量子点驱动的镜像芯片实现的手持式暗场显微镜

由量子点驱动的简单芯片允许标准显微镜可视化难以成像的生物。

由量子点驱动的简单芯片允许标准显微镜可视化难以成像的生物。

在Google上搜索暗场图像，您会发现美丽的微观生物世界，与它们的午夜黑色背景形成鲜明的对比。暗场显微镜可以揭示半透明细胞和水生生物的复杂细节，以及多面的钻石和其他宝石，否则它们在典型的明场显微镜下会显得微弱甚至看不见。

科学家通过将标准显微镜与通常昂贵的组件相配来产生暗场图像，以中空的，高角度的锥形光束照亮样品台。将半透明的样品放在暗视野显微镜下时，光锥会散射样品的特征，从而在显微镜的相机上创建样品的图像，与深色背景形成鲜明的对比。

现在，麻省理工学院的工程师已经开发出一种小型的镜像芯片，该芯片可帮助产生暗场图像，而无需专用的昂贵组件。该芯片比邮票略大，并且像信用卡一样薄。当放置在显微镜的载物台上时，芯片会发出空心的圆锥形光，可用于生成藻类，细菌和类似半透明的微小物体的详细暗场图像。

从具有各种顶部布拉格反射镜设计（小正方形）的SLED基板观察到的荧光会产生不同的角度发射轮廓。

可以将新的光学芯片添加到标准显微镜中，作为传统暗场组件的一种经济实惠的小型替代产品。该芯片还可以安装在手持式显微镜中，以产生野外微生物的图像。

“想像您是海洋生物学家，”麻省理工学院材料科学与工程系的研究生Cecile Chazot说。“通常，您必须将一大桶水带入实验室进行分析。如果样品不好，则必须退回以收集更多样品。如果您有手持式暗场显微镜，则可以在出海时检查水桶是否掉落，以查看是否可以回家或是否需要新的水桶。”

Chazot是一篇详细介绍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。她的共同作者是麻省理工学院的Sara Nagelberg，Igor Coropceanu，Kurt Broderick，Yunjo Kim，Moungi Bawendi，Peter So和Mathias Kolle，以及伦敦帝国理工学院的Christopher Rowlands和德国Papierfabrik Louisenthal GmbH的Maik Scherer。

永远的荧光

在不断的努力中，Kolle实验室的成员正在设计具有持久性“结构色”的材料和设备，这些“结构色”不依赖染料或色素。取而代之的是，它们采用纳米和微米级结构，它们反射和散射的光非常类似于小棱镜或肥皂泡。因此，它们的外观可能会改变，具体取决于其结构的排列或操作方式。

发光基板内部的此光学显微照片显示了来自微图案化底部反射器顶部的量子点层的红色荧光发射。

在甲虫和蝴蝶的虹彩翅膀，鸟类的羽毛，鱼鳞和一些花瓣中可以看到结构颜色。受自然界中结构色彩实例的启发，Kolle一直在研究从微观结构角度处理光的各种方法。

作为这项工作的一部分，他和Chazot设计了一个小的三层芯片，最初打算用作微型激光器。中间层用作芯片的光源，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，当被荧光激发时会发光。Chazot将这一层比作荧光棒手镯，其中两种化学物质的反应产生了光。除了这里不需要化学反应外，只需一点蓝光就能使量子点发出明亮的橙色和红色。

Chazot说：“最终，在荧光棒中，这些化学物质会停止发光。”“但是量子点是稳定的。如果要用量子点制造手镯，它们会发出很长一段时间的荧光。”

研究人员在该光产生层上放置了布拉格镜-一种由交替的纳米级透明材料层制成的结构，其折射率明显不同，这意味着这些层反射入射光的程度。

该暗场图像显示了位于发光基板上的波士顿港海水液滴中的海洋微藻生物。

科勒说，布拉格反射镜是量子点发射的光子的一种“守门人”。反射镜层的排列和厚度使光子可以向上逸出芯片，但前提是光必须以高角度到达反射镜。以较小角度入射的光被反射回芯片。

研究人员在光产生层下面增加了第三个特征，以回收最初被布拉格反射镜拒绝的光子。第三层由涂有反射性金膜的固态透明环氧树脂模压而成，类似于微型蛋箱，p有小孔，每个孔的直径约为4微米。

Chazot在该表面上衬有一层薄薄的高反射性金-一种光学装置，其作用是捕获从布拉格镜反​​射回来的所有光，然后乒乓球将其反射回去，可能以新的角度使镜反射通过。第三层的设计灵感来自Papilio蝴蝶翅膀上的微观鳞片结构。

查佐特说：“蝴蝶的翅膀鳞片具有真正令人着迷的蛋箱状结构，并带有布拉格镜衬里，使它们具有彩虹色。”

光学位移

研究人员最初将芯片设计为微型激光源阵列，认为该芯片的三层可以协同工作以创建量身定制的激光发射图案。

麻省理工学院机械工程副教授科勒说：“最初的项目是建立一个可独立切换的耦合微型激光腔的组件。”“但是当塞西尔制造出第一批表面时，我们意识到即使没有激光发射，它们也具有非常有趣的发射轮廓。”

当查索特在显微镜下观察芯片时，她注意到了一些奇怪的东西：芯片仅以高角度发射光子，从而形成中空的光锥。事实证明，布拉格镜的层厚度恰到好处，只有当光子以一定（高）角度到达镜时，才让光子通过。

“一旦我们看到了空心光锥，我们就想知道：‘这台设备对某些东西有用吗？’”恰佐特说。“答案是：是的！”

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

Chazot和她的同事使用了公认的理论光学概念来对芯片的光学特性进行建模，以优化此新发现任务的性能。他们制造了多个芯片，每个芯片产生具有特定角度轮廓的空心圆锥体。

Chazot说：“无论使用哪种显微镜，在所有这些微小的小芯片中，都有一个可以与您的物镜一起工作。”

为了测试芯片，该团队收集了海水样本以及细菌的非致病性大肠杆菌菌株，并将每个样本放在芯片上，并将其放置在标准明场显微镜的平台上。通过这种简单的设置，他们能够产生清晰细致的暗细菌图像，包括单个细菌细胞以及海水中的微生物，这些图像在明场照明下几乎是不可见的。

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，以实现低对比度，半透明的生物样品的成像。结合Kolle实验室的其他工作，这些芯片也可以集成到微型暗场成像设备中，以进行现场即时诊断和生物分析应用。

陆军研究室士兵纳米技术研究所项目经理詹姆斯·伯吉斯（James Burgess）说：“这是一个基于发现的创新的奇妙故事，通过配备这种技术的花园变种显微镜，它有可能在科学和教育领域产生广泛的影响。”“此外，可以在陆军医学中心实验室和战场上将在光学放大倍数下获得的生物和无机材料成像中获得出色对比度的能力，用于识别新的生物威胁和毒素的系统中。”

参考：CécileAC Chazot，Sara Nagelberg，Christopher J. Rowlands，Maik RJ Scherer，Igor Coropceanu，Kurt Broderick，Yunjo Kim，Moungi G.Bawendi，Peter TC So和Mathias Kolle，2020年2月24日，自然光子学。
10.1038 / s41566-020-0593-1

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。