Sök på Google efter mörka fältbilder, och du kommer att upptäcka en vackert detaljerad värld av mikroskopiska organismer som står i ljus kontrast till deras midnattssvarta bakgrund. Mörkfältmikroskopi kan avslöja invecklade detaljer om genomskinliga celler och vattenlevande organismer, såväl som fasetterade diamanter och andra ädelstenar som annars skulle framstå som mycket svaga eller till och med osynliga under ett typiskt ljusfältmikroskop.

Forskare genererar mörka fältbilder genom att montera standardmikroskop med ofta kostsamma komponenter för att belysa provsteget med en ihålig, starkt vinklad ljuskon. När ett genomskinligt prov placeras under ett mörkt fältmikroskop, ljuskonet sprider ut provets funktioner för att skapa en bild av provet på mikroskopets kamera, i ljus kontrast till den mörka bakgrunden.

Nu, ingenjörer på MIT har utvecklat en liten, speglat chip som hjälper till att producera mörka fältbilder, utan dedikerade dyra komponenter. Chippet är något större än ett frimärke och lika tunt som ett kreditkort. När den placeras på ett mikroskops scen, chipet avger en ihålig ljuskon som kan användas för att generera detaljerade mörkfältbilder av alger, bakterie, och liknande genomskinliga små föremål.

Det nya optiska chipet kan läggas till i standardmikroskop som ett prisvärt, minskat alternativ till konventionella mörkfältskomponenter. Chippet kan också monteras i handhållna mikroskop för att producera bilder av mikroorganismer i fältet.

"Tänk dig att du är marinbiolog, säger Cecile Chazot, en doktorand vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik. "Du måste normalt ta med en stor hink vatten till laboratoriet för att analysera. Om provet är dåligt, du måste gå tillbaka för att samla fler prover. Om du har en handhållen, mörkt fältmikroskop, du kan kontrollera en droppe i din hink medan du är ute på havet, för att se om du kan gå hem eller om du behöver en ny hink. "

Chazot är huvudförfattare till ett papper som beskriver teamets nya design, publicerad i tidningen Nature Photonics . Hennes medförfattare är Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Peter Så, och Mathias Kolle från MIT, tillsammans med Christopher Rowlands vid Imperial College London och Maik Scherer från Papierfabrik Louisenthal GmbH i Tyskland.

För alltid fluorescerande

I en pågående insats, medlemmar i Kolle's lab designar material och enheter som uppvisar långvariga "strukturfärger" som inte är beroende av färgämnen eller pigmentering. Istället, de använder nano- och mikroskala strukturer som reflekterar och sprider ljus ungefär som små prismor eller tvålbubblor. De kan därför se ut att ändra färger beroende på hur deras strukturer är arrangerade eller manipulerade.

Strukturell färg kan ses i de iriserande vingarna hos skalbaggar och fjärilar, fjädrarna av fåglar, samt fiskvågar och några blomblad. Inspirerad av exempel på strukturell färg i naturen, Kolle har undersökt olika sätt att manipulera ljus från ett mikroskopiskt, strukturperspektiv.

Som en del av detta arbete, han och Chazot designade en liten, trelagerat chip som de ursprungligen avsåg att använda som miniatyrlaser. Mittskiktet fungerar som chipets ljuskälla, tillverkad av en polymer infunderad med kvantprickar - små nanopartiklar som avger ljus när de exciteras med fluorescerande ljus. Chazot liknar detta lager med ett glowstick -armband, där reaktionen mellan två kemikalier skapar ljuset; förutom här behövs ingen kemisk reaktion - bara lite blått ljus får kvantprickarna att lysa i ljusa orange och röda färger.

"I glödstift, så småningom slutar dessa kemikalier att avge ljus, "Chazot säger." Men kvantprickarna är stabila. Om du skulle göra ett armband med kvantprickar, de skulle vara fluorescerande under mycket lång tid. "

Över detta ljusgenererande lager, forskarna placerade en Bragg -spegel - en struktur gjord av alternerande nanoskala av transparenta material, med tydligt olika brytningsindex, betyder i vilken grad skikten reflekterar inkommande ljus.

