镜面芯片可以实现手持式暗场显微镜

用Google搜索暗场图像，您会发现一个美丽细致的微观生物世界，与它们的午夜黑色背景形成鲜明对比。暗视野显微镜可以揭示半透明细胞和水生生物的复杂细节，以及多面钻石和其他宝石，否则它们在典型的明亮视野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部件装配在一起，以用空心的，高角度的圆锥形照明样品台，从而产生暗场图像。将半透明样本放在暗视野显微镜下时，光锥会散射样本的特征，从而在显微镜的相机上创建样本图像，与深色背景形成鲜明对比。

现在，麻省理工学院的工程师已经开发出一种小型的镜射芯片，无需专用的昂贵组件即可帮助产生暗场图像。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。

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。该芯片也可以安装在手持式显微镜中，以产生野外微生物的图像。

“想象你是海洋生物学家，”麻省理工学院材料科学与工程系的研究生塞西尔·查佐特（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，则必须返回以收集更多样品。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，这些颜色不依赖染料或色素沉着。取而代之的是，它们采用纳米和微米级的结构，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，这取决于其结构的排列或操作方式。

在甲虫和蝴蝶的虹彩翅膀，鸟类的羽毛以及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示例的启发，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设计了一个小型的三层芯片，最初打算用作微型激光器。中间层充当芯片的光源，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，两种化学物质的反应在此发光。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。

“在荧光棒中，这些化学物质最终会停止发光”，Chazot说。“但是量子点是稳定的。如果要用量子点制造手镯，它们将发出很长的荧光。”

研究人员在这一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。

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得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，,有小孔，每个孔的直径约为4微米。

Chazot在该表面上衬着一层薄薄的高反射性金-一种光学装置，可以捕获从布拉格反射镜反射回来的所有光，然后将其反射回去，并可能以新的角度反射通过。第三层的设计灵感来自Papilio蝴蝶翅膀上的微观尺度结构。

查索特说：“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单独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，她发现了一个奇怪的现象：芯片仅以高角度发射光子，形成空心的光锥。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。

查索特说：“一旦看到了空心的光锥，我们就会想：’这个装置对某些东西有用吗？’。“答案是：是的！”

事实证明，他们将多个昂贵，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，每个芯片产生带有定制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，都可以使用物镜。”

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，他们能够生成单个细菌细胞以及海水中的微生物的清晰详细的暗场图像，这些图像在明场照明下几乎是不可见的。

在不久的将来，这些暗视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，以使低对比度，半透明的生物样品成像。结合Kolle实验室中的其他工作，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，可以在各种花园显微镜下对科学和教育产生广泛影响。” “此外，可以在陆军医学中心实验室和战场上，在光学放大条件下将生物和无机材料成像中获得优异对比度的能力整合到新的生物威胁和毒素识别系统中。”

这项研究部分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支持。