Зеркальный чип может включить портативный темном поле микроскопа

Сделайте поиск Google для темного поля изображения, и вы откроете для себя красиво подробные мир микроскопических организмов выделяют в яркий контраст с их полночь-черным фоном. Темно-полевой микроскопии можно выявить сложные детали полупрозрачные клетки и водных организмов, а также ограненные алмазы и другие драгоценные камни, которые могли бы появиться очень слабый или даже незаметен под типичный светлом поле микроскопа.

Ученые создают темные области изображения путем установки стандартных микроскопах с часто дорогостоящие компоненты, чтобы освещать образца с дуплом, высоко под углом конус света. Когда прозрачный образец помещен под темнопольном микроскопе, конус света рассеивается от характеристики образец для создания изображения образца на камеру микроскопа, в яркий контраст с темным фоном.

Теперь, инженеры из Массачусетского технологического института разработали небольшой, зеркальный чип, который позволяет производить темные области изображения, без специальных дорогостоящих компонентов. Чип немного больше, чем почтовая марка, и тонкой, как кредитная карта. Когда размещен на микроскоп этапе, чип испускает полого конуса света, который может быть использован для создания подробных темном поле изображение водоросли, бактерии, а также полупрозрачные крошечные объекты.

Новый оптический чип, который может быть добавлен к стандартной микроскопы как недорогое, сокращенных альтернатива обычным темно-компоненты поля. Чип также может быть установлен в ручной микроскопов для получения изображения микроорганизмов в поле.

«Представь, что ты морской биолог», — говорит Сесиль Chazot, аспирант кафедры Массачусетского технологического института материаловедения и инженерии. «Вы обычно должны принести большое ведро воды в лабораторию для анализа. Если образец плохо, вы должны вернуться, чтобы собрать дополнительные образцы. Если у вас есть ручной, темном поле микроскопа, вы можете проверить, капля в ведро, пока ты в море, чтобы увидеть, если вы можете пойти домой или если вам нужно новое ведро».

Chazot ведущий автор статьи подробно новый дизайн, опубликованного в журнале Nature фотоники. Ее соавторы Сара Nagelberg, Игорь Коропчану, Курт Бродерик, Yunjo Ким, Moungi Bawendi, Петр так, и Матиас Колле из Массачусетского технологического института, вместе с Кристофер Роуландс в Имперском колледже Лондона и Майк Шерер из Louisenthal Papierfabrik GmbH в Германии.

Вечно люминесцентная

В рамках продолжающихся усилий, членов Колле лаборатория по разработке материалов и устройств, которые обладают длительным «структурного цвета», которые не зависят от красителей или пигментных пятен. Вместо этого, они используют нано — и микромасштабной структуры, которые отражают и рассеивают свет как крошечные призмы или мыльные пузыри. Поэтому они могут менять цвета в зависимости от их структуры устраивается или манипулировать.

Структурные цвета можно увидеть в радужных крыльев жуков и бабочек, перья птиц, рыбья чешуя и некоторые цветочные лепестки. Вдохновленный примерами структурных цвет в природе, Колле расследует различные способы манипулирования света от микроскопических, структурной точки зрения.

Как часть этого усилия, он и Chazot разработали небольшой, трехслойная фишка в том, что они изначально предназначены для использования в качестве миниатюрного лазера. Средний слой функционирует как источник света чип, изготовленный из полимера, настоянный на квантовые точки-крошечные наночастицы, которые излучают свет при возбуждении с дневным светом. Chazot уподобляет этот слой, чтобы светящаяся палочка браслет, когда реакции двух химических веществ создает свет; кроме как здесь, нет химической реакции необходимо … просто немного синий свет сделает квантовыми точками, блеск в ярко-оранжевый и красный цвета.

«В палочки, в конце концов, эти химикаты прекращение излучения света,» Chazot говорит. «Но квантовые точки являются стабильными. Если вы должны были сделать браслет с квантовыми точками, они будут люминисцентные в течение очень долгого времени».

