Schéma de l'imagerie limitée à la subdiffraction d'un échantillon de papillon à l'aide de superlentilles de glycérol imprimées in situ. Les échantillons de Morpho menelaus menelaus (M. m. menelaus) et Agrias beatifica beata (A. b. beata) ont été placés à plat sur une lame de verre propre pour l'impression. Les images microscopiques montrent la disposition à l'échelle de l'aile ventrale de M. m. menelaus (en bas à gauche) et le réseau de superlentilles imprimé sur les écailles des ailes (au milieu). Les superlentilles présentaient une géométrie semblable à une sphère sur les écailles des ailes. L'image latérale (en haut à droite) a été acquise au microscope inversé (Nikon, Attacher). Les statistiques dimensionnelles comprennent les données de 13 lentilles mesurées en fonction de leurs images latérales. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi :https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Les nanostructures et les motifs naturels ont longtemps fasciné les chercheurs en ingénierie des matériaux bioinspirés. Les échantillons biologiques peuvent être imagés et observés à l'échelle nanométrique à l'aide d'outils analytiques sophistiqués en science des matériaux, y compris la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique à transmission (MET). Alors que les méthodes d'imagerie contribuent à la compréhension des structures en révélant les propriétés des matériaux pour la synthèse de matériaux biomimétiques, ils l'ont souvent fait avec la perte des propriétés photoniques inhérentes aux matériaux.
Dans une nouvelle méthode, les scientifiques des matériaux Boliang Jia et ses collègues des départements de génie mécanique et de robotique ont présenté une superlentille biocompatible imprimable placée directement sur des objets d'intérêt pour observer des caractéristiques limitées à la sous-diffraction (résolution au-delà de la limite de diffraction). Ils ont ensuite observé les caractéristiques naturelles à l'aide d'un microscope optique pour démontrer l'imagerie à l'échelle nanométrique des ailes de papillon en couleur. L'étude a permis une imagerie à super-résolution et un champ de vision (FOV) plus large par rapport aux précédents systèmes optiques à base de microsphères diélectriques de microscopie à super-résolution.
La nouvelle approche a créé un chemin rapide et flexible pour observer les couleurs directes des caractéristiques biologiques à l'échelle nanométrique dans la gamme visible. Les résultats sont maintenant publiés dans Microsystèmes et nano-ingénierie , où les travaux ont permis des mesures optiques à l'échelle limitée à la sous-diffraction. Une superlentille est basée sur un matériau optique avec un indice de réfraction négatif (métamatériaux optiques) qui pourrait inverser expérimentalement presque tous les phénomènes optiques connus. Techniquement, un film mince à indice négatif peut fonctionner comme une « superlentille » pour fournir des détails d'image avec une résolution au-delà de la limite de diffraction à laquelle toutes les lentilles à indice positif sont soumises.
Impression in situ de superlentilles au glycérol pour l'imagerie à l'échelle nanométrique des ailes de papillon. a) Illustration du processus d'impression et vue microscopique du réseau de superlentilles formé sur les écailles des ailes. b) Image conceptuelle de l'observation nanométrique directe d'écailles d'ailes de papillon via des superlentilles, et l'image agrandie obtenue à travers la superlentille indiquant une résolution des caractéristiques avec des tailles inférieures à 1 µm sur l'échelle de l'aile. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi :https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Dans l'étude, Jia et al. a conçu une méthode pour imprimer du glycérol (liquide transparent) sur les ailes de papillon et observer des structures d'ailes à l'échelle nanométrique jusque-là non observées via des microscopes optiques conventionnels. Le travail ouvrira la voie à des superlentilles liquides avancées couplées à des méthodes rapides et flexibles en optique. Les résultats aideront à l'inspection nanostructurale via la biophotonique dans des échantillons biologiques et non biologiques.
Les ailes de papillon de Morpho cypris ont été observées pour la première fois via SEM haute résolution en 1942, ce qui a conduit à la découverte de structures détaillées en dessous de la limite de diffraction à l'aide d'outils sophistiqués. Depuis, Les papillons Morpho ont fait l'objet d'un intérêt dans la recherche sur les matériaux bioinspirés en raison de leur couleur irisée et de leurs propriétés photoniques distinctes. Depuis des décennies, les propriétés d'interférence lumineuse résultant de leurs nanostructures brillantes ont suscité un grand intérêt dans la recherche sur la nanophotonique et les matériaux biomimétiques. Cependant, les observations optiques directes de la structure limitée par la subdiffraction des ailes à l'échelle nanométrique restent encore à rapporter.
