Простой чип с квантовыми точками позволяет стандартным микроскопам визуализировать трудноизображаемые биологические организмы.
Выполните поиск в Google для изображений в темном поле, и вы обнаружите прекрасно детализированный мир микроскопических организмов, ярко контрастирующих с их черно-белыми фонами. Микроскопия в темном поле может выявить запутанные детали полупрозрачных клеток и водных организмов, а также ограненных алмазов и других драгоценных камней, которые в противном случае выглядели бы очень слабыми или даже невидимыми в типичном светлопольном микроскопе.
Ученые генерируют изображения в темном поле, устанавливая стандартные микроскопы с часто дорогостоящими компонентами, чтобы осветить стадию образца полым, сильно наклоненным конусом света. Когда полупрозрачный образец помещают под микроскоп с темным полем, конус света рассеивает свойства образца, создавая изображение образца на камере микроскопа, в ярком контрасте с темным фоном.
Теперь инженеры MIT разработали небольшой зеркальный чип, который помогает создавать изображения в темном поле без выделенных дорогих компонентов. Чип немного больше почтовой марки и такой же тонкий, как кредитная карта. При размещении на столике микроскопа микросхема излучает полый конус света, который можно использовать для создания подробных темных изображений водорослей, бактерий и аналогичных полупрозрачных крошечных объектов.
Новый оптический чип можно добавить в стандартные микроскопы в качестве доступной альтернативы обычным компонентам темного поля. Чип также может быть установлен в ручные микроскопы для получения изображений микроорганизмов в полевых условиях.
«Представьте, что вы морской биолог», - говорит Сесиль Чазот, аспирант кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института. «Обычно вам приходится приносить в лабораторию большое ведро воды для анализа. Если образец плохой, вы должны вернуться, чтобы собрать больше образцов. Если у вас есть ручной микроскоп с темным полем, вы можете проверить падение ведра, пока вы в море, чтобы узнать, сможете ли вы пойти домой или вам нужно новое ведро ».
Чазот является ведущим автором статьи с подробным описанием нового дизайна команды, опубликованной сегодня в журнале Nature Photonics. Ее соавторами являются Сара Нагельберг, Игорь Коропчану, Курт Бродерик, Юньо Ким, Мунги Бавенди, Питер Со и Матиас Колле из Массачусетского технологического института, а также Кристофер Роулэндс в Имперском колледже Лондона и Майк Шерер из Papierfabrik Louisenthal GmbH в Германии.
Вечно флуоресцентный
В рамках постоянных усилий сотрудники лаборатории Колле разрабатывают материалы и устройства, которые демонстрируют долговечные «структурные цвета», которые не зависят от красителей или пигментации. Вместо этого они используют нано- и микромасштабные структуры, которые отражают и рассеивают свет, как крошечные призмы или мыльные пузыри. Следовательно, они могут менять цвета в зависимости от того, как их структуры расположены или управляются.
Структурный цвет можно увидеть в радужных крыльях жуков и бабочек, перьях птиц, а также в чешуе рыбы и некоторых цветочных лепестках. Вдохновленный примерами структурного цвета в природе, Колле исследовал различные способы манипулирования светом с микроскопической, структурной точки зрения.
В рамках этих усилий он и Чазо разработали небольшой трехслойный чип, который они изначально собирались использовать в качестве миниатюрного лазера. Средний слой функционирует как источник света чипа, сделанный из полимера, наполненного квантовыми точками - крошечными наночастицами, которые излучают свет при возбуждении флуоресцентным светом. Chazot сравнивает этот слой с браслетом светящейся палочки, где реакция двух химических веществ создает свет; за исключением того, что здесь не нужна химическая реакция - только немного синего света заставит квантовые точки сиять в ярко-оранжевых и красных тонах.
«В светящихся палочках в конечном итоге эти химические вещества перестают излучать свет», - говорит Чазот. «Но квантовые точки стабильны. Если бы вы сделали браслет с квантовыми точками, они бы очень долго были флуоресцентными ».
Поверх этого светогенерирующего слоя исследователи поместили зеркало Брэгга - структуру, состоящую из чередующихся наноразмерных слоев прозрачных материалов, с отчетливо отличающимися показателями преломления, то есть степенью, в которой слои отражают поступающий свет.
