Chip reflejado podría permitir microscopios portátiles de campo oscuro



Realice una búsqueda en Google en imágenes de fondo negro y descubrirá un mundo maravillosamente detallado de organismos microscópicos que contrastan con su decoración negra de medianoche. La microscopía de campo oscuro puede revelar detalles intrincados de células translúcidas y organismos acuáticos, así como diamantes facetados y otras piedras preciosas que de otro modo parecerían muy débiles o incluso invisibles bajo un típico microscopio de campo brillante.

Los científicos generan imágenes sobre un fondo negro al equipar microscopios estándar con componentes a menudo caros para iluminar la escena de la muestra con un cono de luz hueco muy inclinado. Cuando se coloca una muestra translúcida bajo un microscopio de fondo oscuro, el cono de luz dispersa las características de la muestra para crear una imagen de la muestra en la cámara del microscopio, en contraste con el fondo oscuro

Ahora, los ingenieros del MIT han desarrollado un pequeño chip espejo que produce imágenes en el fondo oscuro, sin costosos componentes dedicados. El chip es ligeramente más grande que un sello de correos y tan delgado como una tarjeta de crédito. Cuando se coloca en el escenario de un microscopio, el chip emite un cono de luz hueca que puede usarse para generar imágenes detalladas sobre un fondo oscuro de algas, bacterias y pequeños objetos translúcidos similar.

El nuevo chip óptico se puede agregar a los microscopios estándar como una alternativa asequible y de tamaño reducido a los componentes convencionales de campo oscuro. El chip también se puede instalar en microscopios portátiles para producir imágenes de microorganismos en el campo.

"Imagina que eres un biólogo marino", dice Cecile Chazot, una estudiante graduada en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. "Normalmente, debe llevar un gran balde de agua al laboratorio para su análisis. Si la muestra es mala, debe regresar para recolectar más muestras. Si tiene un microscopio portátil de campo oscuro, puede verificar si hay una gota en su cubo mientras está en el mar, para ver si puede irse a casa o si necesita un nuevo cubo. "

Chazot es el autor principal de un artículo que detalla el nuevo diseño del equipo, publicado hoy en la revista. Fotónica de la naturaleza. Sus coautores son Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Peter So y Mathias Kolle del MIT, así como Christopher Rowlands en el Imperial College de Londres y Maik Scherer de Papierfabrik Louisenthal GmbH en Alemania .

Siempre fluorescente

En un esfuerzo continuo, los miembros del laboratorio Kolle diseñan materiales y dispositivos que presentan "colores estructurales" duraderos que no dependen de tintes o pigmentación. En cambio, usan estructuras a nanoescala y microscópicas que reflejan y difunden la luz de manera muy similar a pequeños prismas o pompas de jabón. Por lo tanto, pueden parecer que cambian de color dependiendo de cómo se organizan o manipulan sus estructuras.

El color estructural se puede ver en las alas iridiscentes de escarabajos y mariposas, plumas de pájaros, así como escamas de peces y ciertos pétalos de flores. Inspirado por ejemplos de colores estructurales en la naturaleza, Kolle estudió varias formas de manipular la luz desde un punto de vista microscópico y estructural.

Como parte de este esfuerzo, él y Chazot diseñaron un pequeño chip de tres capas que originalmente pretendían usar como láser en miniatura. La capa intermedia funciona como la fuente de luz del chip, hecha de un polímero impregnado con puntos cuánticos: pequeñas nanopartículas que emiten luz cuando se excitan con luz fluorescente. Chazot compara esta capa con un brazalete luminoso, donde la reacción de dos químicos crea luz; excepto que aquí no se necesita reacción química, solo una pequeña luz azul hará que los puntos cuánticos brillen en colores naranja y rojo brillantes.

"En las barras de luz, estos químicos finalmente dejan de emitir luz", dice Chazot. "Pero los puntos cuánticos son estables. Si hicieras una pulsera con puntos cuánticos, serían fluorescentes durante mucho tiempo. "

Sobre esta capa generadora de luz, los investigadores colocaron un espejo Bragg, una estructura hecha de capas nanométricas alternas de materiales transparentes, con índices de refracción significativamente diferentes, lo que significa los grados en que las capas reflejan la luz entrante. .

