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    El chip reflejado podría permitir microscopios portátiles de campo oscuro

    Micrografía óptica del interior de un sustrato luminiscente que muestra la emisión fluorescente roja de la capa de puntos cuánticos en la parte superior del reflector inferior con micropatrón. Crédito:Cecile Chazot

    Haga una búsqueda en Google de imágenes de campo oscuro, y descubrirás un mundo maravillosamente detallado de organismos microscópicos que contrastan con sus fondos de color negro medianoche. La microscopía de campo oscuro puede revelar detalles intrincados de células translúcidas y organismos acuáticos, así como diamantes facetados y otras piedras preciosas que de otro modo parecerían muy débiles o incluso invisibles bajo un microscopio de campo claro típico.

    Los científicos generan imágenes de campo oscuro ajustando microscopios estándar con componentes a menudo costosos para iluminar el escenario de la muestra con un hueco, cono de luz muy angulado. Cuando una muestra translúcida se coloca bajo un microscopio de campo oscuro, el cono de luz se dispersa por las características de la muestra para crear una imagen de la muestra en la cámara del microscopio, en contraste brillante con el fondo oscuro.

    Ahora, Los ingenieros del MIT han desarrollado un pequeño chip reflejado que ayuda a producir imágenes de campo oscuro, sin componentes costosos dedicados. El chip es un poco más grande que un sello postal y tan delgado como una tarjeta de crédito. Cuando se coloca en la platina de un microscopio, el chip emite un cono de luz hueco que se puede utilizar para generar imágenes detalladas de campo oscuro de algas, bacterias y objetos diminutos igualmente translúcidos.

    El nuevo chip óptico se puede agregar a microscopios estándar como un asequible, alternativa reducida a los componentes convencionales de campo oscuro. El chip también se puede colocar en microscopios portátiles para producir imágenes de microorganismos en el campo.

    "Imagina que eres un biólogo marino, "dice Cecile Chazot, estudiante de posgrado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. "Normalmente hay que llevar un gran balde de agua al laboratorio para analizarlo. Si la muestra es mala, tienes que volver a recoger más muestras. Si tiene un dispositivo de mano, microscopio de campo oscuro, puede comprobar una gota en su balde mientras está en el mar, para ver si puede irse a casa o si necesita un nuevo balde ".

    Chazot es el autor principal de un artículo que detalla el nuevo diseño del equipo, publicado en la revista Fotónica de la naturaleza . Sus coautores son Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Peter Entonces, y Mathias Kolle del MIT, junto con Christopher Rowlands en el Imperial College London y Maik Scherer de Papierfabrik Louisenthal GmbH en Alemania.

    Siempre fluorescente

    En un esfuerzo continuo, Los miembros del laboratorio de Kolle están diseñando materiales y dispositivos que exhiben "colores estructurales" duraderos que no dependen de tintes o pigmentación. En lugar de, emplean estructuras de nano y microescala que reflejan y dispersan la luz como pequeños prismas o pompas de jabón. Por lo tanto, puede parecer que cambian de color dependiendo de cómo se organizan o manipulan sus estructuras.

    El color estructural se puede ver en las alas iridiscentes de escarabajos y mariposas, las plumas de los pájaros, así como escamas de pescado y algunos pétalos de flores. Inspirado en ejemplos de color estructural en la naturaleza, Kolle ha estado investigando varias formas de manipular la luz desde un microscopio, perspectiva estructural.

    Como parte de este esfuerzo, él y Chazot diseñaron un pequeño, Chip de tres capas que originalmente tenían la intención de usar como un láser en miniatura. La capa intermedia funciona como fuente de luz del chip, hecho de un polímero impregnado de puntos cuánticos, diminutas nanopartículas que emiten luz cuando se excitan con luz fluorescente. Chazot compara esta capa con una pulsera de barra luminosa, donde la reacción de dos químicos crea la luz; excepto que aquí no se necesita ninguna reacción química; solo un poco de luz azul hará que los puntos cuánticos brillen en colores naranja y rojo brillantes.

    "En barras luminosas, eventualmente estos químicos dejan de emitir luz, "Dice Chazot." Pero los puntos cuánticos son estables. Si fueras a hacer una pulsera con puntos cuánticos, serían fluorescentes durante mucho tiempo ".

