Forskere lager mikroskop fra dråper

Vann Under Ett Mikroskop - Protozoer i hagedam - Mikroorganismer (Kan 2019).

Anonim

Flytende dråper er naturlige forstørrere. Se inne i en enkelt dråpe vann, og du vil sannsynligvis se en refleksjon av verden rundt deg, nærbilde og distended som du vil se i en krystallkule.

Forskere ved MIT har nå utviklet små "mikrolinser" fra komplekse væskedråper som er sammenlignbare i størrelsen til bredden av et menneskehår. De rapporterer forskriften denne uken i journal Nature Communications.

Hver dråpe består av en emulsjon, eller en kombinasjon av to væsker, en innkapslet i den andre, som ligner en perle olje i en dråpe vann. Selv i sin enkle form kan disse dråpene forstørre og produsere bilder av omgivende gjenstander. Men nå kan forskerne også omkonfigurere egenskapene til hver dråpe for å justere måten de filtrerer og sprer lys på, tilsvarende å justere fokuset på et mikroskop.

Vitenskapsmennene brukte en kombinasjon av kjemi og lys for å nøyaktig forme krumningen av grensesnittet mellom den indre perlen og den omkringliggende dråpen. Dette grensesnittet fungerer som en slags intern linse, sammenlignet med de sammensatte objektivelementene i mikroskoper.

"Vi har vist at væsker er svært allsidige optisk, " sier Mathias Kolle, britisk og Alex d'Arbeloff Karriereutviklingsassistentlærer i MITs institutt for maskinteknikk. "Vi kan lage komplekse geometrier som danner linser, og disse linsene kan stilles inn optisk. Når du har en tunbar mikrolens, kan du drømme opp alle slags applikasjoner."

Kolle sier for eksempel at innstillbare mikrolinser kan brukes som flytende piksler i en tredimensjonal skjerm, og dirigerer lys til nøyaktig bestemte vinkler og projiserer bilder som endres avhengig av vinkelen som de blir observert. Han ser også på lommestørrelser som kan ta et blodprøve og sende det over en rekke små dråper. Dråpene ville fange bilder fra varierende perspektiver som kunne brukes til å gjenopprette et tredimensjonalt bilde av individuelle blodceller.

"Vi håper at vi kan bruke bildekapasiteten til linser på mikroskalaen kombinert med dynamisk justerbare optiske egenskaper for komplekse fluidbaserte mikrolinser for å gjøre avbildning på en måte som folk ikke har gjort ennå, " sier Kolle.

Kolles MIT-medforfattere er kandidatstudent og lederforfatter Sara Nagelberg, tidligere postdoc Lauren Zarzar, junior Natalie Nicolas, tidligere postdoc Julia Kalow, forskningsansatt Vishnu Sresht, professor i kjemisk ingeniørfag Daniel Blankschtein, professor i maskinteknikk George Barbastathis og John D. MacArthur professor i kjemi Timothy Swager. Moritz Kreysing og Kaushikaram Subramanian av Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics er også medforfattere.

Forme en kurve

Gruppens arbeid bygger på forskning fra Swager's team, som i 2015 rapporterte en ny måte å lage og omkonfigurere komplekse emulsjoner på. Spesielt utviklet laget en enkel teknikk for å lage og kontrollere størrelsen og konfigurasjonen av doble emulsjoner, for eksempel vann som ble suspendert i olje, deretter suspendert igjen i vann. Kolle og hans kolleger brukte de samme teknikkene for å lage sine flytende linser.

De valgte først to gjennomsiktige væsker, en med en høyere brytningsindeks (en egenskap som relaterer seg til hastigheten som lyset beveger seg gjennom et medium), og den andre med en lavere brytningsindeks. Kontrasten mellom de to brytningsindeksene kan bidra til en dråpes fokuseringskraft. Forskerne strømmet væskene inn i et hetteglass, oppvarmet dem til en temperatur der væskene ville blande, og deretter tilsettes en vann-overflateaktive løsning. Når væskene ble blandet raskt, dannet små emulsjonsdråper. Etter hvert som blandingen ble avkjølt, separerte væskene i hver av dråpene, hvilket resulterte i dråper i dråper.

For å manipulere dråpernes optiske egenskaper, tilsatte forskerne visse konsentrasjoner og forhold mellom forskjellige overflateaktive stoffer-kjemiske forbindelser som senker grensespenningen mellom to væsker. I dette tilfellet valgte et av de overflateaktive stoffene laget et lysfølsomt molekyl. Når det eksponeres for ultrafiolett lys, endrer dette molekylet sin form, noe som endrer spenningen ved dråpe-vann-grensesnittene og dråpens fokuskraft. Denne effekten kan reverseres ved eksponering for blått lys.

"Vi kan for eksempel endre brennvidde, og vi kan bestemme hvor et bilde hentes fra, eller hvor en laserstråle fokuserer på, " sier Kolle. "Når det gjelder lysstyring, forplantning og skreddersydelse av lysstrøm, er det virkelig et godt verktøy."

Optikk i horisonten

Kolle og hans kollegaer testet egenskapene til mikrolinsene gjennom en rekke eksperimenter, inkludert en hvor de helles dråper inn i en grunne plate, plassert under en stencil, eller "fotomask" med en utsparing av et smilende ansikt. Når de slått på en overhead UV-lampe, filtrerte lyset gjennom hullene i fotomasken, aktiverte overflateaktive stoffene i dråpene under. Disse dråpene skiftet i sin tur fra deres opprinnelige, flate grensesnitt til en mer buet en, som sterkt spredt lys, og derved genererte et mørkt mønster i platen som lignet fotomaskens smiley-ansikt.

Forskerne beskriver også ideen deres for hvordan mikrolinsene kan brukes som lommeformede mikroskoper. De foreslår å danne en mikrofluidisk enhet med et lag av mikrolinser, som hver kan fange et bilde av et lite objekt som flyter forbi, for eksempel en blodcelle. Hvert bilde ville bli tatt fra et annet perspektiv, noe som til slutt tillater gjenoppretting av informasjon om objektets tredimensjonale form.

"Hele systemet kan være på størrelse med telefonen eller lommeboken, " sier Kolle. "Hvis du legger litt elektronikk rundt det, har du et mikroskop hvor du kan strømme blodceller eller andre celler gjennom og visualisere dem i 3-D."

Han ser også skjermbilder, lagd med mikrolinser, som er utformet for å bryte ned lys i bestemte retninger.

"Kan vi projisere informasjon til en del av en mengde og annen informasjon til en annen del av publikum i en stadion?" Kolle sier. "Disse typer optikk er utfordrende, men mulig."

menu
menu