在Google上搜索暗場圖像，您會發(fā)現(xiàn)美麗的微觀生物世界，與它們的午夜黑色背景形成鮮明對比。暗視野顯微鏡可以揭示半透明細胞和水生生物的復雜細節(jié)，以及多面鉆石和其他寶石，否則它們在典型的明亮視野顯微鏡下會顯得微弱甚至看不見。

科學家通過將標準顯微鏡與通常昂貴的部件裝配在一起，以用空心的，高角度的圓錐形照明樣品臺，從而產(chǎn)生暗場圖像。將半透明的樣品放在暗視野顯微鏡下時，光錐會散射樣品的特征，從而在顯微鏡的相機上創(chuàng)建樣品的圖像，與深色背景形成鮮明的對比。

現(xiàn)在，麻省理工學院的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種小型的鏡像芯片，無需專用的昂貴組件即可幫助產(chǎn)生暗場圖像。該芯片比郵票略大，并且像信用卡一樣薄。當放置在顯微鏡的載物臺上時，芯片會發(fā)出空心的圓錐形光，可用于生成藻類，細菌和類似半透明的微小物體的詳細暗場圖像。

可以將新的光學芯片添加到標準顯微鏡中，作為傳統(tǒng)暗場組件的一種經(jīng)濟實惠的小型替代產(chǎn)品。該芯片也可以安裝在手持式顯微鏡中，以產(chǎn)生野外微生物的圖像。

麻省理工學院材料科學與工程系的研究生塞西爾·查佐特(Cecile Chazot)說：“想象一下你是海洋生物學家。” “通常，您必須將一大桶水帶入實驗室進行分析。如果樣品不好，則必須返回以收集更多樣品。如果您擁有手持式暗場顯微鏡，則可以檢查在海上旅行時可以放下水桶，看看是否可以回家或是否需要新的水桶。”

Chazot是一篇詳細介紹團隊新設計的論文的主要作者，該論文發(fā)表在《自然光子學》雜志上。她的共同作者是麻省理工學院的Sara Nagelberg，Igor Coropceanu，Kurt Broderick，Yunjo Kim，Moungi Bawendi，Peter So和Mathias Kolle，以及倫敦帝國理工學院的Christopher Rowlands和德國Papierfabrik Louisenthal GmbH的Maik Scherer。

永遠的熒光

在不斷的努力中，Kolle實驗室的成員正在設計具有持久性“結(jié)構(gòu)色”的材料和設備，這些顏色不依賴染料或色素沉著。取而代之的是，它們采用納米和微米級的結(jié)構(gòu)，它們反射和散射的光非常類似于小棱鏡或肥皂泡。因此，它們的外觀可能會改變，這取決于其結(jié)構(gòu)的排列或操作方式。

在甲蟲和蝴蝶的虹彩翅膀，鳥類的羽毛，魚鱗和一些花瓣中可以看到結(jié)構(gòu)顏色。受自然界中結(jié)構(gòu)色彩示例的啟發(fā)，Kolle一直在研究從微觀結(jié)構(gòu)角度處理光的各種方法。

作為這項工作的一部分，他和Chazot設計了一個小型的三層芯片，最初打算用作微型激光器。中間層用作芯片的光源，由注入量子點的聚合物制成，這種微小的納米顆粒在受到熒光激發(fā)時會發(fā)光。Chazot將這一層比作熒光棒手鐲，兩種化學物質(zhì)的反應在此發(fā)光。除了這里不需要化學反應外，只需一點藍光就能使量子點發(fā)出明亮的橙色和紅色。

查索特說：“在熒光棒中，這些化學物質(zhì)最終會停止發(fā)光。” “但是量子點是穩(wěn)定的。如果要用量子點制造手鐲，它們會發(fā)出很長的熒光。”

研究人員在該光產(chǎn)生層上放置了布拉格反射鏡，該反射鏡是由交替的納米級透明材料層制成的，其折射率明顯不同，這意味著這些層反射入射光的程度。

科勒說，布拉格鏡對量子點發(fā)出的光子起著一種“守門人”的作用。反射鏡層的排列和厚度使得光子可以向上逸出芯片，但前提是光必須以高角度到達反射鏡。以較小角度入射的光被反射回芯片。

研究人員在光產(chǎn)生層下面增加了第三個特征，以回收最初被布拉格鏡拒絕的光子。第三層由固體透明環(huán)氧樹脂模制而成，該環(huán)氧樹脂涂有反射性金膜，類似于微型蛋箱，p有小孔，每個孔的直徑約為4微米。

Chazot在該表面上襯著一層薄薄的高反射性金-一種光學裝置，可以捕獲從布拉格反射鏡反射回來的所有光，然后將其反射回去，并以新的角度反射通過。第三層的設計靈感來自Papilio蝴蝶翅膀上的微觀尺度結(jié)構(gòu)。

查索特說：“蝴蝶的翅膀鱗片具有真正令人著迷的蛋箱狀結(jié)構(gòu)，并帶有布拉格鏡襯里，使其具有虹彩色彩。”

光學位移

研究人員最初將芯片設計為微型激光源陣列，認為該芯片的三層可以協(xié)同工作以創(chuàng)建定制的激光發(fā)射圖案。

麻省理工學院機械工程副教授科勒說：“最初的項目是建立一個可單獨切換的耦合微型激光腔的組件。” “但是當塞西爾制造出第一批表面時，我們意識到即使沒有激光發(fā)射，它們也具有非常有趣的發(fā)射輪廓。”

當查索特在顯微鏡下觀察芯片時，她發(fā)現(xiàn)了一個奇怪的現(xiàn)象：芯片僅以高角度發(fā)射光子，形成空心的光錐。事實證明，布拉格反射鏡的層厚度恰到好處，只有當光子以一定(高)角度到達反射鏡時，才讓光子通過。

查索特說：“一旦我們看到了空心的錐形光，我們就會想：'這個裝置對某些東西有用嗎?'。“答案是：是的!”

事實證明，他們已經(jīng)將多個昂貴的笨重的暗場顯微鏡組件的功能整合到一個小芯片中。

Chazot和她的同事使用了公認的理論光學概念來對芯片的光學特性進行建模，以優(yōu)化此新發(fā)現(xiàn)任務的性能。他們制造了多個芯片，每個芯片產(chǎn)生帶有定制角度輪廓的空心圓錐體。

查索特說：“不管使用哪種顯微鏡，在所有這些微小的小芯片中，一個都能與您的物鏡一起工作。”

為了測試芯片，該團隊收集了海水樣本以及大腸桿菌的非致病性菌株，并將每個樣本放在芯片上，并將其放置在標準明場顯微鏡的平臺上。通過這種簡單的設置，他們能夠生成單個細菌細胞以及海水中微生物的清晰詳細的暗場圖像，這些圖像在明場照明下幾乎是不可見的。

Kolle說，在不久的將來，這些暗場照明芯片可以批量生產(chǎn)，甚至可以為簡單的高中級顯微鏡量身定制，以實現(xiàn)低對比度，半透明的生物樣品的成像。結(jié)合Kolle實驗室中的其他工作，這些芯片也可以集成到微型暗場成像設備中，以進行即時診斷和生物分析應用。

Kolle說：“如果我們可以將某些光管理外包給您可以將其作為樣品基底拍打到顯微鏡上的表面，那么它將使暗場成像成為在許多成像場景中引人入勝的選擇。”