Spejlvendt chip kan muliggøre håndholdte mørke feltmikroskoper

Søg på Google efter billeder med mørke felter, og du vil opdage en smukt detaljeret verden af ​​mikroskopiske organismer, der står i lys kontrast til deres midnatssorte baggrunde. Mørkfeltmikroskopi kan afsløre indviklede detaljer om gennemskinnelige celler og vandlevende organismer, samt facetterede diamanter og andre ædelsten, der ellers ville fremstå meget svage eller endda usynlige under et typisk lysfeltmikroskop.

Forskere genererer mørkefeltbilleder ved at montere standardmikroskoper med ofte dyre komponenter for at belyse prøvestadiet med en hul, stærkt vinklet lyskegle. Når en gennemsigtig prøve placeres under et mørkfeltmikroskop, lyskeglen spreder prøveens funktioner for at skabe et billede af prøven på mikroskopets kamera, i lys kontrast til den mørke baggrund.

Nu, ingeniører på MIT har udviklet en lille, spejlet chip, der hjælper med at producere billeder i mørke felter, uden dedikerede dyre komponenter. Chippen er lidt større end et frimærke og så tynd som et kreditkort. Når den placeres på et mikroskops scene, chippen udsender en hul lyskegle, der kan bruges til at generere detaljerede mørkefeltbilleder af alger, bakterie, og ligeledes gennemskinnelige bittesmå genstande.

Den nye optiske chip kan føjes til standardmikroskoper som en overkommelig, reduceret alternativ til konventionelle komponenter i mørke felter. Chippen kan også monteres i håndholdte mikroskoper for at producere billeder af mikroorganismer i marken.

"Forestil dig, at du er en marinbiolog, "siger Cecile Chazot, en kandidatstuderende i MIT's Institut for Materialevidenskab og Teknik. "Du er normalt nødt til at bringe en stor spand vand ind i laboratoriet for at analysere. Hvis prøven er dårlig, du er nødt til at gå tilbage for at indsamle flere prøver. Hvis du har en håndholdt, mørkfeltmikroskop, du kan tjekke en dråbe i din spand, mens du er ude på havet, for at se, om du kan gå hjem, eller om du har brug for en ny spand. "

Chazot er hovedforfatter til et papir med detaljer om teamets nye design, offentliggjort i tidsskriftet Natur fotonik . Hendes medforfattere er Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Peter Så, og Mathias Kolle fra MIT, sammen med Christopher Rowlands ved Imperial College London og Maik Scherer fra Papierfabrik Louisenthal GmbH i Tyskland.

For evigt fluorescerende

I en løbende indsats, medlemmer af Kolle's laboratorium designer materialer og enheder, der udviser langvarige "strukturelle farver", der ikke er afhængige af farvestoffer eller pigmentering. I stedet, de anvender nano- og mikroskala strukturer, der reflekterer og spreder lys meget gerne små prismer eller sæbebobler. De kan derfor se ud til at ændre farver afhængigt af hvordan deres strukturer er arrangeret eller manipuleret.

Strukturel farve kan ses i de iriserende vinger af biller og sommerfugle, fuglenes fjer, samt fiskeskæl og nogle blomsterblade. Inspireret af eksempler på strukturelle farver i naturen, Kolle har undersøgt forskellige måder at manipulere lys fra et mikroskopisk, strukturelt perspektiv.

Som en del af denne indsats, han og Chazot designede en lille, trelags chip, som de oprindeligt havde til hensigt at bruge som en miniaturelaser. Mellemlaget fungerer som chipens lyskilde, lavet af en polymer infunderet med kvantepunkter - små nanopartikler, der udsender lys, når de ophidses med fluorescerende lys. Chazot ligner dette lag med et glowstick -armbånd, hvor reaktionen mellem to kemikalier skaber lyset; undtagen her er der ikke brug for nogen kemisk reaktion - bare en smule blåt lys får kvantepunkterne til at skinne i lyse orange og røde farver.

"I glødestikker, til sidst stopper disse kemikalier med at udsende lys, "Chazot siger." Men kvantepunkter er stabile. Hvis du skulle lave et armbånd med kvanteprikker, de ville være fluorescerende i meget lang tid. "

Over dette lysgenererende lag, forskerne placerede et Bragg -spejl - en struktur lavet af skiftevis nanoskala lag af gennemsigtige materialer, med tydeligt forskellige brydningsindeks, hvilket betyder, i hvilke grader lagene reflekterer indgående lys.

