Schema dell'imaging limitato dalla subdiffrazione di un campione di farfalla utilizzando superlenti di glicerolo stampate in situ. I campioni Morpho menelaus menelaus (M. m. menelaus) e Agrias beatifica beatifica (A. b. beata) sono stati posti in piano su un vetrino pulito per la stampa. Le immagini microscopiche mostrano la disposizione in scala dell'ala ventrale di M. m. menelao (in basso a sinistra) e la matrice di superlenti stampata sulle scaglie delle ali (al centro). Le superlenti mostravano una geometria sferica sulle scaglie delle ali. L'immagine laterale (in alto a destra) è stata acquisita utilizzando il microscopio invertito (Nikon, Legare). Le statistiche dimensionali includono i dati di 13 lenti misurate in base alle loro immagini laterali. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Le nanostrutture e i modelli naturali hanno a lungo affascinato i ricercatori nell'ingegneria dei materiali bioispirati. I campioni biologici possono essere ripresi e osservati su scala nanometrica utilizzando sofisticati strumenti analitici nella scienza dei materiali, compresa la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Mentre i metodi di imaging contribuiscono alla comprensione delle strutture rivelando le proprietà dei materiali per la sintesi dei materiali biomimetici, spesso lo hanno fatto con la perdita delle proprietà fotoniche inerenti ai materiali.
In un nuovo metodo, gli scienziati dei materiali Boliang Jia e colleghi dei dipartimenti di ingegneria meccanica e robotica hanno presentato una superlente biocompatibile stampabile posizionata direttamente su oggetti di interesse per osservare caratteristiche limitate dalla subdiffrazione (risoluzione oltre il limite di diffrazione). Hanno quindi osservato le caratteristiche naturali utilizzando un microscopio ottico per dimostrare l'imaging su nanoscala delle ali delle farfalle a colori. Lo studio ha consentito l'imaging a super-risoluzione e un campo visivo (FOV) più ampio rispetto ai precedenti sistemi ottici basati su microsfere dielettriche di microscopia a super-risoluzione.
Il nuovo approccio ha creato un percorso veloce e flessibile per osservare i colori diretti delle caratteristiche biologiche su scala nanometrica nell'intervallo visibile. I risultati sono ora pubblicati in Microsistemi e Nanoingegneria , dove il lavoro ha permesso misurazioni ottiche alla scala limitata alla subdiffrazione. Una superlente si basa su un materiale ottico con un indice di rifrazione negativo (metamateriali ottici) che potrebbe invertire sperimentalmente quasi tutti i fenomeni ottici conosciuti. tecnicamente, una sottile pellicola a indice negativo può fungere da "superlente" per fornire dettagli dell'immagine con una risoluzione oltre il limite di diffrazione a cui sono soggette tutte le lenti a indice positivo.
Superlenti di glicerolo stampa in situ per l'imaging su nanoscala di ali di farfalla. a) Illustrazione del processo di stampa e vista microscopica della matrice di superlenti formata sulle squame delle ali. b) Immagine concettuale dell'osservazione diretta su nanoscala delle squame delle ali di farfalla tramite superlenti, e l'immagine ingrandita ottenuta attraverso la superlente indicante una risoluzione di caratteristiche con dimensioni inferiori a 1 µm sulla scala dell'ala. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Nello studio, Jia et al. ha ideato un metodo per stampare il glicerolo (liquido trasparente) sulle ali delle farfalle e osservare le strutture delle ali su scala nanometrica finora inosservate tramite microscopi ottici convenzionali. Il lavoro aprirà la strada a superlenti liquide avanzate abbinate a metodi veloci e flessibili nell'ottica. I risultati aiuteranno l'ispezione nanostrutturale tramite biofotonica in campioni biologici e non biologici.
Le ali di farfalla di Morpho cypris furono osservate per la prima volta tramite SEM ad alta risoluzione nel 1942, che ha portato alla scoperta di strutture dettagliate al di sotto del limite di diffrazione utilizzando strumenti sofisticati. Da allora, Le farfalle morfo sono state oggetto di interesse nella ricerca sui materiali bioispirati a causa del loro colore iridescente e delle proprietà fotoniche distinte. Per decenni, le proprietà dell'interferenza luminosa derivanti dalle loro brillanti nanostrutture hanno suscitato grande interesse nella ricerca sulla nanofotonica e sui materiali biomimetici. Però, osservazioni ottiche dirette della struttura limitata dalla subdiffrazione delle ali su scala nanometrica restano ancora da riportare.
