Faites une recherche Google pour les images en fond noir, et vous découvrirez un monde magnifiquement détaillé d'organismes microscopiques contrastant vivement avec leurs arrière-plans noirs de minuit. La microscopie à fond noir peut révéler des détails complexes de cellules translucides et d'organismes aquatiques, ainsi que des diamants à facettes et d'autres pierres précieuses qui seraient autrement très pâles ou même invisibles sous un microscope à champ clair typique.

Les scientifiques génèrent des images en fond noir en équipant des microscopes standard de composants souvent coûteux pour éclairer la platine de l'échantillon avec un creux, cône de lumière fortement incliné. Lorsqu'un échantillon translucide est placé sous un microscope à fond noir, le cône de lumière diffuse les caractéristiques de l'échantillon pour créer une image de l'échantillon sur la caméra du microscope, en contraste lumineux avec le fond sombre.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont développé un petit puce en miroir qui aide à produire des images en fond noir, sans composants coûteux dédiés. La puce est légèrement plus grande qu'un timbre-poste et aussi fine qu'une carte de crédit. Lorsqu'il est placé sur la platine d'un microscope, la puce émet un cône de lumière creux qui peut être utilisé pour générer des images détaillées d'algues en fond noir, bactéries, et de petits objets tout aussi translucides.

La nouvelle puce optique peut être ajoutée aux microscopes standard à un prix abordable, alternative réduite aux composants conventionnels à fond noir. La puce peut également être installée dans des microscopes portatifs pour produire des images de micro-organismes sur le terrain.

"Imaginez que vous êtes un biologiste marin, " dit Cécile Chazot, un étudiant diplômé du Département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT. « Vous devez normalement apporter un grand seau d'eau dans le laboratoire pour analyser. Si l'échantillon est mauvais, vous devez revenir en arrière pour collecter plus d'échantillons. Si vous avez un ordinateur de poche, microscope à fond noir, vous pouvez vérifier une goutte dans votre seau pendant que vous êtes en mer, pour voir si vous pouvez rentrer chez vous ou si vous avez besoin d'un nouveau seau.

Chazot est l'auteur principal d'un article détaillant le nouveau design de l'équipe, publié dans la revue Photonique de la nature . Ses co-auteurs sont Sara Nagelberg, Igor Coropceanu, Kurt Broderick, Yunjo Kim, Moungi Bawendi, Pierre Alors, et Mathias Kolle du MIT, avec Christopher Rowlands à l'Imperial College de Londres et Maik Scherer de Papierfabrik Louisenthal GmbH en Allemagne.

Toujours fluorescent

Dans un effort continu, les membres du laboratoire de Kolle conçoivent des matériaux et des appareils qui présentent des "couleurs structurelles" durables qui ne reposent pas sur des colorants ou une pigmentation. Au lieu, ils utilisent des structures à l'échelle nanométrique et microscopique qui réfléchissent et diffusent la lumière un peu comme de minuscules prismes ou des bulles de savon. Ils peuvent donc sembler changer de couleur selon la façon dont leurs structures sont agencées ou manipulées.

La couleur structurelle peut être vue dans les ailes irisées des coléoptères et des papillons, les plumes des oiseaux, ainsi que des écailles de poisson et quelques pétales de fleurs. Inspiré par des exemples de couleur structurelle dans la nature, Kolle a étudié diverses façons de manipuler la lumière d'un microscopique, point de vue structurel.

Dans le cadre de cet effort, lui et Chazot ont conçu un petit, puce à trois couches qu'ils avaient initialement l'intention d'utiliser comme laser miniature. La couche intermédiaire fonctionne comme la source lumineuse de la puce, fabriqué à partir d'un polymère infusé de points quantiques, de minuscules nanoparticules qui émettent de la lumière lorsqu'elles sont excitées par une lumière fluorescente. Chazot compare cette couche à un bracelet glowstick, où la réaction de deux produits chimiques crée la lumière; sauf qu'ici, aucune réaction chimique n'est nécessaire - juste un peu de lumière bleue fera briller les points quantiques dans des couleurs orange et rouge vif.

"En bâtons lumineux, finalement, ces produits chimiques cessent d'émettre de la lumière, " dit Chazot. " Mais les points quantiques sont stables. Si vous deviez faire un bracelet avec des points quantiques, ils seraient fluorescents très longtemps."

