Esquema de la imagen limitada por subdifracción de una muestra de mariposa utilizando superlentes de glicerol impresos in situ. Las muestras de Morpho menelaus menelaus (M. m. Menelaus) y Agrias beatifica beata (A. b. Beata) se colocaron planas sobre un portaobjetos de vidrio limpio para su impresión. Las imágenes microscópicas muestran la disposición a escala del ala ventral de M. m. menelaus (abajo a la izquierda) y la matriz de superlentes impresa en las escamas de las alas (centro). Las superlentes exhibían una geometría en forma de esfera en las escalas de las alas. La imagen lateral (arriba a la derecha) se adquirió con el microscopio invertido (Nikon, Corbata). Las estadísticas de dimensión incluyen datos de 13 lentes medidos en función de sus imágenes laterales. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Las nanoestructuras y los patrones naturales han fascinado durante mucho tiempo a los investigadores de la ingeniería de materiales bioinspirados. Se pueden obtener imágenes y observar muestras biológicas a nanoescala utilizando sofisticadas herramientas analíticas en la ciencia de los materiales, incluyendo microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Si bien los métodos de obtención de imágenes contribuyen a la comprensión de las estructuras al revelar las propiedades de los materiales para la síntesis de materiales biomiméticos, a menudo lo han hecho con la pérdida de propiedades fotónicas inherentes a los materiales.
En un nuevo método, Los científicos de materiales Boliang Jia y sus colegas de los departamentos de ingeniería mecánica y robótica presentaron un superlente biocompatible imprimible colocado directamente sobre objetos de interés para observar características limitadas por subdifracción (resolución más allá del límite de difracción). Luego observaron las características naturales usando un microscopio óptico para demostrar imágenes a nanoescala de alas de mariposa en color. El estudio permitió obtener imágenes de superresolución y un campo de visión (FOV) más grande en comparación con los sistemas ópticos de microscopía de superresolución basados en microesferas dieléctricas anteriores.
El nuevo enfoque creó una ruta rápida y flexible para observar los colores directos de las características biológicas a nanoescala en el rango visible. Los resultados ahora se publican en Microsistemas y nanoingeniería , donde el trabajo permitió mediciones ópticas en la escala limitada por subdifracción. Un superlente se basa en un material óptico con un índice de refracción negativo (metamateriales ópticos) que podría revertir experimentalmente casi todos los fenómenos ópticos conocidos. Técnicamente, una película delgada de índice negativo puede funcionar como un "superlente" para proporcionar detalles de la imagen con una resolución más allá del límite de difracción al que están sometidas todas las lentes de índice positivo.
Impresión in situ de superlentes de glicerol para obtener imágenes a nanoescala de alas de mariposa. a) Ilustración del proceso de impresión y una vista microscópica de la matriz de superlentes formada en las escamas de las alas. b) Imagen conceptual de la observación directa a nanoescala de las escamas de las alas de las mariposas a través de superlentes, y la imagen ampliada obtenida a través del superlente indica una resolución de características con tamaños menores a 1 µm en la escala del ala. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
En el estudio, Jia y col. ideó un método para imprimir glicerol (líquido transparente) en las alas de las mariposas y observar estructuras de alas a nanoescala hasta ahora no observadas a través de microscopios ópticos convencionales. El trabajo allanará el camino para superlentes líquidos avanzados junto con métodos rápidos y flexibles en óptica. Los resultados ayudarán a la inspección nanoestructural mediante biofotónica en muestras biológicas y no biológicas.
Las alas de mariposa de Morpho cypris se observaron por primera vez mediante SEM de alta resolución en 1942, lo que llevó al descubrimiento de estructuras detalladas por debajo del límite de difracción utilizando herramientas sofisticadas. Desde entonces, Las mariposas Morpho han sido un tema de interés en la investigación de materiales bioinspirados debido a su color iridiscente y sus distintas propiedades fotónicas. Por décadas, las propiedades de la interferencia de la luz resultantes de sus brillantes nanoestructuras han atraído un gran interés en la investigación de materiales nanofotónicos y biomiméticos. Sin embargo, Aún quedan por informar las observaciones ópticas directas de la estructura limitada por subdifracción de las alas a nanoescala.