За этот свет генерирующих слоев, исследователи помещали зеркало Брэгга — структура сделанная из чередующихся наноразмерных слоев прозрачных материалов с разными показателями преломления, т. е. степень слои отражения падающего света.

Зеркало Брэгга, Колле говорит, действует как своего рода «привратник» для фотонов, излучаемый квантовыми точками. Расположение и толщина слоев зеркала такова, что она позволяет фотонам вырваться из чипа, но только если свет поступает на зеркало при больших углах. Света, прибывающие при меньших углах отскочил обратно в чип.

Исследователи добавили третью объектов ниже генерации света слой перерабатывать фотоны первоначально отклонены зеркало Брэгга. Этот третий слой формируется из твердого, прозрачного эпоксидным покрытием с отражающим золотой пленки и напоминала миниатюрный клети яичка, рябой, с небольшими колодцы, каждый размером около 4 мкм в диаметре.

Chazot выложена эта поверхность тонким слоем высокой отражающей золото-оптическая схема, которая действует, чтобы поймать любой свет, который отражается обратно от Брэгговского зеркала, и пинг-понг, что свет обратно вверх, скорее всего, в новом ракурсе, что зеркало будет пропускать. Дизайн для этого третий слой был вдохновлен микроскопического масштаба структуры в крыльях бабочки парусник.

«Бабочки крыло весы характеристика очень интригует ящик-как яйцо структур с зеркалом Брэгга подкладка, которая придает им переливающийся цвет,» Chazot говорит.

Оптический сдвиг

Исследователи первоначально разработанный чип как массив миниатюрных лазерных источников, думая, что его три слоя могут работать вместе для создания специальных моделей лазерного излучения.

«На первом этапе планировалось построить сборку с индивидуальным управлением, в сочетании микромасштабе генерации полости», — говорит Колле, доцент механической инженерии Массачусетского технологического института. «Но когда Сесиль сделал первый поверхностях мы поняли, что у них был очень интересный профиль выбросов, даже без генерации.»

Когда Chazot посмотрел на чипа под микроскопом, она заметила кое-что любопытное: чип испускаемых фотонов только при больших углах, образуя полый конус света. Оказывается, зеркало Брэгга, в самый раз толщин слоев, чтобы только фотоны проходят через, когда они пришли в зеркало с определенной (высокой) угол.

«Как только мы увидели этот полый конус света, мы задались вопросом: ‘Может ли это устройство быть полезны для чего-то?'» Chazot говорит. «И ответ был: да!»

Как выясняется, они включили возможностей несколько дорогих, громоздких темном поле микроскопа компоненты в один маленький чип.

Chazot и ее коллеги использовали устоявшиеся теоретические оптический концепции моделирования оптических свойств чипа для оптимизации производительности для этих новых задач. Они придумали несколько фишек, каждая из которых производит полый конус света с учетом уголкового профиля.

«Независимо от того, в микроскоп вы используете, среди всех этих крошечных чипов, будет работать с вашим объективным», — говорит Chazot.

Для тестирования чипов, команда собрала образцы морской воды, а также штаммы, непатогенные бактерии E. coli, и помещают каждый образец на чипе, которую они устанавливают на платформе стандартного светлом поле микроскопа. С этой простой настройки, они были способны производить четкие и подробные темном поле изображения отдельных бактериальных клеток, а также микроорганизмов в морской воде, практически невидимые при ярком поле освещения.

Колле говорит, что в ближайшем будущем эти темные поля фишки освещение может быть массового производства и рассчитан на Даже простые, средней школы-Класс микроскопов, чтобы позволить визуализации слабоконтрастных, прозрачный биологических образцов. В сочетании с другими работа в лаборатории Келле, то чипы могут также быть включены в миниатюрном темном поле визуализации устройств для точка-в-санитарной диагностики и биоаналитических приложений.

«Если мы сможем поручить часть управления светом на поверхности, что вы можете дать в качестве образца на подложке микроскопа, он делает темные области изображения интригующе доступным вариантом в кучу сценариев визуализации,» Колле говорит.

Это исследование было поддержано в части Национальным научным фондом США Армия исследований и Национальных институтов здоровья.

сделать разницу: спонсорские возможности