Microscópio de polarização policromática: trazendo cores para um mundo incolor

Scientific Reports volume 5, Artigo número: 17340 (2015) Citar este artigo

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A interferência de dois feixes de luz branca combinados produz cores de Newton se um dos feixes for retardado em relação ao outro de 400 nm a 2.000 nm. Neste caso, os componentes espectrais interferentes correspondentes são adicionados como dois escalares na combinação do feixe. Se o retardo for inferior a 400 nm, a interferência de dois feixes produz apenas tons de cinza. As cores de interferência são amplamente utilizadas para análise de amostras birrefringentes em mineralogia. No entanto, muitas das estruturas biológicas apresentam retardo <100 nm. Portanto, células e tecidos sob um microscópio de polarização regular são vistos como uma imagem cinza, cujo contraste desaparece em certas orientações. Aqui estamos propondo pela primeira vez o uso de interferência vetorial de luz polarizada em que as cores do espectro completo são criadas com retardo de vários nanômetros, com a tonalidade determinada pela orientação da estrutura birrefringente. As imagens birrefringentes anteriormente incolores de organelas, células e tecidos tornam-se vividamente coloridas. Esta abordagem pode abrir novas possibilidades para o estudo de espécimes biológicos com estruturas birrefringentes fracas, diagnosticando diversas doenças, criando imagens de cristais com baixa birrefringência e criando novos métodos para controlar as cores do feixe de luz.

A luz branca natural consiste em uma mistura de ondas monocromáticas com comprimentos de onda que variam de 380 nm a 700 nm1. Se o feixe de luz for dividido em duas partes e depois recombinado, podemos observar interferência. Cada onda monocromática produz seu próprio padrão de interferência. Algumas ondas sofrem interferência destrutiva e sua intensidade diminui. A intensidade de outras ondas aumenta devido à interferência construtiva. O feixe combinado exibe as cores de interferência de Newton. A tonalidade é determinada pelo comprimento de onda que está faltando no espectro devido à interferência destrutiva.

Existem dois tipos de cores de interferência, uma com deslocamento de fase inicial zero entre dois feixes interferentes (franja acromática branca, interferência construtiva) e outra com deslocamento de fase inicial de meia onda (franja acromática preta, interferência destrutiva)2,3,4,5 . Eles produzem sequências de cores complementares, que são descritas pela escala de cores de Newton. O segundo tipo de cores de interferência aparece durante a reflexão de uma bolha de sabão, duas superfícies de vidro planas e esféricas próximas (anéis coloridos de Newton), uma mancha de óleo em uma poça ou uma mancha de óleo no asfalto molhado, etc. microscopia de polarização porque é mais sensível para alterações de baixo retardo e carrega menos ruído de disparo. Para retardos pequenos (<200 nm), a interferência destrutiva é relaxada para todos os comprimentos de onda simultaneamente e o brilho da região aumenta, primeiro com uma composição espectral branca. Mas depois que o retardo se aproxima de 400 nm, a parte azul do espectro é suprimida e a amostra torna-se amarela e depois vermelha. Quando o retardo atinge 600 nm, a parte vermelha do espectro é bloqueada e a amostra fica azul e depois verde. A cor muda nesta sequência mais três vezes até que o retardo atinja 2.000 nm. Então as cores de interferência ficam brancas e o retardo não pode mais ser determinado de forma confiável usando a composição espectral da região. A coloração da luz polarizada tem sido amplamente utilizada em mineralogia e petrografia há muitos anos6,7,8,9,10,11,12. Mas este fenómeno anteriormente não podia ser utilizado em biologia porque muitos espécimes biológicos apresentam retardo de várias dezenas de nm ou menos e, portanto, são incolores.

Desenvolvemos um novo microscópio de luz polarizada policromática (polscope policromático) que produz cores de interferência com retardo de vários nm. As cores tradicionais de Newton exigem que os feixes interferentes com os mesmos estados de polarização e as amplitudes dos feixes sejam adicionados como dois escalares. Em nossa abordagem de geração de cores de interferência utilizamos a polarização do feixe e as amplitudes dos feixes interferentes, que são somados como dois vetores. No polscópio policromático, a tonalidade é determinada pela orientação da estrutura birrefringente, não pelo seu retardo. Assim, a cor do espectro completo pode ser alcançada com um retardo muito menor. O polscópio policromático mostra a imagem de birrefringência independente de orientação sem a necessidade de qualquer cálculo digital. Um olho ou câmera pode ver diretamente a imagem de polarização colorida em tempo real através da ocular com brilho correspondente ao retardo e cor correspondente à orientação do eixo lento. Organelas, células e tecidos anteriormente incolores, imagens birrefringentes tornam-se vividamente coloridas.