Faça uma pesquisa no Google por imagens de campo escuro, e você descobrirá um mundo lindamente detalhado de organismos microscópicos em contraste brilhante com seus cenários pretos da meia-noite. A microscopia de campo escuro pode revelar detalhes intrincados de células translúcidas e organismos aquáticos, assim como diamantes facetados e outras pedras preciosas que de outra forma pareceriam muito fracas ou até mesmo invisíveis em um microscópio de campo claro típico.

Os cientistas geram imagens de campo escuro ajustando microscópios padrão com componentes frequentemente caros para iluminar o palco da amostra com uma cavidade, cone de luz altamente angular. Quando uma amostra translúcida é colocada sob um microscópio de campo escuro, o cone de luz se espalha pelas características da amostra para criar uma imagem da amostra na câmera do microscópio, em contraste brilhante com o fundo escuro.

Agora, engenheiros do MIT desenvolveram um pequeno, chip espelhado que ajuda a produzir imagens em campo escuro, sem componentes caros dedicados. O chip é ligeiramente maior do que um selo postal e tão fino quanto um cartão de crédito. Quando colocado no palco de um microscópio, o chip emite um cone oco de luz que pode ser usado para gerar imagens detalhadas de campo escuro de algas, bactérias, e pequenos objetos igualmente translúcidos.

O novo chip óptico pode ser adicionado a microscópios padrão como um acessível, alternativa reduzida para componentes de campo escuro convencionais. O chip também pode ser encaixado em microscópios portáteis para produzir imagens de microorganismos no campo.

"Imagine que você é um biólogo marinho, "diz Cecile Chazot, um estudante de pós-graduação no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. "Você normalmente tem que trazer um grande balde de água para o laboratório para analisar. Se a amostra estiver ruim, você tem que voltar para coletar mais amostras. Se você tem um portátil, microscópio de campo escuro, você pode verificar uma gota em seu balde enquanto estiver no mar, para ver se você pode ir para casa ou se precisa de um novo balde. "

Chazot é o autor principal de um artigo que detalha o novo design da equipe, publicado no jornal Nature Photonics . Seus co-autores são Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Peter So, e Mathias Kolle do MIT, junto com Christopher Rowlands no Imperial College London e Maik Scherer da Papierfabrik Louisenthal GmbH na Alemanha.

Para sempre fluorescente

Em um esforço contínuo, membros do laboratório de Kolle estão projetando materiais e dispositivos que exibem "cores estruturais" de longa duração que não dependem de corantes ou pigmentação. Em vez de, eles empregam estruturas em nano e microescala que refletem e espalham a luz como minúsculos prismas ou bolhas de sabão. Eles podem, portanto, parecer que mudam de cor dependendo de como suas estruturas são organizadas ou manipuladas.

A cor estrutural pode ser vista nas asas iridescentes de besouros e borboletas, as penas dos pássaros, bem como escamas de peixes e algumas pétalas de flores. Inspirado por exemplos de cores estruturais na natureza, Kolle tem investigado várias maneiras de manipular a luz de um microscópio, perspectiva estrutural.

Como parte desse esforço, ele e Chazot projetaram um pequeno, chip de três camadas que originalmente pretendiam usar como um laser em miniatura. A camada do meio funciona como a fonte de luz do chip, feito de um polímero infundido com pontos quânticos - minúsculas nanopartículas que emitem luz quando excitadas com luz fluorescente. Chazot compara esta camada a uma pulseira de bastão luminoso, onde a reação de dois produtos químicos cria a luz; exceto aqui, nenhuma reação química é necessária - apenas um pouco de luz azul fará os pontos quânticos brilharem em cores laranja e vermelho brilhantes.

"Em bastões luminosos, eventualmente, esses produtos químicos param de emitir luz, "Chazot diz." Mas os pontos quânticos são estáveis. Se você fosse fazer uma pulseira com pontos quânticos, eles ficariam fluorescentes por um longo tempo. "

Sobre esta camada geradora de luz, os pesquisadores colocaram um espelho de Bragg - uma estrutura feita de camadas alternadas em nanoescala de materiais transparentes, com índices de refração distintamente diferentes, significando os graus em que as camadas refletem a luz que entra.