Sur cette couche génératrice de lumière, les chercheurs ont placé un miroir de Bragg, une structure faite de couches nanométriques alternées de matériaux transparents, avec des indices de réfraction nettement différents, c'est-à-dire les degrés auxquels les couches reflètent la lumière entrante.

Le miroir de Bragg, Kolle dit, agit comme une sorte de "gardien" des photons émis par les points quantiques. La disposition et l'épaisseur des couches du miroir sont telles qu'elles permettent aux photons de s'échapper vers le haut et hors de la puce, mais seulement si la lumière arrive au miroir à des angles élevés. La lumière arrivant à des angles inférieurs est renvoyée dans la puce.

Les chercheurs ont ajouté une troisième fonctionnalité sous la couche génératrice de lumière pour recycler les photons initialement rejetés par le miroir de Bragg. Cette troisième couche est moulée en solide, époxy transparent recouvert d'un film d'or réfléchissant et ressemble à une caisse à œufs miniature, creusé de petits puits, chacun mesurant environ 4 microns de diamètre.

Chazot a recouvert cette surface d'une fine couche d'or hautement réfléchissant - un arrangement optique qui agit pour capter toute lumière qui se réfléchit du miroir de Bragg, et ping-pong qui se rallument, probablement sous un nouvel angle que le miroir laisserait passer. Le design de cette troisième couche a été inspiré par la structure à l'échelle microscopique des ailes du papillon Papilio.

"Les écailles des ailes du papillon présentent des structures en forme de caisse à œufs vraiment intrigantes avec une doublure en miroir Bragg, ce qui leur donne leur couleur irisée, " dit Chazot.

Un décalage optique

Les chercheurs ont initialement conçu la puce comme un réseau de sources laser miniatures, pensant que ses trois couches pourraient travailler ensemble pour créer des modèles d'émission laser sur mesure.

"Le projet initial était de construire un assemblage de cavités laser microscopiques couplées individuellement commutables, " dit Kolle, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. "Mais quand Cécile a réalisé les premières surfaces on s'est rendu compte qu'elles avaient un profil d'émission très intéressant, même sans laser."

Quand Chazot avait regardé la puce au microscope, elle remarqua quelque chose de curieux :la puce n'émettait des photons qu'à des angles élevés formant un cône de lumière creux. Il s'avère que, le miroir de Bragg avait juste les bonnes épaisseurs de couche pour ne laisser passer les photons que lorsqu'ils arrivaient au miroir avec un certain angle (élevé).

"Une fois que nous avons vu ce cône de lumière creux, nous nous sommes demandés :« Cet appareil pourrait-il être utile à quelque chose ?

Comme il s'avère, ils avaient incorporé les capacités de plusieurs coûteux, composants de microscope à fond noir encombrants dans une seule petite puce.

Chazot et ses collègues ont utilisé des concepts optiques théoriques bien établis pour modéliser les propriétés optiques de la puce afin d'optimiser ses performances pour cette nouvelle tâche. Ils ont fabriqué plusieurs puces, chacun produisant un cône de lumière creux avec un profil angulaire sur mesure.

" Quel que soit le microscope que vous utilisez, parmi tous ces minuscules petits éclats, on travaillera avec votre objectif, " dit Chazot.

Pour tester les puces, l'équipe a collecté des échantillons d'eau de mer ainsi que des souches non pathogènes de la bactérie E. coli, et ont placé chaque échantillon sur une puce qu'ils ont placée sur la plate-forme d'un microscope à fond clair standard. Avec cette configuration simple, ils ont pu produire des images claires et détaillées sur fond noir de cellules bactériennes individuelles, ainsi que des micro-organismes dans l'eau de mer, qui étaient presque invisibles sous un éclairage à fond clair.

Kolle dit que dans un avenir proche, ces puces d'éclairage à fond noir pourraient être produites en série et adaptées pour même des microscopes de niveau secondaire, pour permettre l'imagerie de faible contraste, échantillons biologiques translucides. En combinaison avec d'autres travaux dans le laboratoire de Kolle, les puces peuvent également être incorporées dans des dispositifs d'imagerie à fond noir miniaturisés pour des diagnostics sur le lieu de soins et des applications bioanalytiques.

« Si nous pouvons sous-traiter une partie de la gestion de la lumière à une surface que vous pouvez appliquer comme substrat d'échantillon sur un microscope, cela fait de l'imagerie sur fond noir une option intrigante et accessible dans de nombreux scénarios d'imagerie, " dit Kolle.