Nanostrukturer och naturliga mönster har länge fascinerat forskare inom bioinspirerad materialteknik. Biologiska prover kan avbildas och observeras i nanoskala med hjälp av sofistikerade analytiska verktyg inom materialvetenskap, inklusive svepelektronmikroskopi (SEM) och transmissionselektronmikroskopi (TEM). Medan avbildningsmetoder bidrar till förståelsen av strukturer genom att avslöja materialegenskaper för biomimetiska materialsyntes, de har ofta gjort det med förlusten av fotoniska egenskaper som är inneboende i materialen.

I en ny metod, materialforskare Boliang Jia och kollegor vid avdelningarna för maskinteknik och robotteknik presenterade en utskrivbar biokompatibel superlins placerad direkt på föremål av intresse för att observera subdiffraktionsbegränsade egenskaper (upplösning bortom diffraktionsgränsen). De tittade sedan på de naturliga egenskaperna med hjälp av ett optiskt mikroskop för att demonstrera nanoskala avbildning av fjärilsvingar i färg. Studien möjliggjorde superupplösningsavbildning och ett större synfält (FOV) jämfört med de tidigare dielektriska mikrosfärbaserade optiska systemen för superupplösningsmikroskopi.

Den nya metoden skapade en snabb och flexibel väg för att observera de direkta färgerna av biologiska egenskaper på nanoskala i det synliga området. Resultaten är nu publicerade i Mikrosystem och nanoteknik , där arbetet möjliggjorde optiska mätningar i subdiffraktionsbegränsad skala. En superlins är baserad på ett optiskt material med ett negativt brytningsindex (optiska metamaterial) som experimentellt skulle kunna vända nästan alla kända optiska fenomen. Tekniskt, en tunn film med negativt index kan fungera som en "superlins" för att ge bilddetaljer med en upplösning bortom den diffraktionsgräns som alla objektiv med positivt index utsätts för.

I studien, Jia et al. utvecklat en metod för att trycka glycerol (transparent vätska) på fjärilsvingar och observera nanoskaliga vingstrukturer som hittills inte observerats via konventionella optiska mikroskop. Arbetet kommer att bana väg för avancerade flytande superlinser i kombination med snabba och flexibla metoder inom optik. Resultaten kommer att underlätta nanostrukturell inspektion via biofotonik i biologiska och icke-biologiska prover.

Morpho cypris fjärilsvingar observerades först via högupplöst SEM 1942, vilket ledde till upptäckten av detaljerade strukturer under diffraktionsgränsen med hjälp av sofistikerade verktyg. Sedan dess, Morpho-fjärilar har varit föremål för intresse i bioinspirerad materialforskning på grund av deras iriserande färg och distinkta fotoniska egenskaper. I årtionden, egenskaperna hos ljusinterferens till följd av deras briljanta nanostrukturer har väckt stort intresse för forskning om nanofotonik och biomimetiska material. Dock, direkta optiska observationer av den subdiffraktionsbegränsade strukturen hos vingarna på nanoskala återstår att rapportera.

Mikrosfärer med högt brytningsindex i vattenhaltiga medier har rönt stort intresse de senaste åren för att observera vätskenedsänkta biologiska prover såsom biologiska celler in vivo. Än, Metoden är inte gynnsam för prover med högt brytningsindex i torra förhållanden. I detta arbete, Jia et al. presenterade en in situ tryckt biokompatibel glycerol superlins (SL) med högre upplösning och större FOV än bariumtitanatglas (BTG) mikrosfärer under torra förhållanden. Forskarna valde glycerol eftersom det är en genomskinlig vätska med ett relativt högt brytningsindex som kan skriva ut droppar över ett brett storleksintervall.

Som en viktig egenskap, glycerol innehåller starka intermolekylära interaktioner och är därför mycket motståndskraftig mot avdunstning. Även om mikrodroppar vatten vanligtvis avdunstar nästan omedelbart, i jämförelse, glycerol tryckt som droppar med en volym på 50 procent skulle kunna existera åtminstone under en dag på substrat utan betydande storleksförändringar. Jia et al. därför direkttryckta glycerolsuperlinser på en Morpho fjärilsvinge med hjälp av en bläckstråleskrivare. Därefter, de karakteriserade glycerolbilderna med hjälp av en central processing unit (CPU)-integrerad krets (IC). Forskarna observerade nanobiostrukturer från 50 nm till 200 nm i skala. I arbetet, forskarna justerade glycerollösningens viskositet via utspädningstest med MiliQ-vatten för att välja en optimal koncentration på 50 volymprocent (50 vol%) för utskrift.

Inom optik, solid immersion linser (SILs) kan förbättra den optiska upplösningen genom att öka den effektiva numeriska bländaren (NA) hos bildmediet. Dropplinsen anses vara en flytande version av SILs med en felfri yta. Forskarna karakteriserade först de tryckta glycerol-superlinserna i studien med ett annat antal droppar per lins på en ren kiselskiva före administrering på fjärilsvingar. De valde det ideala antalet droppar per lins efter några försök; de resulterande diametrarna för glycerollinserna var jämförbara med BTG-mikrosfärer. Därefter, de jämförde konfigurationer av experimentuppställningen för BTG-mikrosfärerna och glycerolsuperlinsen. Arbetet visade att stora BTG-mikrosfärer gav en stor FOV, medan en högre upplösning erhölls med mindre BTG-mikrosfärer.

När forskarna jämförde bilderna som erhölls med glycerolsuperlinser och de som erhölls med BTG, resultaten förbättrades avsevärt i enhetlighet för bilder erhållna med glycerolsuperlinser, tillsammans med skarpare funktioner i nanoskala. Detta antydde att tryckta glycerolsuperlinser erbjöd överlägsen upplösningskapacitet jämfört med BTG-mikrosfärer av lika stora och mindre storlekar i luft.

I sitt arbete, Jia et al. observerade två typer av fjärilar:Morpho Menelaus och Agrias beatifica beata. Forskarna tryckte 60 glyceroldroppar (eller linser) på fjärilsproverna för att få sfäriska linser med en diameter på ungefär 95 µm. De observerade egenskaperna i vingskala via ett upprättstående mikroskopsystem. Forskarna kunde fånga fjärilarnas ventrala vingfjäll, där Morpho-arten visade två typer av vingfjäll; mark och täckfjäll.

I jämförelse med SEM, glycerol superlinser kunde inte lösa fullständiga strukturer helt, men de visade förekomsten av understrukturer mellan åsarna av fjärilsvingar. Till exempel, Jia et al. visade att in situ glycerolsuperlinser kunde utöka gränsen för strukturer i nanoskala i biologiska prover till ungefär 200 nm i bredd. Ytterligare experiment visade förmågan att färgbilda subdiffraktionsbegränsade nanobiostrukturer med hjälp av superlinserna.

Den nya metoden erbjuder en kostnadseffektiv, snabb och högupplöst bildteknik för att visualisera subdiffraktionsbegränsade nanobiostrukturer in situ. Verket banar väg för vattenoblandbara vätskor med höga brytningsindex för att skriva ut flytande superlinser för vattendoppningsbaserade bildbehandlingstillämpningar. Biokompatibla vätskor som silikonolja kan utforskas som superlinser under vattnet via lågkostnads ​​bläckstråleutskrift. Materialforskare fortsätter att arbeta för att konstruera avancerade flytande superlinser inom nanobiofotonik. Schemat som introducerades av Jia et al. ger en snabb och enkel att implementera strategi för att observera nanobiostrukturer i biologiska och icke-biologiska prover.

© 2019 Science X Network