O espelho Bragg, Kolle diz, atua como uma espécie de "porteiro" para os fótons que são emitidos pelos pontos quânticos. O arranjo e a espessura das camadas do espelho permitem que os fótons escapem para cima e para fora do chip, mas apenas se a luz chegar ao espelho em ângulos altos. A luz que chega em ângulos inferiores é devolvida ao chip.

Os pesquisadores adicionaram um terceiro recurso abaixo da camada geradora de luz para reciclar os fótons inicialmente rejeitados pelo espelho de Bragg. Esta terceira camada é moldada em sólido, epóxi transparente revestido com uma película de ouro reflexiva e se assemelha a uma caixa de ovo em miniatura, cheio de pequenos poços, cada um medindo cerca de 4 mícrons de diâmetro.

Chazot revestiu esta superfície com uma fina camada de ouro altamente reflexivo - um arranjo óptico que atua para capturar qualquer luz que reflita de volta do espelho de Bragg, e pingue-pongue aquela luz de volta, provavelmente em um novo ângulo que o espelho deixaria passar. O design desta terceira camada foi inspirado na estrutura em escala microscópica das asas da borboleta Papilio.

"As escamas das asas da borboleta apresentam estruturas realmente intrigantes em forma de caixa de ovo com um forro de espelho de Bragg, o que lhes dá sua cor iridescente, "Chazot diz.

Uma mudança ótica

Os pesquisadores projetaram originalmente o chip como uma série de fontes de laser em miniatura, pensando que suas três camadas poderiam trabalhar juntas para criar padrões de emissão de laser sob medida.

"O projeto inicial era construir uma montagem de cavidades de laser acopladas em microescala comutáveis ​​individualmente, "diz Kolle, professor associado de engenharia mecânica no MIT. "Mas quando Cecile fez as primeiras superfícies, percebemos que elas tinham um perfil de emissão muito interessante, mesmo sem o lasing. "

Quando Chazot olhou para o chip no microscópio, ela notou algo curioso:o chip emitia fótons apenas em ângulos altos, formando um cone oco de luz. Acontece que, o espelho de Bragg tinha as espessuras de camada certas para permitir que os fótons passassem apenas quando se aproximassem do espelho com um certo ângulo (alto).

"Assim que vimos este cone de luz oco, nos perguntamos:'Será que esse dispositivo pode ser útil para alguma coisa?' ", diz Chazot." E a resposta foi:Sim! "

Acontece que eles incorporaram os recursos de vários dispositivos caros, componentes volumosos do microscópio de campo escuro em um único pequeno chip.

Chazot e seus colegas usaram conceitos óticos teóricos bem estabelecidos para modelar as propriedades óticas do chip para otimizar seu desempenho para essa tarefa recém-descoberta. Eles fabricaram vários chips, cada um produzindo um cone de luz oco com um perfil angular feito sob medida.

"Independentemente do microscópio que você está usando, entre todos esses pequenos chips, um trabalhará com seu objetivo, "Chazot diz.

Para testar os chips, a equipe coletou amostras de água do mar, bem como cepas não patogênicas da bactéria E. coli, e colocaram cada amostra em um chip que eles colocaram na plataforma de um microscópio de campo claro padrão. Com esta configuração simples, eles foram capazes de produzir imagens de campo escuro claras e detalhadas de células bacterianas individuais, bem como microorganismos na água do mar, que eram quase invisíveis sob iluminação de campo claro.

Kolle diz que em um futuro próximo, esses chips de iluminação de campo escuro poderão ser produzidos em massa e adaptados para até mesmo simples, microscópios de ensino médio, para habilitar imagens de baixo contraste, amostras biológicas translúcidas. Em combinação com outro trabalho no laboratório de Kolle, os chips também podem ser incorporados em dispositivos de imagem de campo escuro miniaturizados para diagnósticos de ponto de atendimento e aplicações bioanalíticas.

"Se pudermos terceirizar parte do gerenciamento de luz para uma superfície que você pode aplicar como substrato de amostra em um microscópio, torna a imagem em campo escuro uma opção intrigantemente acessível em uma série de cenários de imagem, "Kolle diz.