Haga una búsqueda en Google de imágenes de campo oscuro, y descubrirá un mundo maravillosamente detallado de organismos microscópicos en contraste con sus fondos negros de 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 típico de campo brillante.

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

Ahora, los ingenieros de MIT han desarrollado un pequeño chip con espejo que ayuda a producir imágenes de campo oscuro, sin componentes costosos dedicados. El chip es ligeramente más grande que un sello de correos 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 translúcidos similares.

Crédito: Cecile Chazot

El nuevo chip óptico se puede agregar a los microscopios estándar como una alternativa asequible y reducida a los componentes convencionales de campo oscuro. El chip también se puede instalar en microscopios de mano para producir imágenes de microorganismos en el campo.

"Imagina que eres un biólogo marino", dice Cecile Chazot, una estudiante graduada en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT. “Normalmente tiene que traer un gran balde de agua al laboratorio para analizar. Si la muestra es mala, debe volver a recoger más muestras. Si tiene un microscopio portátil de campo oscuro, puede verificar una gota en su cubo mientras está en el mar, para ver si puede irse a casa o si necesita un nuevo cubo ".

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

Para 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 cambio, emplean estructuras de nano y microescala que reflejan y dispersan la luz de manera muy similar a pequeños prismas o pompas de jabón. Por lo tanto, pueden 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 las aves, así como escamas de peces y algunos pétalos de flores. Inspirado por ejemplos de color estructural en la naturaleza, Kolle ha estado investigando varias formas de manipular la luz desde una perspectiva microscópica y estructural.

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

"En las barras luminosas, eventualmente estos químicos dejan de emitir luz", dice Chazot. “Pero los puntos cuánticos son estables. Si hicieras una pulsera con puntos cuánticos, serían fluorescentes durante mucho tiempo ".

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

El espejo de Bragg, dice Kolle, actúa como una especie de "guardián de puerta" para los fotones que emiten 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 Bragg. Esta tercera capa está moldeada de epoxi sólido y transparente recubierto con una película de oro reflectante y se asemeja a una caja de huevos en miniatura, llena de pequeños pozos, cada uno de los cuales mide aproximadamente 4 micras de diámetro.

Chazot alineó esta superficie con una fina capa de oro altamente reflectante, una disposición óptica que actúa para atrapar cualquier luz que se refleje hacia abajo desde el espejo de Bragg, y el ping-pong vuelve a iluminarla, probablemente en un nuevo ángulo que el espejo permitiría mediante. El diseño de esta tercera capa se inspiró en la estructura de escala microscópica en las alas de la Papilio mariposa.

"Las escamas de las alas de la mariposa presentan estructuras en forma de caja de huevos realmente intrigantes con un revestimiento de espejo 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 funcionar juntas para crear patrones de emisión láser personalizados.

"El proyecto inicial era construir un conjunto de cavidades láser de microescala acopladas individualmente conmutables", 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, notó algo curioso: el chip emitía fotones solo en ángulos altos formando un cono hueco de luz. Resulta que 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 de luz hueco, nos preguntamos: '¿Podría este dispositivo ser útil para algo?'", Dice Chazot. "Y la respuesta fue: ¡Sí!"

Como resultado, habían incorporado las capacidades de múltiples componentes caros y voluminosos de 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 produciendo un cono de luz hueco con un perfil angular a medida.  

"Independientemente del microscopio que esté utilizando, entre todos estos pequeños chips, uno funcionará con su objetivo", dice Chazot.

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

En el futuro cercano, estos chips de iluminación de campo oscuro podrían ser producidos en masa y adaptados incluso para microscopios simples, de grado escolar, para permitir la obtención de imágenes de muestras biológicas translúcidas de bajo contraste. En combinación con otros trabajos en el laboratorio de Kolle, los chips también se pueden incorporar en dispositivos de imágenes de campo oscuro miniaturizados para diagnósticos de punto de atención y aplicaciones bioanalíticas en el campo.  

"Esta es una maravillosa historia de innovación basada en el descubrimiento que tiene el potencial de un impacto generalizado en la ciencia y la educación al equipar microscopios de variedades de jardín con esta tecnología", dice James Burgess, gerente de programa del Instituto de Nanotecnologías para Soldados, Oficina de Investigación del Ejército. "Además, la capacidad de obtener un contraste superior en la obtención de imágenes de materiales biológicos e inorgánicos bajo aumento óptico podría incorporarse en los sistemas para la identificación de nuevas amenazas biológicas y toxinas en los laboratorios del Centro Médico del Ejército y en el campo de batalla".

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU. Y los Institutos Nacionales de Salud.