在Google上搜索暗場(chǎng)圖像，您會(huì)發(fā)現(xiàn)美麗的微觀生物世界，與它們的午夜黑色背景形成鮮明對(duì)比。暗視野顯微鏡可以揭示半透明細(xì)胞和水生生物的復(fù)雜細(xì)節(jié)，以及多面鉆石和其他寶石，否則它們?cè)诘湫偷拿髁烈曇帮@微鏡下會(huì)顯得微弱甚至看不見(jiàn)。

科學(xué)家通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡與通常昂貴的部件裝配在一起，以用空心的，高角度的圓錐形照明樣品臺(tái)，從而產(chǎn)生暗場(chǎng)圖像。將半透明的樣品放在暗視野顯微鏡下時(shí)，光錐會(huì)散射樣品的特征，從而在顯微鏡的相機(jī)上創(chuàng)建樣品的圖像，與深色背景形成鮮明的對(duì)比。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種小型的鏡像芯片，無(wú)需專用的昂貴組件即可幫助產(chǎn)生暗場(chǎng)圖像。該芯片比郵票略大，并且像信用卡一樣薄。當(dāng)放置在顯微鏡的載物臺(tái)上時(shí)，芯片會(huì)發(fā)出空心的圓錐形光，可用于生成藻類，細(xì)菌和類似半透明的微小物體的詳細(xì)暗場(chǎng)圖像。

可以將新的光學(xué)芯片添加到標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡中，作為傳統(tǒng)暗場(chǎng)組件的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的小型替代產(chǎn)品。該芯片也可以安裝在手持式顯微鏡中，以產(chǎn)生野外微生物的圖像。

麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系的研究生塞西爾·查佐特(Cecile Chazot)說(shuō)：“想象一下你是海洋生物學(xué)家。” “通常，您必須將一大桶水帶入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。如果樣品不好，則必須返回以收集更多樣品。如果您擁有手持式暗場(chǎng)顯微鏡，則可以檢查在海上旅行時(shí)可以放下水桶，看看是否可以回家或是否需要新的水桶。”

Chazot是一篇詳細(xì)介紹團(tuán)隊(duì)新設(shè)計(jì)的論文的主要作者，該論文發(fā)表在《自然光子學(xué)》雜志上。她的共同作者是麻省理工學(xué)院的Sara Nagelberg，Igor Coropceanu，Kurt Broderick，Yunjo Kim，Moungi Bawendi，Peter So和Mathias Kolle，以及倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的Christopher Rowlands和德國(guó)Papierfabrik Louisenthal GmbH的Maik Scherer。

永遠(yuǎn)的熒光

在不斷的努力中，Kolle實(shí)驗(yàn)室的成員正在設(shè)計(jì)具有持久性“結(jié)構(gòu)色”的材料和設(shè)備，這些顏色不依賴染料或色素沉著。取而代之的是，它們采用納米和微米級(jí)的結(jié)構(gòu)，它們反射和散射的光非常類似于小棱鏡或肥皂泡。因此，它們的外觀可能會(huì)改變，這取決于其結(jié)構(gòu)的排列或操作方式。

在甲蟲和蝴蝶的虹彩翅膀，鳥類的羽毛，魚鱗和一些花瓣中可以看到結(jié)構(gòu)顏色。受自然界中結(jié)構(gòu)色彩示例的啟發(fā)，Kolle一直在研究從微觀結(jié)構(gòu)角度處理光的各種方法。

作為這項(xiàng)工作的一部分，他和Chazot設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的三層芯片，最初打算用作微型激光器。中間層用作芯片的光源，由注入量子點(diǎn)的聚合物制成，這種微小的納米顆粒在受到熒光激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)光。Chazot將這一層比作熒光棒手鐲，兩種化學(xué)物質(zhì)的反應(yīng)在此發(fā)光。除了這里不需要化學(xué)反應(yīng)外，只需一點(diǎn)藍(lán)光就能使量子點(diǎn)發(fā)出明亮的橙色和紅色。

查索特說(shuō)：“在熒光棒中，這些化學(xué)物質(zhì)最終會(huì)停止發(fā)光。” “但是量子點(diǎn)是穩(wěn)定的。如果要用量子點(diǎn)制造手鐲，它們會(huì)發(fā)出很長(zhǎng)的熒光。”

