Fai una ricerca su Google per immagini in campo scuro, e scoprirai un mondo meravigliosamente dettagliato di organismi microscopici in contrasto luminoso con i loro fondali neri come la mezzanotte. La microscopia in campo oscuro può rivelare dettagli intricati di cellule traslucide e organismi acquatici, così come diamanti sfaccettati e altre pietre preziose che altrimenti apparirebbero molto deboli o addirittura invisibili ad un tipico microscopio a campo chiaro.

Gli scienziati generano immagini in campo scuro adattando microscopi standard a componenti spesso costosi per illuminare il tavolino del campione con una cavità, cono di luce molto angolato. Quando un campione traslucido viene posto sotto un microscopio a campo oscuro, il cono di luce disperde le caratteristiche del campione per creare un'immagine del campione sulla fotocamera del microscopio, in netto contrasto con lo sfondo scuro.

Ora, ingegneri del MIT hanno sviluppato un piccolo, chip specchiato che aiuta a produrre immagini in campo scuro, senza componenti costosi dedicati. Il chip è leggermente più grande di un francobollo e sottile come una carta di credito. Quando viene posizionato sul tavolino di un microscopio, il chip emette un cono cavo di luce che può essere utilizzato per generare immagini dettagliate di alghe in campo scuro, batteri, e piccoli oggetti altrettanto traslucidi.

Il nuovo chip ottico può essere aggiunto ai microscopi standard come un conveniente, alternativa ridimensionata ai tradizionali componenti a campo oscuro. Il chip può anche essere inserito in microscopi portatili per produrre immagini di microrganismi sul campo.

"Immagina di essere un biologo marino, "dice Cecile Chazot, uno studente laureato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT. "Normalmente devi portare un grande secchio d'acqua in laboratorio per analizzare. Se il campione è cattivo, devi tornare indietro per raccogliere altri campioni. Se hai un palmare, microscopio a campo oscuro, puoi controllare una goccia nel tuo secchio mentre sei in mare, per vedere se puoi andare a casa o se hai bisogno di un nuovo secchio."

Chazot è l'autore principale di un articolo che descrive in dettaglio il nuovo design del team, pubblicato sulla rivista Fotonica della natura . I suoi coautori sono Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Pietro Così, e Mathias Kolle del MIT, insieme a Christopher Rowlands dell'Imperial College di Londra e Maik Scherer di Papierfabrik Louisenthal GmbH in Germania.

Per sempre fluorescente

In uno sforzo continuo, i membri del laboratorio di Kolle stanno progettando materiali e dispositivi che mostrano "colori strutturali" di lunga durata che non si basano su coloranti o pigmentazione. Anziché, impiegano strutture su nano e microscala che riflettono e diffondono la luce in modo molto simile a minuscoli prismi o bolle di sapone. Possono quindi sembrare che cambino colore a seconda di come le loro strutture sono disposte o manipolate.

Il colore strutturale può essere visto nelle ali iridescenti di coleotteri e farfalle, le piume degli uccelli, così come squame di pesce e alcuni petali di fiori. Ispirato da esempi di colore strutturale in natura, Kolle ha studiato vari modi per manipolare la luce da un microscopio, prospettiva strutturale.

Come parte di questo sforzo, lui e Chazot hanno disegnato un piccolo, chip a tre strati che originariamente intendevano utilizzare come laser in miniatura. Lo strato intermedio funziona come fonte di luce del chip, realizzato con un polimero infuso con punti quantici, minuscole nanoparticelle che emettono luce quando eccitate con luce fluorescente. Chazot paragona questo strato a un braccialetto glowstick, dove la reazione di due sostanze chimiche crea la luce; tranne che qui non è necessaria alcuna reazione chimica:solo un po' di luce blu farà brillare i punti quantici nei colori arancioni e rossi brillanti.

"Nei bastoncini luminosi, alla fine queste sostanze chimiche smettono di emettere luce, " Chazot dice. "Ma i punti quantici sono stabili. Se dovessi realizzare un braccialetto con punti quantici, rimarrebbero fluorescenti per molto tempo."

Su questo strato generatore di luce, i ricercatori hanno posizionato uno specchio di Bragg, una struttura composta da strati alternati su nanoscala di materiali trasparenti, con indici di rifrazione nettamente diversi, ovvero i gradi in cui gli strati riflettono la luce in entrata.