Колле говорит, что зеркало Брэгга действует как «привратник» для фотонов, излучаемых квантовыми точками. Расположение и толщина слоев зеркала таковы, что он позволяет фотонам выходить из кристалла и выходить из него, но только если свет попадает на зеркало под большими углами. Свет, попадающий под более низкие углы, отражается обратно в чип.
Исследователи добавили третью функцию под светоизлучающим слоем для рециркуляции фотонов, первоначально отклоненных брэгговским зеркалом. Этот третий слой отлит из твердой прозрачной эпоксидной смолы, покрытой отражающей золотой пленкой, и напоминает миниатюрный яичный ящик, покрытый небольшими лунками, каждый из которых имеет диаметр около 4 микрон.
Chazot выровнял эту поверхность тонким слоем золота с высокой отражающей способностью - оптическое устройство, которое улавливает любой свет, отражающийся назад от брэгговского зеркала, и настольный теннис, который освещает обратно, вероятно, под новым углом, который зеркало позволит через. Дизайн этого третьего слоя был вдохновлен микроскопической структурой чешуи в крыльях бабочки Papilio .
«Весы крыльев бабочки имеют действительно интригующие структуры, похожие на яичные ящики, с подкладкой зеркала Брэгга, которая придает им переливающийся цвет», - говорит Чазот.
Оптический сдвиг
Первоначально исследователи разработали чип как массив миниатюрных лазерных источников, полагая, что его три слоя могут работать вместе для создания индивидуальных схем лазерного излучения.
«Первоначальный проект заключался в создании сборки из индивидуально переключаемых связанных микромасштабных полостей генерации», - говорит Колле, доцент кафедры машиностроения в MIT. «Но когда Сесиль сделал первые поверхности, мы поняли, что они имеют очень интересный профиль излучения, даже без генерации».
Когда Шазот посмотрела на чип под микроскопом, она заметила нечто любопытное: чип излучал фотоны только под большими углами, образуя полый конус света. Оказывается, у брэгговского зеркала были только правильные толщины слоя, чтобы позволить фотонам проходить только тогда, когда они попадают в зеркало с определенным (большим) углом.
«Как только мы увидели этот полый конус света, мы подумали:« Может ли это устройство быть полезным для чего-то? », - говорит Чазот. «И ответ был: да!»
Оказывается, они объединили возможности нескольких дорогих громоздких темных микроскопических компонентов в один маленький чип.
Chazot и ее коллеги использовали хорошо разработанные теоретические оптические концепции для моделирования оптических свойств чипа, чтобы оптимизировать его производительность для этой недавно найденной задачи. Они изготовили несколько чипов, каждый из которых создавал полый конус света с индивидуальным угловым профилем.
«Независимо от того, какой микроскоп вы используете, среди всех этих крошечных микросхем один будет работать с вашей целью», - говорит Чазот.
Чтобы проверить чипы, команда собрала образцы морской воды, а также непатогенных штаммов бактерий E. coli , и поместила каждый образец на чип, который они установили на платформе стандартного микроскопа с ярким полем. С этой простой установкой они смогли получить четкие и детальные изображения в темном поле отдельных бактериальных клеток, а также микроорганизмов в морской воде, которые были почти невидимы при освещении в ярких полях.
В ближайшем будущем эти светочувствительные чипы в темном поле могут быть произведены серийно и адаптированы даже для простых микроскопов старшей школы, позволяющих получать низкоконтрастные полупрозрачные биологические образцы. В сочетании с другими работами в лаборатории Колле микросхемы также могут быть встроены в миниатюрные устройства визуализации в темном поле для диагностики в местах оказания медицинской помощи и биоаналитических приложений в полевых условиях.
«Это замечательная история инноваций, основанных на открытиях, которые могут оказать широкое влияние в науке и образовании, оснастив эту технологию микроскопами различных сортов», - говорит Джеймс Берджесс, руководитель программы Института нанотехнологий для солдат, Исследовательское бюро армии. «Кроме того, возможность получения превосходного контраста при визуализации биологических и неорганических материалов при оптическом увеличении может быть включена в системы для выявления новых биологических угроз и токсинов в лабораториях Медицинского медицинского центра и на поле боя».
Это исследование было поддержано, в частности, Национальным научным фондом, Исследовательским отделом армии США и Национальными институтами здравоохранения.
