Простой чип с квантовыми точками позволяет стандартным микроскопам визуализировать трудноотображаемые биологические организмы.
Микроскопия в темном поле может выявить мелкие детали полупрозрачных клеток и водных организмов, а также ограненных алмазов и других драгоценных камней, которые в противном случае выглядели бы незаметными в типичном микроскопе.
Ученые получают темнопольные изображения, устанавливая на стандартные микроскопы дорогостоящие компоненты, чтобы осветить образец сильно наклоненным конусом света. Когда полупрозрачный образец помещают под темнопольный микроскоп, конус света подсвечивает его особенности, создавая контрастное изображение.
Недавно инженеры Массачусетского технологического института разработали небольшой зеркальный чип, который помогает создавать темнопольные изображения без необходимости в дорогих компонентах. Чип немного больше почтовой марки и тонкий, как кредитная карта. При размещении на сцене микроскопа чип излучает конус света, который можно использовать для создания подробных темных изображений водорослей, бактерий и аналогичных полупрозрачных крошечных объектов.
Новый оптический чип можно добавить в стандартные микроскопы в качестве доступной альтернативы обычным темнопольным компонентам. Чип также может быть установлен в ручные микроскопы для получения изображений микроорганизмов в полевых условиях.
Сесиль Шазот, аспирант кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, является ведущим автором статьи, в которой подробно описывается новая разработка. Ее соавторами являются Сара Нагельберг, Игорь Коропчану, Курт Бродерик, Юньо Ким, Мунги Бавенди, Питер Со и Матиас Колле из Массачусетского технологического института, а также Кристофер Роулэндс из Имперского колледжа Лондона и Майк Шерер из Papierfabrik Louisenthal GmbH в Германии.
Вечная флуоресценция
Сотрудники лаборатории Колле разрабатывают материалы и устройства, которые демонстрируют долговечные «структурные цвета», которые не зависят от красителей или пигментации. Вместо этого они используют нано- и микроструктуры, которые отражают и рассеивают свет, как крошечные призмы или мыльные пузыри. Следовательно, они могут менять цвета в зависимости от того, как их структуры расположены или повернуты.
Структурный цвет можно увидеть в радужных крыльях жуков и бабочек, перьях птиц, а также в чешуе рыбы и некоторых цветочных лепестках. Вдохновленный примерами структурного цвета в природе, Колле исследовал различные способы манипулирования светом с микроскопической, структурной точки зрения.
В рамках этих усилий Колле и Чазот разработали небольшой трехслойный чип, который они изначально собирались использовать в качестве миниатюрного лазера. Средний слой функционирует как источник света чипа, сделанный из полимера, пронизанного квантовыми точками - крошечными наночастицами, которые излучают свет при возбуждении флуоресцентным светом. Чазот сравнивает этот слой со светящейся палочкой, где реакция двух химических веществ создает свет; за исключением того, что здесь не нужна химическая реакция - только немного синего света заставит квантовые точки сиять в ярко-оранжевых и красных тонах.
«В светящихся палочках в конечном итоге эти химические вещества перестают излучать свет», - говорит Чазот, «Но квантовые точки стабильны. Если бы вы сделали браслет с квантовыми точками, он бы светился очень долго».
Поверх этого светогенерирующего слоя исследователи поместили зеркало Брэгга - структуру, состоящую из чередующихся нанослоев прозрачных материалов, с отчетливо отличающимися показателями преломления, то есть степенью, в которой слои отражают поступающий свет.
Колле говорит, что зеркало Брэгга действует как «привратник» для фотонов, излучаемых квантовыми точками. Расположение и толщина слоев зеркала таковы, что он позволяет фотонам входить и выходить из кристалла, но только если свет попадает на зеркало под большими углами. Свет, попадающий под более низкими углами, отражается обратно в чип.
Исследователи добавили третью функцию под светоизлучающим слоем для рециркуляции фотонов, первоначально отклоненных брэгговским зеркалом. Этот третий слой отлит из твердой прозрачной эпоксидной смолы, покрытой отражающей золотой пленкой. Дизайн этого третьего слоя изготовлен под вдохновением микроскопической структурой крыльев бабочки Papilio.
Оптический сдвиг
Первоначально исследователи разработали чип как массив миниатюрных лазерных источников, полагая, что его три слоя могут работать вместе для создания индивидуальных схем лазерного излучения.
«Первоначальный проект заключался в создании сборки из индивидуально переключаемых связанных микромасштабных полостей генерации», - говорит Колле, доцент кафедры машиностроения в МТИ. «Но, когда Сесиль сделала первые образцы, мы поняли, что они имеют очень интересный профиль излучения, даже без генерации».
Когда Чазот посмотрела на чип под микроскопом, она заметила нечто любопытное: чип излучал фотоны только под большими углами, образуя полый конус света. «Как только мы увидели этот полый конус света, мы подумали: «Может ли это устройство быть полезным?», - говорит Чазот. «И ответ был: да!»
Оказывается, они объединили возможности нескольких дорогих громоздких компонентов для темнопольной микроскопии в один маленький чип.
Чазот и ее коллеги использовали хорошо разработанные теоретические оптические концепции для моделирования оптических свойств чипа, чтобы оптимизировать его производительность для этой задачи. Они изготовили несколько чипов, каждый из которых создавал полый конус света с индивидуальным угловым профилем.
«Независимо от того, какой микроскоп вы используете, среди всех этих крошечных чипов один точно будет работать с вашей целью», - говорит Чазот.
Чтобы проверить чипы, команда собрала образцы морской воды, а также непатогенных штаммов бактерий, и поместила каждый образец на чип, который они установили на платформе стандартного микроскопа с ярким полем. С этой простой установкой они смогли получить четкие и детальные изображения в темном поле отдельных бактериальных клеток, а также микроорганизмов в морской воде, которые были почти невидимы при освещении в ярких полях.
В ближайшем будущем эти светочувствительные чипы в темном поле могут быть произведены серийно и адаптированы даже для простых микроскопов старшей школы, что позволит получать низкоконтрастные полупрозрачные биологические образцы. В сочетании с другими работами лаборатории Колле чипы также могут быть встроены в миниатюрные устройства формирования темнопольных изображений для диагностики в местах оказания медицинской помощи и биоаналитических приложений в полевых условиях.