Lo specchio di Bragg, Kolle dice, agisce come una sorta di "guardiano" per i fotoni emessi dai punti quantici. La disposizione e gli spessori degli strati dello specchio sono tali da consentire ai fotoni di fuoriuscire e fuoriuscire dal chip, ma solo se la luce arriva allo specchio ad angoli elevati. La luce che arriva ad angoli inferiori viene rimandata indietro nel chip.

I ricercatori hanno aggiunto una terza funzione sotto lo strato di generazione della luce per riciclare i fotoni inizialmente rifiutati dallo specchio di Bragg. Questo terzo strato è modellato dal solido, epossidico trasparente rivestito con una pellicola dorata riflettente e ricorda una cassa di uova in miniatura, bucato con piccoli pozzi, ciascuna misura circa 4 micron di diametro.

Chazot ha rivestito questa superficie con un sottile strato di oro altamente riflettente, una disposizione ottica che agisce per catturare qualsiasi luce che si riflette dallo specchio di Bragg, e ping-pong che si riaccendono, probabilmente con una nuova angolazione che lo specchio avrebbe lasciato passare. Il design di questo terzo strato è stato ispirato dalla struttura a scala microscopica nelle ali della farfalla Papilio.

"Le squame delle ali della farfalla presentano strutture a forma di gabbia per uova davvero intriganti con un rivestimento dello specchio Bragg, che dà loro il loro colore cangiante, " dice Chazot.

Uno spostamento ottico

I ricercatori hanno originariamente progettato il chip come una serie di sorgenti laser in miniatura, pensando che i suoi tre strati potessero lavorare insieme per creare modelli di emissione laser su misura.

"Il progetto iniziale era quello di costruire un insieme di cavità laser su microscala accoppiate commutabili individualmente, "dice Kolle, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Ma quando Cecile ha realizzato le prime superfici ci siamo resi conto che avevano un profilo di emissione molto interessante, anche senza il laser."

Quando Chazot aveva guardato il chip al microscopio, notò qualcosa di curioso:il chip emetteva fotoni solo ad angoli elevati formando un cono cavo di luce. si scopre, lo specchio di Bragg aveva gli spessori di strato giusti per far passare solo i fotoni quando arrivavano allo specchio con un certo angolo (alto).

"Una volta che abbiamo visto questo cavo cono di luce, ci siamo chiesti:'Questo dispositivo potrebbe essere utile per qualcosa?'", dice Chazot. "E la risposta è stata:sì!"

Come risulta, avevano incorporato le capacità di più costosi, ingombranti componenti del microscopio a campo oscuro in un unico piccolo chip.

Chazot e i suoi colleghi hanno utilizzato concetti ottici teorici consolidati per modellare le proprietà ottiche del chip per ottimizzarne le prestazioni per questo compito appena scoperto. Hanno fabbricato più chip, ciascuno producendo un cono cavo di luce con un profilo angolare su misura.

"Indipendentemente dal microscopio che stai usando, tra tutte queste piccole schegge, uno lavorerà con il tuo obiettivo, " dice Chazot.

Per testare i chip, il team ha raccolto campioni di acqua di mare e ceppi non patogeni dei batteri E. coli, e hanno posizionato ciascun campione su un chip che hanno posizionato sulla piattaforma di un microscopio a campo chiaro standard. Con questa semplice configurazione, sono stati in grado di produrre immagini in campo scuro chiare e dettagliate di singole cellule batteriche, così come i microrganismi nell'acqua di mare, che erano quasi invisibili sotto l'illuminazione in campo chiaro.

Kolle afferma che nel prossimo futuro questi chip per l'illuminazione del campo oscuro potrebbero essere prodotti in serie e adattati anche per semplici, microscopi per le scuole superiori, per consentire l'imaging di basso contrasto, campioni biologici traslucidi. In combinazione con altri lavori nel laboratorio di Kolle, i chip possono anche essere incorporati in dispositivi di imaging in campo oscuro miniaturizzati per la diagnostica point-of-care e le applicazioni bioanalitiche.

"Se possiamo esternalizzare parte della gestione della luce su una superficie che puoi applicare come substrato del campione su un microscopio, rende l'imaging in campo oscuro un'opzione intrigantemente accessibile in moltissimi scenari di imaging, " dice Kolle.