Microscopio a polarizzazione policromatica: portare i colori in un mondo incolore

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 17340 (2015) Citare questo articolo

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L'interferenza di due raggi di luce bianca combinati produce colori Newton se uno dei raggi è ritardato rispetto all'altro da 400 nm a 2000 nm. In questo caso le corrispondenti componenti spettrali interferenti vengono aggiunte come due scalari alla combinazione del fascio. Se il ritardo è inferiore a 400 nm l'interferenza a due raggi produce solo sfumature grigie. I colori di interferenza sono ampiamente utilizzati per analizzare campioni birifrangenti in mineralogia. Tuttavia, molte strutture biologiche hanno un ritardo <100 nm. Pertanto, le cellule e i tessuti sotto un normale microscopio a polarizzazione vengono visti come un'immagine grigia, il cui contrasto scompare con determinati orientamenti. Qui proponiamo per la prima volta l'utilizzo dell'interferenza vettoriale della luce polarizzata in cui i colori dello spettro completo vengono creati con un ritardo di diversi nanometri, con la tonalità determinata dall'orientamento della struttura birifrangente. Le immagini birifrangenti di organelli, cellule e tessuti, precedentemente incolori, diventano vividamente colorate. Questo approccio può aprire nuove possibilità per lo studio di campioni biologici con strutture birifrangenti deboli, per la diagnosi di varie malattie, per l'imaging di cristalli a bassa birifrangenza e per la creazione di nuovi metodi per il controllo dei colori del fascio di luce.

La luce bianca naturale è costituita da una miscela di onde monocromatiche con lunghezze d'onda comprese tra 380 nm e 700 nm1. Se il raggio di luce viene diviso in due parti e poi ricombinato, possiamo osservare un'interferenza. Ogni onda monocromatica produce il proprio modello di interferenza. Alcune onde subiscono interferenze distruttive e la loro intensità diminuisce. L'intensità delle altre onde aumenta a causa dell'interferenza costruttiva. Il raggio combinato mostra i colori di interferenza di Newton. La tonalità è determinata dalla lunghezza d'onda, che manca nello spettro a causa di interferenze distruttive.

Esistono due tipi di colori di interferenza, uno con sfasamento iniziale pari a zero tra due raggi interferenti (frangia acromatica bianca, interferenza costruttiva) e un altro con sfasamento iniziale di semionda (frangia acromatica nera, interferenza distruttiva)2,3,4,5 . Producono sequenze di colori complementari, che sono descritte dalla scala di colori di Newton. Il secondo tipo di colori di interferenza appare durante la riflessione di una bolla di sapone, di due superfici di vetro sferiche e piatte vicine (anelli colorati di Newton), di una chiazza d'olio in una pozzanghera o di una macchia d'olio sull'asfalto bagnato, ecc. Questo tipo di interferenza viene utilizzata nell'interferenza e microscopia di polarizzazione perché è più sensibile al cambiamento di basso ritardo e trasporta meno rumore di ripresa. Con un piccolo ritardo (<200 nm), l'interferenza distruttiva viene attenuata simultaneamente per tutte le lunghezze d'onda e la luminosità della regione aumenta, dapprima con una composizione spettrale bianca. Ma quando il ritardo si avvicina a 400 nm, la parte blu dello spettro viene soppressa e il campione diventa giallo e poi rosso. Una volta che il ritardo raggiunge i 600 nm, la parte rossa dello spettro viene bloccata e il campione vira al blu e poi al verde. Il colore cambia in questa sequenza altre tre volte fino a quando il ritardo raggiunge i 2000 nm. Successivamente i colori di interferenza diventano bianchi e il ritardo non può più essere determinato in modo affidabile utilizzando la composizione spettrale della regione. La colorazione della luce polarizzata è ampiamente utilizzata da molti anni in mineralogia e petrografia6,7,8,9,10,11,12. Ma questo fenomeno in precedenza non poteva essere utilizzato in biologia perché molti campioni biologici mostrano un ritardo di diverse decine di nm o meno e quindi sono incolori.

Abbiamo sviluppato un nuovo microscopio a luce polarizzata policromatica (polscope policromatico) che produce colori di interferenza con un ritardo di diversi nm. I tradizionali colori Newton richiedono che i raggi interferenti con gli stessi stati di polarizzazione e le stesse ampiezze dei raggi vengano sommati come due scalari. Nel nostro approccio alla generazione dei colori di interferenza utilizziamo la polarizzazione del raggio e le ampiezze dei raggi interferenti, che vengono aggiunti come due vettori. Nel poliscopio policromatico la tonalità è determinata dall'orientamento della struttura birifrangente, non dal suo ritardo. Pertanto, è possibile ottenere il colore a spettro completo con un ritardo molto inferiore. Il poliscopio policromatico mostra l'immagine birifrangente indipendente dall'orientamento senza richiedere alcun calcolo digitale. Un occhio o una fotocamera possono vedere direttamente l'immagine di polarizzazione colorata in tempo reale attraverso l'oculare con luminosità corrispondente al ritardo e colore corrispondente all'orientamento dell'asse lento. Le immagini birifrangenti di organelli, cellule e tessuti precedentemente incolori diventano vividamente colorate.