Bragg -spejlet, Kolle siger, fungerer som en slags "gatekeeper" for de fotoner, der udsendes af kvantepunkterne. Arrangementet og tykkelsen af ​​spejlets lag er sådan, at det lader fotoner slippe op og ud af chippen, men kun hvis lyset kommer til spejlet i høje vinkler. Lys, der ankommer i lavere vinkler, hopper tilbage ned i chippen.

Forskerne tilføjede en tredje funktion under det lysgenererende lag for at genbruge fotoner, der oprindeligt blev afvist af Bragg-spejlet. Dette tredje lag er støbt af massivt, gennemsigtig epoxy belagt med en reflekterende guldfilm og ligner en miniature æggekasse, fyldt med små brønde, hver måler cirka 4 mikrometer i diameter.

Chazot foret denne overflade med et tyndt lag af stærkt reflekterende guld - et optisk arrangement, der virker for at fange ethvert lys, der reflekteres ned fra Bragg -spejlet, og bordtennis, der lyser tilbage, sandsynligvis i en ny vinkel, som spejlet ville slippe igennem. Designet til dette tredje lag blev inspireret af den mikroskopiske skala struktur i Papilio sommerfuglens vinger.

"Sommerfuglens vingeskalaer har virkelig spændende æggekasse-lignende strukturer med et Bragg-spejlforing, hvilket giver dem deres iriserende farve, "Siger Chazot.

Et optisk skift

Forskerne designede oprindeligt chippen som en række miniaturelaserkilder, tænker på, at dens tre lag kunne arbejde sammen om at skabe skræddersyede laseremissionsmønstre.

"Det indledende projekt var at bygge en samling af individuelt omskiftelige koblede mikroskala laserkaviteter, "siger Kolle, lektor i maskinteknik på MIT. "Men da Cecile lavede de første overflader, indså vi, at de havde en meget interessant emissionsprofil, selv uden lasning. "

Da Chazot havde set på chippen under et mikroskop, hun lagde mærke til noget nysgerrigt:Chippen udsendte kun fotoner i høje vinkler, der dannede en hul lyskegle. Viser sig, Bragg -spejlet havde de helt rigtige lagtykkelser til kun at lade fotoner passere, når de kom til spejlet med en bestemt (høj) vinkel.

"Engang så vi denne hule lyskegle, vi spekulerede på:'Kan denne enhed være nyttig til noget?' "siger Chazot." Og svaret var:Ja! "

Det viser sig, de havde indarbejdet mulighederne for flere dyre, omfangsrige mørkefeltmikroskopkomponenter til en enkelt lille chip.

Chazot og hendes kolleger brugte veletablerede teoretiske optiske koncepter til at modellere chipens optiske egenskaber for at optimere dens ydeevne til denne nyopdagede opgave. De fremstillede flere chips, hver producerer en hul lyskegle med en skræddersyet vinkelprofil.

"Uanset hvilket mikroskop du bruger, blandt alle disse små chips, en vil arbejde med dit mål, "Siger Chazot.

For at teste chipsene, teamet indsamlede prøver af havvand samt ikke -patogene stammer af bakterierne E. coli, og placerede hver prøve på en chip, som de satte på platformen af ​​et standard lysfeltmikroskop. Med denne enkle opsætning, de var i stand til at producere klare og detaljerede mørkefeltbilleder af individuelle bakterieceller, samt mikroorganismer i havvand, som var tæt på usynlige under lysfeltbelysning.

Kolle siger, at disse mørke feltbelysningschips i den nærmeste fremtid kunne masseproduceres og skræddersyes til selv enkle, mikroskoper i gymnasiet, for at muliggøre billeddannelse af lav kontrast, gennemskinnelige biologiske prøver. I kombination med andet arbejde i Kolle's lab, chipsene kan også inkorporeres i miniaturiserede billedbehandlingsanordninger til mørke felter til diagnostisk behandling og bioanalytiske applikationer.

"Hvis vi kan outsource noget af lysstyringen til en overflade, som du kan slå som prøvesubstrat på et mikroskop, det gør billedbehandling af mørke felter til en spændende tilgængelig mulighed i en masse billeddannelsesscenarier, Siger Kolle.