(1) Caratterizzazione di superlenti di glicerolo stampate con diverso numero di gocce/lente. a–e) Immagini laterali di lenti in glicerolo con 1, 5, 10, 30, e 60 gocce/lente su un wafer di silicio pulito. f) La forma d'onda del getto usata nell'esperimento. g) Grafici dell'altezza della lente (croce blu), diametro (stella arancione), e rapporto H/D (cerchio nero) rispetto al numero di gocce/obiettivo. h) Un array di superlenti di glicerolo stampato su chip (50 vol%, 50 gocce/obiettivo) osservati tramite un obiettivo 4× (NA 0,10) con un angolo di campo di 45° utilizzando una Nikon, Microscopio Ti-E (a sinistra). La tabella (a destra) mostra le statistiche delle dimensioni. Barra della scala:a–e 20 µm, h 100µm. (2) Configurazioni del setup sperimentale a) Schema del sistema di imaging basato sulla piattaforma Nikon Ni-E senza l'uso di un superobiettivo. I componenti principali includono una telecamera sCOMS Andor Zlya 5.5 con un tavolino di messa a fuoco motorizzato (Z), un illuminatore a fibra di mercurio Intensilight (C-LHGFIE), un cubo filtro, un obiettivo, e un tavolino portacampione motorizzato (XY). b) La configurazione con una microsfera BTG (in alto) e le immagini ottiche di due microsfere BTG, BTG-A (al centro) e BTG-B (in basso), montato su una microsonda (diametro punta 5 μm) con adesivo NOA63 (Norland). c) La configurazione con una superlente di glicerolo stampata (in alto) e le immagini ottiche di due lenti stampate nella posizione I (al centro) e nella posizione II (in basso) dei campioni della CPU. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Le microsfere ad alto indice di rifrazione in mezzi acquosi hanno suscitato grande interesse negli ultimi anni per l'osservazione di campioni biologici immersi in liquidi come le cellule biologiche in vivo. Ancora, il metodo non è favorevole per campioni ad alto indice di rifrazione in condizioni asciutte. Nel presente lavoro, Jia et al. ha presentato una superlente di glicerolo biocompatibile (SL) stampata in situ con una risoluzione più elevata e un FOV più ampio rispetto alle microsfere di vetro titanato di bario (BTG) in condizioni asciutte. Gli scienziati hanno scelto il glicerolo poiché è un liquido trasparente con un indice di rifrazione relativamente alto che è in grado di formare goccioline stampabili in un'ampia gamma di dimensioni.
Come caratteristica importante, il glicerolo contiene forti interazioni intermolecolari ed è quindi altamente resistente all'evaporazione. Sebbene le microgoccioline d'acqua in genere evaporino quasi istantaneamente, a confronto, il glicerolo stampato come goccioline con un volume del 50 percento potrebbe esistere almeno per un giorno su substrati senza significativi cambiamenti di dimensione. Jia et al. quindi superlenti di glicerolo stampate direttamente su un'ala di farfalla Morpho utilizzando una macchina da stampa a getto d'inchiostro. Successivamente, hanno caratterizzato le immagini di glicerolo utilizzando un circuito integrato (IC) di unità di elaborazione centrale (CPU). Gli scienziati hanno osservato nanobiostrutture che vanno da 50 nm a 200 nm in scala. Nel lavoro, gli scienziati hanno regolato la viscosità della soluzione di glicerolo tramite test di diluizione con acqua MiliQ per selezionare una concentrazione ottimale del 50 percento in volume (50 % in volume) per la stampa.
Immagini acquisite sperimentalmente nella posizione I sul campione della CPU. a–d) Immagini ottiche acquisite tramite BTG-A (a), BTG-B (b), Gly-I (c), e senza superlente (d). L'obiettivo utilizzato era 100× (NA 0,90). I campi di vista stimati (FOV) in a, B, e c sono 4.7, 2.9, e 7.5 μm di diametro, rispettivamente. e) L'immagine SEM sulla stessa area. f–j) Immagini ingrandite su un'area approssimativa di 3,9 μm × 2,7 μm dal centro di a–e, rispettivamente. Le frecce gialle indicano un motivo a forma di "H" di circa 120 nm di larghezza. k–o) Immagini filtrate in banda passante di f–j, rispettivamente. La barra della scala in f–o:500 nm. p) Profili delle linee rosse in k–o con intensità normalizzata. I profili di linea a 1700 nm sono allineati con le caratteristiche nell'immagine SEM sopra. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
In ottica, le lenti ad immersione solida (SIL) possono migliorare la risoluzione ottica aumentando l'effettiva apertura numerica (NA) del mezzo di imaging. La lente a goccia è considerata una versione liquida di SIL con una superficie impeccabile. Gli scienziati hanno prima caratterizzato le superlenti di glicerolo stampate nello studio utilizzando un numero diverso di gocce per lente su un wafer di silicio pulito prima della somministrazione su ali di farfalla. Hanno selezionato il numero ideale di gocce per lente dopo alcune prove; i diametri risultanti delle lenti in glicerolo erano paragonabili alle microsfere BTG. Successivamente, hanno confrontato le configurazioni del setup sperimentale per le microsfere BTG e le superlenti di glicerolo. Il lavoro ha mostrato che le grandi microsfere BTG fornivano un ampio FOV, mentre una risoluzione maggiore è stata ottenuta con microsfere BTG più piccole.