Bragg -spegeln, Kolle säger, fungerar som ett slags "grindvakt" för fotonerna som avges av kvantprickarna. Arrangemanget och tjocklekarna på spegelns lager är sådana att det låter fotoner fly upp och ut ur chipet, men bara om ljuset kommer till spegeln vid höga vinklar. Ljus som kommer i lägre vinklar studsas tillbaka ner i chipet.

Forskarna lade till en tredje funktion under det ljusgenererande lagret för att återvinna fotonerna som ursprungligen avvisades av Bragg-spegeln. Detta tredje lager är gjutet av fast, transparent epoxi belagd med en reflekterande guldfilm och liknar en miniatyräggkista, fylld med små brunnar, var och en mäter cirka 4 mikron i diameter.

Chazot kantade denna yta med ett tunt lager av högreflekterande guld - ett optiskt arrangemang som fungerar för att fånga upp allt ljus som reflekteras tillbaka från Bragg -spegeln, och pingis som lyser upp igen, troligen i en ny vinkel som spegeln skulle släppa igenom. Designen för detta tredje lager inspirerades av den mikroskopiska skalstrukturen i Papilio -fjärilens vingar.

"Fjärilens vingsvågar har riktigt spännande äggkasse-liknande strukturer med ett Bragg-spegelfoder, vilket ger dem sin iriserande färg, "Säger Chazot.

Ett optiskt skift

Forskarna utformade ursprungligen chipet som en rad miniatyrlaserkällor, tänker att dess tre lager skulle kunna arbeta tillsammans för att skapa skräddarsydda laseremissionsmönster.

"Det första projektet var att bygga en sammansättning av individuellt omkopplingsbara kopplade mikroskala laserkaviteter, "säger Kolle, docent i maskinteknik vid MIT. "Men när Cecile gjorde de första ytorna insåg vi att de hade en mycket intressant utsläppsprofil, även utan lasning. "

När Chazot hade tittat på chipet under ett mikroskop, hon märkte något nyfiket:Chippet avgav fotoner endast vid höga vinklar och bildade en ihålig ljuskon. Visar sig, Bragg -spegeln hade precis lagertjocklekarna för att bara låta fotoner passera genom när de kom till spegeln med en viss (hög) vinkel.

"En gång såg vi denna ihåliga ljuskotte, vi undrade:'Kan den här enheten vara användbar för något?' "säger Chazot." Och svaret var:Ja! "

Som det visar sig, de hade införlivat möjligheterna med flera dyra, skrymmande mörkfältmikroskopkomponenter till ett enda litet chip.

Chazot och hennes kollegor använde väletablerade teoretiska optiska koncept för att modellera chipets optiska egenskaper för att optimera dess prestanda för denna nyfunna uppgift. De tillverkade flera marker, var och en producerar en ihålig ljuskon med en skräddarsydd vinkelprofil.

"Oavsett mikroskopet du använder, bland alla dessa små chips, en kommer att arbeta med ditt mål, "Säger Chazot.

För att testa chipsen, teamet samlade in prover av havsvatten samt icke -patogena stammar av bakterierna E. coli, och placerade varje prov på ett chip som de satte på plattformen för ett vanligt ljusfältmikroskop. Med denna enkla installation, de kunde producera tydliga och detaljerade mörkerfältbilder av enskilda bakterieceller, liksom mikroorganismer i havsvatten, som var nära osynliga under ljusfältbelysning.

Kolle säger att dessa mörka fältbelysningschips inom en snar framtid skulle kunna massproduceras och skräddarsys för även enkla, mikroskop av gymnasiet, för att möjliggöra avbildning av lågkontrast, genomskinliga biologiska prover. I kombination med annat arbete i Kolle's lab, chipsen kan också införlivas i miniatyriserade bildfältanordningar för mörkerfält för diagnostik vid vård och bioanalytiska tillämpningar.

"Om vi ​​kan lägga ut en del av ljushanteringen till en yta som du kan slå som provsubstrat på ett mikroskop, det gör mörka fältavbildning till ett intressant tillgängligt alternativ i en hel del bildscenarier, Säger Kolle.