研究人員在該光產(chǎn)生層上放置了布拉格反射鏡，該反射鏡是由交替的納米級(jí)透明材料層制成的，其折射率明顯不同，這意味著這些層反射入射光的程度。

科勒說(shuō)，布拉格鏡對(duì)量子點(diǎn)發(fā)出的光子起著一種“守門人”的作用。反射鏡層的排列和厚度使得光子可以向上逸出芯片，但前提是光必須以高角度到達(dá)反射鏡。以較小角度入射的光被反射回芯片。

研究人員在光產(chǎn)生層下面增加了第三個(gè)特征，以回收最初被布拉格鏡拒絕的光子。第三層由固體透明環(huán)氧樹脂模制而成，該環(huán)氧樹脂涂有反射性金膜，類似于微型蛋箱，p有小孔，每個(gè)孔的直徑約為4微米。

Chazot在該表面上襯著一層薄薄的高反射性金-一種光學(xué)裝置，可以捕獲從布拉格反射鏡反射回來(lái)的所有光，然后將其反射回去，并以新的角度反射通過(guò)。第三層的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自Papilio蝴蝶翅膀上的微觀尺度結(jié)構(gòu)。

查索特說(shuō)：“蝴蝶的翅膀鱗片具有真正令人著迷的蛋箱狀結(jié)構(gòu)，并帶有布拉格鏡襯里，使其具有虹彩色彩。”

光學(xué)位移

研究人員最初將芯片設(shè)計(jì)為微型激光源陣列，認(rèn)為該芯片的三層可以協(xié)同工作以創(chuàng)建定制的激光發(fā)射圖案。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授科勒說(shuō)：“最初的項(xiàng)目是建立一個(gè)可單獨(dú)切換的耦合微型激光腔的組件。” “但是當(dāng)塞西爾制造出第一批表面時(shí)，我們意識(shí)到即使沒(méi)有激光發(fā)射，它們也具有非常有趣的發(fā)射輪廓。”

當(dāng)查索特在顯微鏡下觀察芯片時(shí)，她發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇怪的現(xiàn)象：芯片僅以高角度發(fā)射光子，形成空心的光錐。事實(shí)證明，布拉格反射鏡的層厚度恰到好處，只有當(dāng)光子以一定(高)角度到達(dá)反射鏡時(shí)，才讓光子通過(guò)。

查索特說(shuō)：“一旦我們看到了空心的錐形光，我們就會(huì)想：'這個(gè)裝置對(duì)某些東西有用嗎?'。“答案是：是的!”

事實(shí)證明，他們已經(jīng)將多個(gè)昂貴的笨重的暗場(chǎng)顯微鏡組件的功能整合到一個(gè)小芯片中。

Chazot和她的同事使用了公認(rèn)的理論光學(xué)概念來(lái)對(duì)芯片的光學(xué)特性進(jìn)行建模，以優(yōu)化此新發(fā)現(xiàn)任務(wù)的性能。他們制造了多個(gè)芯片，每個(gè)芯片產(chǎn)生帶有定制角度輪廓的空心圓錐體。

查索特說(shuō)：“不管使用哪種顯微鏡，在所有這些微小的小芯片中，一個(gè)都能與您的物鏡一起工作。”

為了測(cè)試芯片，該團(tuán)隊(duì)收集了海水樣本以及大腸桿菌的非致病性菌株，并將每個(gè)樣本放在芯片上，并將其放置在標(biāo)準(zhǔn)明場(chǎng)顯微鏡的平臺(tái)上。通過(guò)這種簡(jiǎn)單的設(shè)置，他們能夠生成單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞以及海水中微生物的清晰詳細(xì)的暗場(chǎng)圖像，這些圖像在明場(chǎng)照明下幾乎是不可見(jiàn)的。

Kolle說(shuō)，在不久的將來(lái)，這些暗場(chǎng)照明芯片可以批量生產(chǎn)，甚至可以為簡(jiǎn)單的高中級(jí)顯微鏡量身定制，以實(shí)現(xiàn)低對(duì)比度，半透明的生物樣品的成像。結(jié)合Kolle實(shí)驗(yàn)室中的其他工作，這些芯片也可以集成到微型暗場(chǎng)成像設(shè)備中，以進(jìn)行即時(shí)診斷和生物分析應(yīng)用。

Kolle說(shuō)：“如果我們可以將某些光管理外包給您可以將其作為樣品基底拍打到顯微鏡上的表面，那么它將使暗場(chǎng)成像成為在許多成像場(chǎng)景中引人入勝的選擇。”