycerol (gennemsigtig væske) på sommerfuglevinger og observere vingestrukturer i nanoskala, som hidtil ikke er blevet observeret via konventionelle optiske mikroskoper. Værket vil bane vejen for avancerede flydende superlinser kombineret med hurtige og fleksible metoder inden for optik. Resultaterne vil assistere nanostrukturel inspektion via biofotonik i biologiske og ikke-biologiske prøver.

Morpho cypris' sommerfuglevinger blev først observeret via SEM i høj opløsning i 1942, hvilket førte til opdagelsen af ​​detaljerede strukturer under diffraktionsgrænsen ved hjælp af sofistikerede værktøjer. Siden da, Morpho sommerfugle har været genstand for interesse i bioinspireret materialeforskning på grund af deres iriserende farve og distinkte fotoniske egenskaber. I årtier, egenskaberne ved lysinterferens som følge af deres strålende nanostrukturer har tiltrukket sig stor interesse for forskning i nanofotonik og biomimetiske materialer. Imidlertid, direkte optiske observationer af den subdiffraktionsbegrænsede struktur af vingerne på nanoskala er endnu ikke rapporteret.

Mikrosfærer med højt brydningsindeks i vandige medier har tiltrukket sig stor interesse i de senere år for at observere væskenedsænkede biologiske prøver såsom biologiske celler in vivo. Endnu, metoden er ikke gunstig for prøver med højt brydningsindeks under tørre forhold. I nærværende arbejde, Jia et al. præsenteret en in situ trykt biokompatibel glycerol superlinse (SL) med højere opløsning og større FOV end bariumtitanatglas (BTG) mikrokugler under tørre forhold. Forskerne valgte glycerol, da det er en gennemsigtig væske med et relativt højt brydningsindeks, der er i stand til at udskrive dråber i et bredt størrelsesområde.

Som en vigtig egenskab, glycerol indeholder stærke intermolekylære interaktioner og er derfor meget modstandsdygtig over for fordampning. Selvom mikrodråber af vand typisk fordamper næsten øjeblikkeligt, til sammenligning, glycerol trykt som dråber med et volumen på 50 procent kunne eksistere i mindst en dag på underlag uden væsentlige størrelsesændringer. Jia et al. derfor direkte printede glycerol-superlinser på en Morpho sommerfuglevinge ved hjælp af en inkjet-printer. Derefter, de karakteriserede glycerolbillederne ved hjælp af en central processing unit (CPU)-integreret kredsløb (IC). Forskerne observerede nanobiostrukturer fra 50 nm til 200 nm i skala. I arbejdet, forskerne justerede viskositeten af ​​glycerolopløsningen via fortyndingstest med MiliQ-vand for at vælge en optimal koncentration på 50 volumenprocent (50 vol%) til udskrivning.

I optik, solid immersion linser (SIL'er) kan forbedre den optiske opløsning ved at øge den effektive numeriske blænde (NA) af billedmediet. Dråbelinsen betragtes som en flydende version af SIL'er med en fejlfri overflade. Forskerne karakteriserede først de trykte glycerol-superlinser i undersøgelsen ved hjælp af et andet antal dråber pr. linse på en ren siliciumwafer før administration på sommerfuglevinger. De valgte det ideelle antal dråber pr. linse efter et par forsøg; de resulterende diametre af glycerollinserne var sammenlignelige med BTG-mikrosfærer. Derefter, de sammenlignede konfigurationer af forsøgsopstillingen for BTG-mikrosfærerne og glycerol-superlinsen. Arbejdet viste, at store BTG-mikrosfærer gav en stor FOV, mens en højere opløsning blev opnået med mindre BTG mikrosfærer.

Da forskerne sammenlignede billederne opnået med glycerol-superlinser og dem, der blev opnået med BTG, resultaterne væsentligt forbedret i ensartethed for billeder opnået med glycerol superlinser, sammen med skarpere nanoskalafunktioner. Dette indebar, at trykte glycerol-superlinser tilbød overlegen opløsningskapacitet sammenlignet med BTG-mikrosfærer af lige store og mindre størrelser i luft.

I deres arbejde, Jia et al. observeret to typer sommerfugle:Morpho Menelaus og Agrias beatifica beata. Forskerne printede 60 glyceroldråber (eller linser) på sommerfugleprøverne for at opnå sfæriske linser med en diameter på ca. 95 µm. De observerede træk i vingeskalaen via et opretstående mikroskopsystem. Forskerne var i stand til at fange sommerfuglenes ventrale vingeskæl, hvor Morpho-arten viste to typer vingeskæl; jord- og dækskæl.

Sammenlignet med SEM, glycerol superlinser var ude af stand til at løse fuldstændige strukturer helt, men de viste eksistensen af ​​understrukturer mellem kammene af sommerfuglevinger. For eksempel, Jia et al. viste, at in situ glycerol-superlinser kunne udvide grænsen for strukturer i nanoskala i biologiske prøver til omtrent 200 nm i bredden. Yderligere eksperimenter viste evnen til at farvebillede subdiffraktionsbegrænsede nanobiostrukturer ved hjælp af superlinserne.

Den nye metode giver en omkostningseffektiv, hurtig og høj opløsning billeddannelsesteknik til at visualisere subdiffraktionsbegrænsede nanobiostrukturer in situ. Værket baner vejen for vand-ublandbare væsker med høje brydningsindeks til at printe flydende superlinser til vand-immersion-baserede billedbehandlingsapplikationer. Biokompatible væsker såsom silikoneolie kan udforskes som superlinser under vandet via lavpris inkjet-udskrivning. Materialeforskere fortsætter med at arbejde hen imod at udvikle avancerede flydende superlinser inden for nanobiofotonik. Ordningen introduceret af Jia et al. giver en hurtig og nem at implementere strategi til at observere nanobiostrukturer i biologiske og ikke-biologiske prøver.

© 2019 Science X Network