(1) Caracterización de superlentes de glicerol impresas con diferente número de gotas / lente. a – e) Imágenes laterales de lentes de glicerol con 1, 5, 10, 30, y 60 gotas / lente en una oblea de silicona limpia. f) La forma de onda de chorro utilizada en el experimento. g) Gráficos de la altura de la lente (cruz azul), diámetro (estrella naranja), y relación H / D (círculo negro) con respecto al número de gotas / lente. h) Una matriz de superlentes de glicerol impresa en chip (50% en volumen, 50 gotas / lente) observado a través de un objetivo 4 × (NA 0.10) en un ángulo de visión de 45 ° usando una Nikon, Microscopio Ti-E (izquierda). La tabla (derecha) muestra las estadísticas de dimensión. Barra de escala:a – e 20 µm, h 100 µm. (2) Configuraciones de la instalación experimental a) Esquema del sistema de imágenes basado en la plataforma Nikon Ni-E sin el uso de superlentes. Los componentes principales incluyen una cámara Andor Zlya 5.5 sCOMS con una etapa de enfoque motorizada (Z), un iluminador de fibra de mercurio Intensilight (C-LHGFIE), un cubo de filtro, un objetivo, y una etapa de muestreo motorizada (XY). b) La configuración con una microesfera BTG (arriba) y las imágenes ópticas de dos microesferas BTG, BTG-A (medio) y BTG-B (abajo), montado en una microsonda (5 μm de diámetro de la punta) con adhesivo NOA63 (Norland). c) La configuración con un superlente de glicerol impreso (arriba) y las imágenes ópticas de dos lentes impresas en la ubicación I (centro) y la ubicación II (parte inferior) de las muestras de CPU. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Las microesferas de alto índice de refracción en medios acuosos han atraído un gran interés en los últimos años para observar muestras biológicas sumergidas en líquido, tales como células biológicas in vivo. Todavía, el método no es favorable para muestras con alto índice de refracción en condiciones secas. En el presente trabajo, Jia y col. presentó un superlente de glicerol (SL) biocompatible impreso in situ con mayor resolución y mayor campo de visión que las microesferas de vidrio de titanato de bario (BTG) en condiciones secas. Los científicos eligieron el glicerol porque es un líquido transparente con un índice de refracción relativamente alto que es capaz de formar gotas imprimibles en un amplio rango de tamaños.
Como característica importante, el glicerol contiene fuertes interacciones intermoleculares y, por tanto, es muy resistente a la evaporación. Aunque las microgotas de agua normalmente se evaporan casi instantáneamente, en comparación, el glicerol impreso como gotitas con un volumen del 50 por ciento podría existir al menos durante un día en sustratos sin cambios de tamaño significativos. Jia y col. por lo tanto, imprimió directamente superlentes de glicerol en un ala de mariposa Morpho utilizando una máquina de impresión por chorro de tinta. Después de eso, caracterizaron las imágenes de glicerol utilizando un circuito integrado (IC) de unidad central de procesamiento (CPU). Los científicos observaron nanobioestructuras que van desde 50 nm a 200 nm en escala. En el trabajo, los científicos ajustaron la viscosidad de la solución de glicerol mediante pruebas de dilución con agua MiliQ para seleccionar una concentración óptima del 50 por ciento en volumen (50% en volumen) para la impresión.
Imágenes adquiridas experimentalmente en la ubicación I de la muestra de CPU. a – d) Imágenes ópticas tomadas mediante BTG-A (a), BTG-B (b), Gly-I (c), y sin superlente (d). El objetivo utilizado fue 100 × (NA 0,90). Los campos de visión estimados (FOV) en a, B, yc son 4,7, 2,9, y 7,5 μm de diámetro, respectivamente. e) La imagen SEM sobre la misma área. f – j) Imágenes ampliadas en un área aproximada de 3,9 μm × 2,7 μm desde el centro de a – e, respectivamente. Las flechas amarillas señalan un patrón en forma de "H" de aproximadamente 120 nm de ancho. k – o) Imágenes de f – j con filtro de paso de banda, respectivamente. La barra de escala en f – o:500 nm. p) Perfiles de las líneas rojas en k – o con intensidad normalizada. Los perfiles de línea de 1700 nm están alineados con las características de la imagen SEM de arriba. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
En óptica, Las lentes de inmersión sólida (SIL) pueden mejorar la resolución óptica aumentando la apertura numérica efectiva (NA) del medio de imagen. La lente de gota se considera una versión líquida de los SIL con una superficie impecable. Los científicos primero caracterizaron las superlentes de glicerol impresas en el estudio usando un número diferente de gotas por lente en una oblea de silicio limpia antes de la administración en alas de mariposa. Seleccionaron el número ideal de gotas por lente después de algunas pruebas; los diámetros resultantes de las lentes de glicerol eran comparables a las microesferas BTG. Después de eso, compararon configuraciones de la configuración experimental para las microesferas BTG y las superlentes de glicerol. El trabajo mostró que las grandes microesferas BTG proporcionaban un gran campo de visión, mientras que se obtuvo una resolución más alta con microesferas BTG más pequeñas.