Quando gli scienziati hanno confrontato le immagini ottenute con le superlenti di glicerolo e quelle ottenute utilizzando BTG, i risultati sono significativamente migliorati nell'uniformità per le immagini ottenute utilizzando le superlenti al glicerolo, insieme a caratteristiche nanometriche più nitide. Ciò implicava che le superlenti di glicerolo stampate offrissero una capacità di risoluzione superiore rispetto alle microsfere BTG di dimensioni uguali e inferiori nell'aria.
(1) Confronto di immagini del M. m. squame dell'ala ventrale del menelao. Le immagini a colori a e f sono state scattate dall'oculare utilizzando una fotocamera iPhone 7 Plus. Le immagini in scala di grigi b–d e g–i sono state scattate con una fotocamera sCMOS Andor Zyla5.5. Le immagini e e j sono state scattate da SEM; a–e sono immagini di scale del suolo; f–j sono immagini di scale di copertura; e c e h sono le immagini ingrandite delle aree del quadrato rosso in b e g, rispettivamente. Le parentesi gialle indicano una delle punte delle lamelle sulle creste. Tutte le immagini ottiche sono state scattate con un obiettivo 100× (NA 0,90). (2) Analisi con immagini a colori di strutture limitate dalla sub-diffrazione. Scale a terra di M. m. menelao. a-d) sono state scattate dall'oculare utilizzando una fotocamera iPhone 7 Plus senza e tramite la super lente in glicerolo. I profili delle linee sulle linee tratteggiate rosse in a–e sono mostrati in f e g. Le creste contrassegnate da frecce gialle sono state ingrandite e sono mostrate in basso a destra. I rettangoli gialli invertiti segnano le punte delle lamelle identificate lungo ciascuna sezione ingrandita delle creste. Per le creste Ra e Rc riprese senza la superlente, non si potevano distinguere punte lamellari. Le etichette “La–e” corrispondono ai profili di linea, e le etichette “Ra–e” corrispondono alle creste allargate. Barra della scala:2 μm. microscopia ottica OM, Superlenti SL, Microscopia elettronica a scansione SEM. Credito:Microsistemi e nanoingegneria, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Nel loro lavoro, Jia et al. osservato due tipi di farfalle:Morpho Menelaus e Agrias beatifica beatifica. Gli scienziati hanno stampato 60 gocce di glicerolo (o lenti) sui campioni di farfalle per ottenere lenti sferiche di circa 95 µm di diametro. Hanno osservato le caratteristiche della scala delle ali tramite un sistema di microscopio verticale. Gli scienziati sono stati in grado di catturare le squame delle ali ventrali delle farfalle, dove la specie Morpho mostrava due tipi di squame alari; scale di terra e di copertura.
Rispetto a SEM, le superlenti di glicerolo non sono state in grado di risolvere completamente strutture complete, ma mostravano l'esistenza di sottostrutture tra le creste delle ali delle farfalle. Per esempio, Jia et al. hanno mostrato che le superlenti di glicerolo in situ potrebbero estendere il limite per le strutture su scala nanometrica nei campioni biologici fino a una larghezza di circa 200 nm. Ulteriori esperimenti hanno mostrato la capacità di creare nanobiostrutture limitate dalla subdiffrazione dell'immagine a colori utilizzando le superlenti.
Il nuovo metodo offre una soluzione conveniente, tecnica di imaging veloce e ad alta risoluzione per visualizzare nanobiostrutture limitate dalla subdiffrazione in situ. Il lavoro apre la strada a liquidi immiscibili con l'acqua con indici di rifrazione elevati per stampare superlenti liquide per applicazioni di imaging a base di immersione in acqua. I liquidi biocompatibili come l'olio di silicone possono essere esplorati come superlenti sott'acqua tramite la stampa a getto d'inchiostro a basso costo. Gli scienziati dei materiali continuano a lavorare alla progettazione di superlenti liquide avanzate nella nanobiofotonica. Lo schema introdotto da Jia et al. fornisce una strategia veloce e facile da implementare per osservare le nanobiostrutture in campioni biologici e non biologici.
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