镜像芯片可以使手持暗场显微镜成为可能

用谷歌搜索暗场图像，你会发现一个由微生物组成的美丽而细致的世界。暗视野显微镜可以显示半透明细胞和水生生物的复杂细节，以及多面钻石和其他宝石，否则在典型的亮视野显微镜下会显得非常暗淡甚至看不见。

科学家们通过在标准显微镜上安装通常昂贵的组件，用一个中空的、高度倾斜的光锥来照亮样品台，从而生成暗场图像。当一个半透明的样品被置于暗场显微镜下时，光锥会分散样品的特征，从而在显微镜的照相机上形成样品的图像，与黑暗的背景形成鲜明的对比。

现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种小型的镜像芯片，这种芯片可以在没有昂贵的专用元件的情况下产生暗场图像。这种芯片比邮票稍大一些，和信用卡一样薄。当放置在显微镜上时，这种芯片会发出一个中空的光锥，可以用来生成藻类、细菌和类似半透明的微小物体的详细暗场图像。

这种新的光学芯片可以被添加到标准显微镜中，作为传统暗视野元件的廉价缩小版替代品。这种芯片也可以安装在手持显微镜上，以产生野外微生物的图像。

麻省理工学院材料科学与工程系研究生Cecile Chazot说:“想象你是一名海洋生物学家。”“你通常需要带一大桶水到实验室进行分析。如果样品是坏的，你必须回去收集更多的样品。如果你有一个手持的暗场显微镜，当你出海时，你可以检查桶里的一滴液体，看看你是否可以回家，或者你是否需要一个新桶。”

Chazot是一篇详细介绍该团队新设计的论文的主要作者，该论文今天发表在《自然光子学》杂志上。她的合著者包括:萨拉·纳格伯格、伊戈尔·科罗普恰努、库尔特·布罗德里克、金永秋、蒙吉·巴文迪、彼得·苏、麻省理工学院的马蒂亚斯·科勒、帝国理工学院的克里斯托弗·罗兰兹、德国Papierfabrik Louisenthal GmbH的迈克·谢勒。

永远的荧光

在一项持续的努力中，科勒实验室的成员们正在设计材料和设备，这些材料和设备呈现出持久的“结构色彩”，不依赖于染料或色素沉着。相反，他们采用纳米和微尺度结构来反射和散射光线，就像小棱镜或肥皂泡一样。因此，它们可以根据其结构的排列或操作方式来改变颜色。

甲虫和蝴蝶的彩虹色翅膀、鸟类的羽毛、鱼鳞和一些花瓣上都可以看到结构色彩。受自然界中结构色彩的启发，Kolle一直在研究从微观结构角度操纵光线的各种方法。

作为这项工作的一部分，他和查索特设计了一个小型的三层芯片，他们原本打算把它用作微型激光器。中间层是芯片的光源，由注入量子点的聚合物制成。量子点是一种微小的纳米粒子，当受到荧光灯的刺激时就会发光。Chazot将这一层比作一个发光的手镯，两种化学物质的反应产生了光;只是这里不需要化学反应——只需一点蓝光就可以让量子点发出明亮的橙色和红色。

“在荧光棒中，这些化学物质最终会停止发光，”Chazot说。但量子点是稳定的。如果你要用量子点做一个手镯，它们会发光很长时间。”

在这个发光层上，研究人员放置了一个布拉格镜——一种由交替的纳米级透明材料层组成的结构，具有明显不同的折射率，意味着这些层反射入射光的程度。

Kolle说，布拉格镜扮演着某种“看门人”的角色，负责接收量子点发出的光子。镜子层的排列和厚度是这样的，它让光子从芯片中逸出，但只有当光线以较高的角度到达镜子时。到达较低角度的光被反射回芯片。

研究人员在产生光的层下面添加了第三个特性，以回收最初被布拉格镜拒绝的光子。第三层是由固体透明环氧树脂制成的，表面涂有一层反光的金膜，类似于一个微型的鸡蛋板条箱，上面有许多小孔，每个小孔的直径约为4微米。

Chazot在这个表面上覆盖了一层薄的高反射率金层——这是一种光学结构，可以捕捉任何从布拉格反射镜反射回来的光，然后将光反射回来，很可能以镜子允许的新角度反射回来。第三层的设计灵感来自蝴蝶翅膀的微观尺度结构。

Chazot说:“蝴蝶翅膀上的鳞片具有非常有趣的卵状结构，并有一个布拉格镜衬，这让它们拥有了彩虹般的颜色。”

一个光学转变

研究人员最初将这种芯片设计成一组微型激光源，认为它的三层可以一起工作来创建定制的激光发射模式。

麻省理工学院机械工程副教授Kolle说:“最初的项目是建立一个可单独切换的耦合微尺度激光腔的组装。”“但当塞西尔制造出第一个表面时，我们意识到，即使没有激光，它们也有一个非常有趣的发射轮廓。”

当Chazot在显微镜下观察这个芯片时，她注意到一个奇怪的现象:这个芯片只以高角度发射光子，形成一个中空的光锥。事实证明，当光子以一定的(高)角度到达布拉格反射镜时，布拉格反射镜的层厚度刚好能让光子通过。

“一旦我们看到这个空心的光锥，我们就会想:‘这个装置会有用吗?’”Chazot说。“答案是:是的!”

事实证明，他们已经将多个昂贵、笨重的暗视野显微镜组件的功能整合到一个小芯片中。

Chazot和她的同事们利用成熟的理论光学概念来模拟芯片的光学特性，从而优化其性能，完成这项新发现的任务。他们制作了多个芯片，每个芯片都能产生一个定制的角轮廓的光锥。 

Chazot说:“不管你用的是什么显微镜，在所有这些微小的芯片中，有一个是可以实现你的目标的。”

为了测试这些芯片，研究小组收集了海水样本和大肠杆菌的非致病性菌株，并将每个样本放在芯片上，然后将芯片放在标准的亮场显微镜平台上。通过这种简单的设置，他们能够制作出单个细菌细胞以及海水中微生物的清晰而详细的暗视野图像，在明亮视野的照射下，这些微生物几乎是看不见的。

在不久的将来，这些暗场照明芯片可以批量生产，甚至可以为简单的高中级显微镜量身定制，以实现对低对比度、半透明的生物样品的成像。与Kolle实验室的其他工作相结合，该芯片也可以用于小型暗场成像设备，用于现场的诊断和生物分析。 

陆军研究办公室士兵纳米技术研究所的项目经理James Burgess说:“这是一个关于基于发现的创新的精彩故事，通过给普通显微镜配备这种技术，它有可能在科学和教育领域产生广泛的影响。”“此外，在光学放大下生物和无机材料成像中获得高对比度的能力可以被整合到陆军医疗中心实验室和战场上识别新的生物威胁和毒素的系统中。”

这项研究得到了美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室和美国国立卫生研究院的部分支持。