    Sobre esta capa generadora de luz, los investigadores colocaron un espejo de Bragg, una estructura hecha de capas a nanoescala alternas de materiales transparentes, con índices de refracción claramente diferentes, es decir, los grados en los que las capas reflejan la luz entrante.

    El espejo de Bragg Kolle dice:actúa como una especie de "guardián" de los fotones emitidos por los puntos cuánticos. La disposición y el grosor de las capas del espejo es tal que permite que los fotones escapen y salgan del chip, pero solo si la luz llega al espejo en ángulos altos. La luz que llega a ángulos más bajos se devuelve al chip.

    Los investigadores agregaron una tercera característica debajo de la capa generadora de luz para reciclar los fotones inicialmente rechazados por el espejo de Bragg. Esta tercera capa está moldeada de sólido, epoxi transparente recubierto con una película de oro reflectante y se asemeja a una caja de huevos en miniatura, lleno de pequeños pozos, cada uno mide alrededor de 4 micrones de diámetro.

    Chazot recubrió esta superficie con una fina capa de oro altamente reflectante, una disposición óptica que actúa para captar cualquier luz que se refleje desde el espejo de Bragg. y ping-pong que se enciende de nuevo, probablemente en un nuevo ángulo que el espejo dejaría pasar. El diseño de esta tercera capa se inspiró en la estructura de escala microscópica en las alas de la mariposa Papilio.

    "Las escamas de las alas de las mariposas presentan estructuras en forma de caja de huevos realmente intrigantes con un revestimiento de espejo de Bragg, que les da su color iridiscente, "Dice Chazot.

    Un cambio óptico

    Los investigadores diseñaron originalmente el chip como una matriz de fuentes láser en miniatura, pensando que sus tres capas podrían trabajar juntas para crear patrones de emisión láser personalizados.

    "El proyecto inicial consistía en construir un conjunto de cavidades láser de microescala acopladas y conmutables individualmente, "dice Kolle, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Pero cuando Cecile hizo las primeras superficies nos dimos cuenta de que tenían un perfil de emisión muy interesante, incluso sin el láser ".

    Cuando Chazot miró el chip bajo un microscopio, ella notó algo curioso:el chip emitía fotones solo en ángulos altos formando un cono hueco de luz. Resulta, el espejo de Bragg tenía el grosor de capa justo para dejar pasar los fotones cuando llegaban al espejo con un cierto ángulo (alto).

    "Una vez que vimos este cono hueco de luz, nos preguntamos:'¿Podría este dispositivo ser útil para algo?' ", dice Chazot." Y la respuesta fue:¡Sí! "

    Como resulta, habían incorporado las capacidades de múltiples costosos, componentes voluminosos del microscopio de campo oscuro en un solo chip pequeño.

    Chazot y sus colegas utilizaron conceptos ópticos teóricos bien establecidos para modelar las propiedades ópticas del chip y optimizar su rendimiento para esta tarea recién descubierta. Fabricaron múltiples chips, cada uno produce un cono de luz hueco con un perfil angular a medida.

    "Independientemente del microscopio que utilice, entre todos estos diminutos chips, uno trabajará con tu objetivo, "Dice Chazot.

    Para probar los chips, el equipo recolectó muestras de agua de mar y cepas no patógenas de la bacteria E. coli, y colocaron cada muestra en un chip que colocaron en la plataforma de un microscopio de campo claro estándar. Con esta sencilla configuración, Pudieron producir imágenes de campo oscuro claras y detalladas de células bacterianas individuales, así como microorganismos en el agua de mar, que eran casi invisibles bajo la iluminación de campo brillante.

    Kolle dice que en un futuro cercano estos chips de iluminación de campo oscuro podrían producirse en masa y adaptarse incluso para microscopios de grado escolar, para permitir la obtención de imágenes de bajo contraste, muestras biológicas translúcidas. En combinación con otros trabajos en el laboratorio de Kolle, los chips también pueden incorporarse en dispositivos miniaturizados de imágenes de campo oscuro para diagnósticos en el punto de atención y aplicaciones bioanalíticas.

    "Si podemos subcontratar parte de la gestión de la luz a una superficie que pueda colocar como sustrato de muestra en un microscopio, hace que las imágenes de campo oscuro sean una opción intrigantemente accesible en una gran cantidad de escenarios de imágenes, "Dice Kolle.


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