Cuando los científicos compararon las imágenes obtenidas con superlentes de glicerol y las obtenidas con BTG, los resultados mejoraron significativamente en la uniformidad de las imágenes obtenidas con superlentes de glicerol, junto con características a nanoescala más nítidas. Esto implicaba que las superlentes de glicerol impresas ofrecían una capacidad de resolución superior en comparación con las microesferas BTG de tamaños iguales y más pequeños en el aire.
(1) Comparación de imágenes del M. m. escamas del ala ventral menelaus. Las imágenes en color ayf se tomaron desde el ocular usando una cámara iPhone 7 Plus. Las imágenes en escala de grises b – d y g – i se tomaron con una cámara Andor Zyla5.5 sCMOS. Las imágenes eyj fueron tomadas por SEM; a – e son imágenes de escamas terrestres; f – j son imágenes de escamas de portada; ycyh son las imágenes ampliadas de las áreas del cuadrado rojo en byg, respectivamente. Los corchetes amarillos indican una de las puntas de las laminillas en las crestas. Todas las imágenes ópticas se tomaron con un objetivo de 100 × (NA 0,90). (2) Análisis con imágenes en color de estructuras limitadas por subdifracción. Escamas de tierra de M. m. menelao. a-d) se tomaron del ocular utilizando una cámara iPhone 7 Plus sin y a través del superlente de glicerol. Los perfiles de línea sobre las líneas punteadas rojas en a – e se muestran en f y g. Las crestas marcadas con flechas amarillas se ampliaron y se muestran en la parte inferior derecha. Los rectángulos amarillos invertidos marcan las puntas de las laminillas identificadas a lo largo de cada sección ampliada de las crestas. Para las crestas Ra y Rc fotografiadas sin superlentes, no se pudieron distinguir puntas de laminillas. Las etiquetas “La – e” corresponden a perfiles de línea, y las etiquetas “Ra – e” corresponden a las crestas agrandadas. Barra de escala:2 μm. Microscopía óptica OM, SL superlentes, Microscopía electrónica de barrido SEM. Crédito:Microsistemas y Nanoingeniería, doi:https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
En su trabajo, Jia y col. observó dos tipos de mariposas:Morpho Menelaus y Agrias beatifica beata. Los científicos imprimieron 60 gotas (o lentes) de glicerol en las muestras de mariposas para obtener lentes esféricas de aproximadamente 95 µm de diámetro. Observaron las características de la escala del ala a través de un sistema de microscopio vertical. Los científicos pudieron capturar las escamas de las alas ventrales de las mariposas, donde la especie Morpho mostró dos tipos de escamas de alas; escamas de suelo y cobertura.
En comparación con SEM, superlentes de glicerol no pudieron resolver estructuras completas por completo, pero mostraron la existencia de subestructuras entre las crestas de las alas de las mariposas. Por ejemplo, Jia y col. demostraron que las superlentes de glicerol in situ podían extender el límite de las estructuras a nanoescala en muestras biológicas hasta aproximadamente 200 nm de ancho. Experimentos adicionales demostraron la capacidad de crear imágenes en color de nanobioestructuras limitadas por subdifracción utilizando superlentes.
El nuevo método ofrece una rentabilidad, Técnica de imágenes rápida y de alta resolución para visualizar nanobioestructuras limitadas por subdifracción in situ. El trabajo allana el camino para líquidos inmiscibles en agua con altos índices de refracción para imprimir superlentes líquidos para aplicaciones de imágenes basadas en inmersión en agua. Los líquidos biocompatibles, como el aceite de silicona, se pueden explorar como superlentes bajo el agua mediante la impresión de inyección de tinta de bajo coste. Los científicos de materiales continúan trabajando para diseñar superlentes líquidos avanzados en nanobiofotónica. El esquema introducido por Jia et al. proporciona una estrategia rápida y fácil de implementar para observar nanobioestructuras en muestras biológicas y no biológicas.
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