Voer een Google-zoekopdracht uit naar afbeeldingen met donkere velden, en je zult een prachtig gedetailleerde wereld van microscopisch kleine organismen ontdekken die in helder contrast staan ​​met hun middernachtzwarte achtergronden. Donkerveldmicroscopie kan ingewikkelde details van doorschijnende cellen en waterorganismen onthullen, evenals gefacetteerde diamanten en andere edelstenen die anders erg zwak of zelfs onzichtbaar zouden lijken onder een typische helderveldmicroscoop.

Wetenschappers genereren donkerveldbeelden door standaardmicroscopen uit te rusten met vaak dure componenten om het monsterstadium te verlichten met een holte, sterk gehoekte lichtkegel. Wanneer een doorschijnend monster onder een donkerveldmicroscoop wordt geplaatst, de lichtkegel verstrooit de kenmerken van het monster om een ​​beeld van het monster op de camera van de microscoop te creëren, in helder contrast met de donkere achtergrond.

Nutsvoorzieningen, ingenieurs van MIT hebben een kleine, gespiegelde chip die helpt bij het produceren van donkerveldbeelden, zonder speciale dure componenten. De chip is iets groter dan een postzegel en zo dun als een creditcard. Wanneer geplaatst op het podium van een microscoop, de chip zendt een holle lichtkegel uit die kan worden gebruikt om gedetailleerde donkerveldbeelden van algen te genereren, bacteriën, en evenzo doorschijnende kleine objecten.

De nieuwe optische chip kan als een betaalbare, verkleind alternatief voor conventionele donkerveldcomponenten. De chip kan ook in handmicroscopen worden geplaatst om afbeeldingen van micro-organismen in het veld te produceren.

"Stel je voor dat je een mariene bioloog bent, " zegt Cecile Chazot, een afgestudeerde student aan het MIT's Department of Materials Science and Engineering. "Normaal gesproken moet je een grote emmer water naar het laboratorium brengen om te analyseren. Als het monster slecht is, je moet terug naar buiten om meer monsters te verzamelen. Als je een handheld hebt, donkerveldmicroscoop, je kunt een druppel in je emmer zien terwijl je op zee bent, om te zien of je naar huis kunt of dat je een nieuwe emmer nodig hebt."

Chazot is de hoofdauteur van een paper waarin het nieuwe ontwerp van het team wordt beschreven. gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfotonica . Haar co-auteurs zijn Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Pieter dus, en Mathias Kolle van MIT, samen met Christopher Rowlands aan het Imperial College London en Maik Scherer van Papierfabrik Louisenthal GmbH in Duitsland.

Voor altijd fluorescerend

In een voortdurende inspanning, leden van Kolle's lab ontwerpen materialen en apparaten die langdurige "structurele kleuren" vertonen die niet afhankelijk zijn van kleurstoffen of pigmentatie. In plaats daarvan, ze gebruiken nano- en microschaalstructuren die licht reflecteren en verstrooien, net als kleine prisma's of zeepbellen. Ze kunnen daarom van kleur lijken te veranderen, afhankelijk van hoe hun structuren zijn gerangschikt of gemanipuleerd.

Structurele kleur is te zien in de iriserende vleugels van kevers en vlinders, de veren van vogels, evenals vissenschubben en enkele bloembladen. Geïnspireerd door voorbeelden van structurele kleuren in de natuur, Kolle heeft verschillende manieren onderzocht om licht te manipuleren van een microscopische, structureel perspectief.

Als onderdeel van deze inspanning, hij en Chazot ontwierpen een kleine, drielaagse chip die ze oorspronkelijk als miniatuurlaser wilden gebruiken. De middelste laag fungeert als lichtbron van de chip, gemaakt van een polymeer doordrenkt met kwantumstippen - kleine nanodeeltjes die licht uitstralen wanneer ze worden geëxciteerd met fluorescerend licht. Chazot vergelijkt deze laag met een glowstick-armband, waar de reactie van twee chemicaliën het licht creëert; behalve hier is geen chemische reactie nodig - alleen een beetje blauw licht zal de kwantumstippen in fel oranje en rode kleuren laten schijnen.

"In gloeistaafjes, uiteindelijk stoppen deze chemicaliën met het uitstralen van licht, " zegt Chazot. "Maar kwantumstippen zijn stabiel. Als je een armband zou maken met kwantumstippen, ze zouden heel lang fluorescerend zijn."

Over deze lichtgenererende laag, plaatsten de onderzoekers een Bragg-spiegel - een structuur gemaakt van afwisselende nanoschaallagen van transparante materialen, met duidelijk verschillende brekingsindices, dat wil zeggen de mate waarin de lagen inkomend licht reflecteren.