(1) Caractérisation de superlentilles imprimées en glycérol avec différents nombres de gouttes/lentille. a–e) Images latérales de lentilles de glycérol avec 1, 5, dix, 30, et 60 gouttes/lentille sur une plaquette de silicium propre. f) La forme d'onde de projection utilisée dans l'expérience. g) Tracés de hauteur de lentille (croix bleue), diamètre (étoile orange), et le rapport H/D (cercle noir) par rapport au nombre de gouttes/lentille. h) Une matrice de superlentilles de glycérol imprimée sur puce (50 vol%, 50 gouttes/lentille) observée via un objectif 4× (NA 0,10) à un angle de champ de 45° à l'aide d'un Nikon, Microscope Ti-E (à gauche). Le tableau (à droite) montre les statistiques de dimension. Barre d'échelle :a–e 20 µm, h 100µm. (2) Configurations du dispositif expérimental a) Schéma du système d'imagerie basé sur la plate-forme Nikon Ni-E sans l'utilisation d'une superlentille. Les principaux composants comprennent une caméra sCOMS Andor Zlya 5.5 avec un étage de mise au point motorisé (Z), un illuminateur à fibre de mercure Intensilight (C-LHGFIE), un cube filtre, un objectif, et une platine d'échantillonnage motorisée (XY). b) La configuration avec une microsphère BTG (en haut) et les images optiques de deux microsphères BTG, BTG-A (milieu) et BTG-B (bas), monté sur une microsonde (diamètre de pointe 5 μm) avec un adhésif NOA63 (Norland). c) La configuration avec une superlentille de glycérol imprimée (en haut) et les images optiques de deux lentilles imprimées à l'emplacement-I (milieu) et à l'emplacement-II (en bas) des échantillons CPU. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi :https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Les microsphères à indice de réfraction élevé en milieu aqueux ont suscité un grand intérêt ces dernières années pour l'observation d'échantillons biologiques immergés dans un liquide tels que des cellules biologiques in vivo. Encore, la méthode n'est pas favorable pour les échantillons à indice de réfraction élevé dans des conditions sèches. Dans le travail present, Jia et al. a présenté une superlentille de glycérol biocompatible imprimée in situ (SL) avec une résolution plus élevée et un FOV plus grand que les microsphères de verre titanate de baryum (BTG) dans des conditions sèches. Les scientifiques ont choisi le glycérol car il s'agit d'un liquide transparent avec un indice de réfraction relativement élevé qui est capable de former des gouttelettes imprimables sur une large gamme de tailles.
En tant que caractéristique importante, le glycérol contient de fortes interactions intermoléculaires et est donc très résistant à l'évaporation. Bien que les microgouttelettes d'eau s'évaporent généralement presque instantanément, par comparaison, le glycérol imprimé sous forme de gouttelettes d'un volume de 50 pour cent pourrait exister au moins pendant une journée sur des substrats sans changements de taille significatifs. Jia et al. donc des superlentilles de glycérol directement imprimées sur une aile de papillon Morpho à l'aide d'une machine d'impression à jet d'encre. Après, ils ont caractérisé les images de glycérol à l'aide d'une unité centrale de traitement (CPU)-circuit intégré (IC). Les scientifiques ont observé des nanobiostructures allant de 50 nm à 200 nm d'échelle. Dans le travail, les scientifiques ont ajusté la viscosité de la solution de glycérol via des tests de dilution avec de l'eau MiliQ pour sélectionner une concentration optimale de 50 % en volume (50 % en volume) pour l'impression.
Images acquises expérimentalement à l'emplacement-I sur l'échantillon CPU. a–d) Images optiques prises via BTG-A (a), BTG-B (b), Gly-I (c), et sans superlentille (d). L'objectif utilisé était 100× (NA 0,90). Les champs de vision estimés (FOV) dans a, b, et c valent 4,7, 2.9, et 7,5 μm de diamètre, respectivement. e) L'image SEM sur la même zone. f–j) Images agrandies sur une zone approximative de 3,9 μm × 2,7 μm à partir du centre de a–e, respectivement. Les flèches jaunes pointent vers un motif de type « H » d'environ 120 nm de largeur. k–o) Images filtrées par bande passante de f–j, respectivement. La barre d'échelle en f–o :500 nm. p) Profils des lignes rouges en k–o avec intensité normalisée. Les profils de ligne à 1700 nm sont alignés avec les caractéristiques de l'image SEM ci-dessus. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi :https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
En optique, Les lentilles à immersion solide (SIL) peuvent améliorer la résolution optique en augmentant l'ouverture numérique (NA) effective du support d'imagerie. La lentille à gouttelettes est considérée comme une version liquide des SIL avec une surface impeccable. Les scientifiques ont d'abord caractérisé les superlentilles de glycérol imprimées dans l'étude en utilisant un nombre différent de gouttes par lentille sur une plaquette de silicium propre avant l'administration sur des ailes de papillon. Ils ont sélectionné le nombre idéal de gouttes par lentille après quelques essais; les diamètres résultants des lentilles de glycérol étaient comparables aux microsphères de BTG. Après, ils ont comparé les configurations du dispositif expérimental pour les microsphères de BTG et la superlentille de glycérol. Le travail a montré que de grandes microsphères de BTG fournissaient un grand FOV, tandis qu'une résolution plus élevée a été obtenue avec des microsphères de BTG plus petites.
