Kvantový zdroj světla zvyšuje čistotu biologického zobrazení

0
Kvantový zdroj světla zvyšuje čistotu biologického zobrazení

Quantum light source advances bio-imaging clarity

Kvantově vylepšené mikroskopické zobrazování využívající vodu jako signální médium. Zobrazovacím objektem je kus skla ve tvaru trojúhelníku zobrazený ve vložce (a), kde je bílý pruh měřítka 1 mm v horizontálním směru. Více než 3 dB kvantově vylepšené SNR neboli kontrast obrazu je jasně vidět v (b). Kredit: OPTICKÝ (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.467635

Výzkumníci z Texas A&M University dokázali to, co bylo kdysi považováno za nemožné – vytvořili zařízení schopné stlačit kvantové fluktuace světla do nasměrované dráhy a použít je ke zlepšení kontrastního zobrazování.

Tato jedinečná „baterka“ byla postavena pro zvýšení signáluhlukový poměr přítomný v Brillouinově mikroskopickém spektroskopickém měření, které vizuálně zaznamenávají mechanické vlastnosti struktur uvnitř živých buněk a tkání. Výsledky testů odhalují, že nový zdroj výrazně zvyšuje čistotu a přesnost obrazu.

“Toto je nová cesta ve výzkumu,” řekl Dr. Vladislav Jakovlev, univerzitní profesor na katedře biomedicínského inženýrství na Vysoké škole inženýrství. “Speciálně navrhujeme světlo takovým způsobem, aby mohlo zlepšit kontrast.”

“Je to nový milník ve schopnostech Brillouinovy ​​mikroskopie a zobrazování široce využívané pro biologické systémy,” řekl Dr. Girish Agarwal, univerzitní významný profesor na katedře biologického a zemědělského inženýrství na College of Agriculture and Life Sciences. “A stává se součástí mezinárodního úsilí vyvinout kvantové senzory pro různé aplikace, jako je zobrazování mozku, mapování struktury biomolekul a průzkum podzemních zdrojů ropy a vody navržením supercitlivých gravimetrů.”

Dokument s podrobnostmi o práci byl zveřejněn v OPTICKÝ.

Všechny přístroje schopné zachytit obraz nebo obraz také zachycují zkreslení signálu nebo šum. Zkreslení může pocházet z příliš velkého nebo příliš malého množství světla a dokonce i problémy s jasem nebo barvou z prostředí kolem objektu. Většina šumu je nepovšimnuta, dokud se obraz nezvětší natolik, aby prosté oko jasně vidělo nežádoucí pixely.

Brillouinova mikroskopie je základním limitem v současné době možného zobrazování ve zmenšeném měřítku. Proces se zaměřuje na lasery pevné předměty a měří vlny nebo signály vibrací vytvářené pohybujícími se atomy a strukturami ve viditelně nehybném materiálu.

Hluk produkovaný v tomto měřítku může vážně zastínit přijímané signály a vytvářet zakalené obrazy, které je obtížné interpretovat. V současné době všechny laserové spektroskopické systémy, jako je Brillouinova mikroskopie, trpí přirozeným a technickým zkreslením signálu souvisejícím s laserové světloproto jsou potřeba novější světelné zdroje.

Před šesti lety se Jakovlev pokusil zlepšit poměr signálu k šumu v Brillouinově mikroskopii pomocí intenzivních světelných zdrojů. Bohužel nadměrné vystavení světlu poškodilo buňky, které zobrazoval.

Jakovlev hledal odpovědi v literatuře a našel teorii z 80. let, která předpokládala, že kvantové světlo by mohlo problém vyřešit, i když nezmínila jak. Agarwal, odborník na kvantovou fyziku, přišel na možnou cestu. Dr. Tian Li, tehdejší postdoktorandský výzkumník z University of Maryland, byl najat, aby vytvořil první kvantovou světelnou laboratoř v Texas A&M. Prostor laboratoře poskytl Dr. Marlan Scully, ředitel Institutu pro kvantovou vědu a inženýrství.

Tým čelil dvěma významným výzvám: najít financování tak divokého nápadu a najít postgraduální studenty a postdoktorandské výzkumníky, kteří by jim pomohli – takové, kteří byli ochotni zasahovat do oblasti biologie a kvantové fyziky.

Po téměř dvou letech energického průzkumu se zařízení rozrostlo na stolní zařízení složitých optických konfigurací a měřicích přístrojů, které výzkumníkům umožňovaly upravovat, řídit a efektivně manipulovat a detekovat světlo. Během té doby Li lépe porozuměl biologii a Jakovlev a Agarwal vyvinuli mechanismus k vytvoření správného stavu a hmoty světla potřebného pro redukci hluku bez poškození živých buněk.

Ačkoli zařízení na stlačování světla lze použít pro jiná spektroskopická měření, jako je Ramanův rozptyl, Jakovlev a Agarwal vylepšují schopnosti Brillouinovy ​​mikroskopie k identifikaci viskózních nebo elastických materiálů v biologických systémech. Tyto systémy řídí fyzikální vlastnosti buněk a buněčných struktur a definují vše od vývoje buněk po progresi rakoviny.

Vidět detaily jasně znamená obrovský rozdíl v biomedicínských průlomech.

“Pokaždé, když si pořídíte nový dalekohled nebo něco jako astronomie gravitačních vln, objevíte nové věci, které bez něj nemůžete vidět,” řekl Jakovlev. “Totéž funguje v biologii. Před vynálezem mikroskopu jsme nevěděli, že se skládáme z jednotlivých buněk.”

Zatím byl vylepšen pouze kontrast spektroskopických snímků, ale Jakovlev a Agarwal již pracují na Agarwalově teorii, aby zlepšili prostorové rozlišení nebo co nejmenší detaily. A pokud tento úkol povede k vytvoření dalšího složitého zařízení, které posouvá limity současné technologie, výzkumníci jsou připraveni a ochotni to udělat.

“Miluji ty typy projektů, kde vám lidé říkají, že něco nikdy nebude fungovat, a ono to funguje,” řekl Jakovlev. “Miluji výzvy.”


Vysoce výkonný 937nm laser umožňuje vědcům vidět hlouběji s nižším výkonem


Více informací:
Tian Li et al, Kvantově vylepšená stimulovaná Brillouinova rozptylová spektroskopie a zobrazování, OPTICKÝ (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.467635

Citace: Kvantový světelný zdroj zlepšuje jasnost biologického zobrazování (2022, 19. září) staženo 20. září 2022 z https://phys.org/news/2022-09-quantum-source-advances-bio-imaging-clarity.html

Tento dokument podléhá autorským právům. Kromě jakéhokoli poctivého jednání za účelem soukromého studia nebo výzkumu nesmí být žádná část reprodukována bez písemného souhlasu. Obsah je poskytován pouze pro informační účely.

podobné příspěvky

Leave a Reply