El espejo Bragg, conocido como Kolle, actúa como una especie de "guardián" para los fotones emitidos por los puntos cuánticos. La disposición y el grosor de las capas del espejo son tales que permiten que los fotones escapen hacia arriba y fuera del chip, pero solo si la luz llega al espejo en ángulos altos. La luz que llega a ángulos más bajos se devuelve al chip.

Los investigadores agregaron una tercera característica debajo de la capa generadora de luz para reciclar los fotones liberados inicialmente por el espejo Bragg. Esta tercera capa está moldeada de epoxi transparente sólido cubierto con una película de oro reflectante y se asemeja a una jaula de huevos en miniatura, llena de pequeños pozos, cada uno de aproximadamente 4 micras de diámetro.

Chazot ha cubierto esta superficie con una fina capa de oro altamente reflectante, una disposición óptica que actúa para capturar toda la luz que se refleja hacia abajo desde el espejo Bragg y el ping pong que devuelve el luz, probablemente desde un nuevo ángulo que dejaría pasar el espejo. El diseño de esta tercera capa se inspiró en la estructura de la escala microscópica en las alas de la Papilio mariposa.

"Las escamas de las alas de la mariposa tienen estructuras muy interesantes como cajas de huevos con un forro de espejo Bragg, que les da su color iridiscente", explica Chazot.

Cambio óptico

Los investigadores diseñaron originalmente el chip como una red de fuentes láser en miniatura, creyendo que sus tres capas podrían funcionar juntas para crear modelos de emisión láser personalizados.

"El proyecto inicial era construir un conjunto de cavidades láser acopladas individualmente conmutables a escala microscópica", dijo Kolle, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Pero cuando Cecile hizo las primeras superficies, nos dimos cuenta de que tenían un perfil de emisión muy interesante, incluso sin láser".

Cuando Chazot miró el chip bajo el microscopio, notó algo curioso: el chip solo emitía fotones en ángulos altos formando un cono de luz hueca. Resulta que el espejo Bragg tenía el grosor de capa justo para que solo los fotones pasaran cuando entraran en el espejo en cierto ángulo (alto).

"Una vez que vimos este cono de luz hueca, nos preguntamos:" ¿Podría este dispositivo ser útil para algo? "" Dijo Chazot. "Y la respuesta fue: ¡sí!"

Al final, incorporaron las capacidades de varios componentes caros y voluminosos del microscopio de campo oscuro en un solo chip pequeño.

Chazot y sus colegas utilizaron conceptos ópticos teóricos bien establecidos para modelar las propiedades ópticas del chip con el fin de optimizar su rendimiento para esta nueva tarea. Hicieron varios chips, cada uno produciendo un cono de luz hueco con un perfil angular adecuado.

"Cualquiera que sea el microscopio que use, de todos esos pequeños chips, uno funcionará con su lente", dice Chazot.

Para analizar las pulgas, el equipo recolectó muestras de agua de mar y cepas de bacterias no patógenas. E. coliy colocó cada muestra en un chip que colocaron en la plataforma de un microscopio de campo claro estándar. Gracias a esta configuración simple, pudieron producir imágenes claras y detalladas sobre un fondo oscuro de células bacterianas individuales, así como de microorganismos en el agua de mar, que eran casi invisibles bajo una iluminación de campo brillante.

En el futuro cercano, estos chips de iluminación de campo oscuro podrían producirse en masa y adaptarse a microscopios simples, incluso de nivel secundario, para permitir la obtención de imágenes de muestras biológicas translúcidas de bajo contraste. En combinación con otros trabajos en el laboratorio de Kolle, los chips también se pueden incorporar en dispositivos de imágenes de campo oscuro miniaturizados para diagnóstico en el punto de atención y aplicaciones de campo bioanalítico.

"Esta es una historia maravillosa de innovación basada en el descubrimiento que tiene el potencial de tener un impacto generalizado en la ciencia y la educación a través de equipando microscopios de jardín con esta tecnología ", dice James Burgess, director de programa del Instituto de Nanotecnologías para Soldados, Oficina de Investigación del Ejército. "Además, la capacidad de obtener un mayor contraste en la obtención de imágenes de materiales biológicos e inorgánicos bajo aumento óptico podría integrarse en los sistemas de identificación de nuevas amenazas biológicas y toxinas en los laboratorios del Centro". médico militar y en el campo de batalla ".

Esta investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU. Y los Institutos Nacionales de Salud.

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