De Bragg-spiegel, Kolle zegt, fungeert als een soort "poortwachter" voor de fotonen die worden uitgezonden door de kwantumstippen. De opstelling en dikte van de lagen van de spiegel is zodanig dat fotonen naar boven en uit de chip kunnen ontsnappen, maar alleen als het licht onder hoge hoeken op de spiegel valt. Licht dat onder een lagere hoek aankomt, wordt teruggekaatst in de chip.

De onderzoekers voegden een derde kenmerk toe onder de lichtgenererende laag om de fotonen te recyclen die aanvankelijk door de Bragg-spiegel waren afgewezen. Deze derde laag is gegoten uit massief, transparante epoxy bedekt met een reflecterende gouden film en lijkt op een miniatuur eierkrat, vol met kleine putten, elk met een diameter van ongeveer 4 micron.

Chazot bekleedde dit oppervlak met een dunne laag sterk reflecterend goud - een optische opstelling die elk licht opvangt dat terugkaatst vanaf de Bragg-spiegel, en pingpong die weer oplicht, waarschijnlijk onder een nieuwe hoek die de spiegel zou doorlaten. Het ontwerp voor deze derde laag is geïnspireerd op de microscopisch kleine schaalstructuur in de vleugels van de Papilio-vlinder.

"De vleugelschubben van de vlinder hebben echt intrigerende eierkratachtige structuren met een Bragg-spiegelvoering, waardoor ze hun iriserende kleur krijgen, ' zegt Chazot.

Een optische verschuiving

De onderzoekers ontwierpen de chip oorspronkelijk als een reeks miniatuur laserbronnen, denkend dat de drie lagen zouden kunnen samenwerken om op maat gemaakte laseremissiepatronen te creëren.

"Het oorspronkelijke project was om een ​​assemblage te bouwen van individueel schakelbare, gekoppelde laserholtes op microschaal, " zegt Kolle, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT. "Maar toen Cecile de eerste oppervlakken maakte, realiseerden we ons dat ze een zeer interessant emissieprofiel hadden, zelfs zonder laseren."

Toen Chazot de chip onder een microscoop had bekeken, ze merkte iets merkwaardigs op:de chip straalde alleen fotonen uit onder hoge hoeken en vormde een holle lichtkegel. Blijkt, de Bragg-spiegel had precies de juiste laagdiktes om alleen fotonen door te laten als ze met een bepaalde (hoge) hoek op de spiegel kwamen.

"Toen we deze holle lichtkegel zagen, we vroegen ons af:'Kan dit apparaat ergens voor dienen?'" zegt Chazot. "En het antwoord was:Ja!"

Zoals het blijkt, ze hadden de mogelijkheden van meerdere dure, omvangrijke donkerveldmicroscoopcomponenten in een enkele kleine chip.

Chazot en haar collega's gebruikten gevestigde theoretische optische concepten om de optische eigenschappen van de chip te modelleren om de prestaties voor deze nieuw gevonden taak te optimaliseren. Ze fabriceerden meerdere chips, elk produceert een holle lichtkegel met een op maat gemaakt hoekig profiel.

"Ongeacht de microscoop die je gebruikt, tussen al deze kleine chips, men zal werken met uw doelstelling, ' zegt Chazot.

Om de chips te testen, het team verzamelde zowel monsters van zeewater als niet-pathogene stammen van de bacterie E. coli, en plaatsten elk monster op een chip die ze op het platform van een standaard helderveldmicroscoop plaatsten. Met deze eenvoudige opstelling, ze waren in staat om heldere en gedetailleerde donkerveldbeelden van individuele bacteriële cellen te produceren, evenals micro-organismen in zeewater, die bijna onzichtbaar waren onder helderveldverlichting.

Kolle zegt dat deze donkerveldverlichtingschips in de nabije toekomst in massaproductie en op maat gemaakt kunnen worden voor zelfs eenvoudige, middelbare school-rang microscopen, om beeldvorming met laag contrast mogelijk te maken, doorschijnende biologische monsters. In combinatie met ander werk in Kolle's lab, de chips kunnen ook worden ingebouwd in geminiaturiseerde donkerveld-beeldvormingsapparatuur voor point-of-care-diagnostiek en bioanalytische toepassingen.

"Als we een deel van het lichtbeheer kunnen uitbesteden aan een oppervlak dat je als het monstersubstraat op een microscoop kunt klappen, het maakt dark-field imaging een intrigerend toegankelijke optie in een heleboel beeldscenario's, ' zegt Kol.