Lorsque les scientifiques ont comparé les images obtenues avec des superlentilles au glycérol et celles obtenues avec le BTG, les résultats ont significativement amélioré l'uniformité des images obtenues à l'aide de superlentilles au glycérol, aux côtés de fonctionnalités nanométriques plus nettes. Cela impliquait que les superlentilles de glycérol imprimées offraient une capacité de résolution supérieure par rapport aux microsphères BTG de tailles égales et plus petites dans l'air.
(1) Comparaison des images du M. m. écailles des ailes ventrales du menelaus. Les images couleur a et f ont été prises à partir de l'oculaire à l'aide d'un appareil photo iPhone 7 Plus. Les images en niveaux de gris b–d et g–i ont été prises avec une caméra Andor Zyla5.5 sCMOS. Les images e et j ont été prises par SEM; a–e sont des images d'écailles au sol ; f–j sont des images d'écailles de couverture ; et c et h sont les images agrandies des zones carrées rouges en b et g, respectivement. Les crochets jaunes indiquent l'une des pointes des lamelles sur les crêtes. Toutes les images optiques ont été prises sous un objectif 100× (NA 0,90). (2) Analyse avec des images en couleurs de structures limitées en sous-diffraction. Les écailles terrestres de M. m. ménélas. a-d) ont été prises à partir de l'oculaire à l'aide d'un appareil photo iPhone 7 Plus sans et via la superlentille en glycérol. Les profils de ligne sur les lignes pointillées rouges dans a-e sont montrés dans f et g. Les crêtes marquées par des flèches jaunes ont été agrandies et sont représentées en bas à droite. Les rectangles jaunes inversés marquent les extrémités des lamelles identifiées le long de chaque section agrandie des crêtes. Pour les crêtes Ra et Rc imagées sans le super objectif, aucune pointe de lamelle n'a pu être distinguée. Les labels « La–e » correspondent à des profils de lignes, et les étiquettes « Ra–e » correspondent aux crêtes agrandies. Barre d'échelle :2 μm. Microscopie optique OM, Superlentille SL, Microscopie électronique à balayage SEM. Crédit :Microsystèmes &Nano-ingénierie, doi :https://doi.org/10.1038/s41378-018-0040-3
Dans leur travail, Jia et al. observé deux types de papillons :Morpho Menelaus et Agrias beatifica beata. Les scientifiques ont imprimé 60 gouttes de glycérol (ou lentilles) sur les échantillons de papillons pour obtenir des lentilles sphériques d'environ 95 µm de diamètre. Ils ont observé les caractéristiques de l'échelle des ailes via un système de microscope droit. Les scientifiques ont pu capturer les écailles des ailes ventrales des papillons, où l'espèce Morpho présentait deux types d'écailles d'ailes; écailles du sol et de la couverture.
Par rapport au SEM, les superlentilles de glycérol étaient incapables de résoudre entièrement les structures complètes, mais ils ont montré l'existence de sous-structures entre les crêtes des ailes de papillon. Par exemple, Jia et al. ont montré que les superlentilles de glycérol in situ pouvaient étendre la limite des structures nanométriques dans les échantillons biologiques à une largeur d'environ 200 nm. Des expériences supplémentaires ont montré la capacité d'imager en couleur des nanobiostructures limitées par la sous-diffraction à l'aide des superlentilles.
La nouvelle méthode offre un technique d'imagerie rapide et à haute résolution pour visualiser in situ des nanobiostructures limitées par la subdiffraction. Le travail ouvre la voie à des liquides non miscibles à l'eau avec des indices de réfraction élevés pour imprimer des superlentilles liquides pour des applications d'imagerie par immersion dans l'eau. Les liquides biocompatibles tels que l'huile de silicone peuvent ensuite être explorés comme superlentilles sous l'eau via une impression à jet d'encre à faible coût. Les scientifiques des matériaux continuent de travailler à la conception de superlentilles liquides avancées en nanobiophotonique. Le schéma introduit par Jia et al. fournit une stratégie rapide et facile à mettre en œuvre pour observer les nanobiostructures dans des échantillons biologiques et non biologiques.
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