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　　背景介绍
　　
　　暗场显微镜是生物学研究中必不可少的成像工具，可为各种未染色的样品提供高对比度图像。
　　
　　在暗场图像中，美丽的微观生物世界，与它们的幽邃的黑色背景形成鲜明对比，可以呈现出半透明细胞和水生生物的复杂细节，甚至是钻石和其他宝石的晶体形貌。

　　
　　暗场显微镜通常是由普通的显微镜与其他价格昂贵的部件组装而成的，以用空心的，高角度的圆锥形照明样品台，从而产生暗场图像。
　　
　　现在，麻省理工学院的研究人员开发出一种小型的镜射芯片，无需专用的组件即可产生暗场图像。该芯片比邮票略大，厚度相当于信用卡。
　　
　　当放置在显微镜的载物台上时，芯片会发出空心的圆锥形光，可用于生成藻类，细菌和类似半透明的微小物体的详细暗场图像。

　　
　　02
　　
　　主要原理
　　
　　在传统的暗场显微镜中，光以大于物镜最大视场角的角度入射到样品上，使得物镜仅接受到样品散射到物镜视场内的光。
　　
　　传统的暗场显微镜需要专用的滤镜、物镜和聚光镜来实现入射的锥形光束。
　　
　　但受组件的结构和性能的限制，往往会出现分辨率低、背景变暗和成像系统尺寸过大等情况。
　　
　　本项研究的主要特点是将暗场光源集成到样品基板中来简化暗场显微镜仪器。
　　
　　为了将基板发出的光限制在合适的角度内，本系统采用了三种不同的组件：
　　
　　（1）用平面布拉格镜，确定表面的角度发射轮廓。
　　
　　（2）布拉格镜下方的发光层由分散在（PMMA）矩阵中的发光硒化镉/硫化镉（CdSe / CdS）量子点（QDs）构成。
　　
　　（3）发光层下面的微结构反射镜，将光循环到由布拉格反射镜透射的传播角度范围内。

　　
　　03
　　
　　创新研究
　　
　　3.1意外的收获
　　
　　该设计的灵感来自在凤蝶蝴蝶的鳞片中发现的色彩混合结构。
　　
　　该课题组最初的研究方向是设计具有持久性“结构色”的材料和设备，作为这项工作的一部分，研究人员设计了一个小型的三层芯片，最初打算用作微型激光器耦合腔的组件。
　　
　　当他们在显微镜下观察芯片时意识到这种芯片具有非常有趣的发射轮廓，可以应用在暗场显微镜中。
　　
　　3.2永远的荧光
　　
　　研究者称这种暗场成像技术为依托于基板的独特发光特性，即“基板发光暗场成像”（SLED）。
　　
　　这种芯片分为三层：
　　
　　第一层是布拉格镜，由13层二氧化钛和二氧化硅组成。
　　
　　第二层是带有量子点的聚合物。
　　
　　第三层是涂有反射性金膜的树脂，上面排布着圆形凹陷阵列，形状类似蛋箱。
　　
　　布拉格反射镜是量子点发射的光子的一种“守门人”。
　　
　　反射镜层的排列和厚度使得光子可以向上逸出芯片，但前提是光必须以大角度射入反射镜。
　　
　　量子点是一种微小的纳米粒子，当被荧光激发时会发光，类似荧光棒。只不过荧光棒是利用两种物质发生化学反应发光，且荧光很快便会消失。
　　
　　而量子点则可以在蓝光的刺激下发出持久而稳定的红光。最下层的金膜可以接收从布拉格镜反射回来的所有光，然后将其反射回去。
　　
　　反射光很可能以新的角度通过布拉格镜。
　　
　　蝴蝶的翅膀就是因为具有蛋箱状结构，并带有布拉格镜衬里，才使其具有虹彩般的色彩。
　　
　　3.3大胆的尝试
　　
　　麻省理工的研究人员们使用基础的光学理论对这种芯片进行了建模并进行了模拟计算和优化，在此基础上制作出了多个芯片样品，每个芯片产生特定角度的空心圆锥形光束。
　　
　　为了测试芯片，该团队收集了海水样本以及大肠杆菌菌株，将每个样本放在芯片上，并将其放置在标准明场显微镜的平台上。
　　
　　通过这种简单的设置，他们能够生成单个细菌细胞以及海水中的微生物的清晰详细的暗场图像，而这些图像在明场照明下几乎是不可见的。
　　
　　如下图是传统的明场显微镜和SLED暗场显微镜的成像对比。

　　
　　04
　　
　　总结展望
　　
　　本研究通过理论建模和实验验证，表明了通过控制结构的组成和微观结构形貌来制备特定的发光基底，具有实现新型暗场显微镜的潜力。
　　
　　这种方法可通过不带暗场组件的简单紧凑的光学显微镜进行暗场成像。
　　
　　实验表明，可以将面积为25×25 mm²的芯片设计为显示多达10种不同的光谱和不同角度的发射轮廓。
　　
　　在不久的将来，这些暗视场照明芯片可以批量生产，甚至可以为简单的高中级显微镜量身定制，以使低对比度，半透明的生物样品成像。
　　
　　结合该实验室中的其他工作，这些芯片也可以集成到微型暗场成像设备中，以进行现场即时诊断和生物分析应。
　　
　　就像美国陆军纳米技术研究所的 James Burgess所说的，这是一个关于创新的奇妙故事，这种芯片可以应用于各种不同的显微镜。
　　
　　通过配备这种技术，可以在生物威胁和毒素识别领域取得重要进展，对科学和教育也会产生广泛的影响。