Mikroskopi med uopdagede fotoner i det midt-infrarøde område

Mikroskopiteknikker, der inkorporerer mid-infrarød (IR) belysning, har et enormt løfte på tværs af en række biomedicinske og industrielle applikationer på grund af dens unikke biokemiske specificitet. Imidlertid, metoden er primært begrænset af detektionsområdet, hvor eksisterende mid-infrarød (mid-IR) detektionsteknikker ofte kombinerer ringere metoder, der også er dyre. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt , Inna Kviatkovsky og et forskerhold i fysik, eksperimentel og klinisk forskning, og molekylær medicin i Tyskland, fandt, at ikke-lineær interferometri med sammenfiltret lys udgjorde et kraftfuldt værktøj til mid-IR-mikroskopi. Den eksperimentelle opsætning krævede kun nær-IR-detektion med et siliciumbaseret kamera. De udviklede et proof-of-principle-eksperiment til at vise bredfeltsbilleddannelse over et bredt bølgelængdeområde, der dækker 3,4 til 4,3 mikrometer (µm). Teknikken er velegnet til at tage mikroskopiske billeder af biologiske vævsprøver ved midt-IR. Dette arbejde danner en original tilgang med potentiel relevans for kvantebilleddannelse i biovidenskab.

Mid-IR billeddannelse

Mikroskopi og mid-IR-billeddannelse har en bred vifte af anvendelser på tværs af biologi, medicin, miljøvidenskab og mikrofluidik. For eksempel, forskere kan bruge mid-IR-lys til at fornemme de forskellige rotations- og vibrationstilstande af specifikke molekyler som et "spektralt fingeraftryk, " for at overvinde behovet for mærkning. Sådanne mærkefrie og ikke-invasive teknikker er vigtige for biobilleddannelsesprocedurer i stort set uændrede levende væv. Fourier transform IR spektroskopisk billeddannelse er en state-of-the-art mid-IR billeddannelsesteknik, der er stærkt afhængig på bredbånds IR-kilder og detektorer. IR-detektorerne er, imidlertid, teknisk udfordrende, dyre og kræver nogle gange kryogen afkøling. For at omgå behovet for IR-detektorer, forskere skal udvikle sammenhængende Raman- og anti-Stokes spredningsmikroskopimetoder. I en markant anderledes tilgang, de brugte interferensen fra et sammenfiltret fotonpar med vidt forskellige bølgelængder, som ikke kræver laserkilder eller detektorer ved billedbølgelængden. I dette arbejde, Kviatkovsky et al. brugt meget multimodal kvante ikke-lineær interferometri som et kraftfuldt værktøj til mikroskopisk billeddannelse i det mellem-infrarøde område med kun en medium drevet synlig laser og standard brugerdefineret metallic-oxid semiconductor (CMOS) kamera. De udledte eksplicitte formler for synsfelt og opløsning af bredfeltsbilleddannelse med meget ikke-degenererede fotonpar.

Forskerne udviklede et ikke-lineært interferometer ved at dobbeltpassere en periodisk polet kaliumtitanylphosphat (ppKTP) krystal i en foldet Michelson-geometri (et interferensmønster). Pumpen passerede krystallen to gange for at generere et enkelt par signal- og tomgangsfotoner gennem spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) - en ikke-lineær optisk proces, hvor en foton spontant spaltes i to andre fotoner med lavere energi i et optisk laboratorium. SPDC-metoden danner grundlaget for mange kvanteoptiske eksperimenter i laboratorier i øjeblikket, spænder over kvantekryptografi, kvantemetrologi for endda at lette afprøvningen af ​​kvantemekanikkens grundlæggende love. Signal- og tomgangstilstandene er justeret efter den første passage af krystallen for at forplante sig tilbage til den anden passage og perfekt overlappe hinanden for at generere bifotoner. Kviatkovsky et al. målte interferensen ved at se på signalfotonerne med et CMOS-kamera, uden at inkludere komplekse eller omkostningstunge komponenter for at realisere et sådant setup. Holdet konstruerede den ikke-lineære krystal til stærkt ikke-degenererede signal- og tomgangsbølgelængder og valgte de tomgangsbølgelængder ved hjælp af bredbåndsfasetilpasning. På denne måde eksperimentet tillod samtidig hentning af den rumligt opløste fase- og amplitudeinformation for en prøve, og holdet karakteriserede mid-IR-billeddannelsesegenskaberne med et hyldevare CMOS-kamera til at detektere og erhverve mikroskopiske billeder af en biologisk prøve.

Eksperimentel karakterisering og proof-of-concept

Under den indledende karakterisering af billeddannelsesteknikken, Kviatkovsky et al. placerede begge spejle af interferometeret ved det fjerne felt af krystallen og placerede derefter prøven, der skulle afbildes, på det tomgangsspejle. Den uforstørrede konfiguration gav en ligetil proces til at karakterisere systemets billeddannelseskapacitet, dog med begrænset opløsning. Forskerne oplyste et U.S. Air Force (USAF) mål for klar vejløsning, hvor de resulterende værdier var i overensstemmelse med en teoretisk ramme generaliseret fra spøgelsesbilleder. De kombinerede den høje bredbåndskarakter af nedkonverteringskilden med tætte energikorrelationer delt mellem signalet og tomgang for nemt at tillade hyperspektral billeddannelse. Under proof-of-concept demonstrationer, de brugte et afstembart interferensfilter med en båndbredde på 3,5 nm umiddelbart før detektion og opnåede forbedret spektral opløsning med smallere filtrering.

Brug af metoden til bioimaging

Holdet viste potentialet i metoden til at undersøge biologiske prøver ved at bruge en ufarvet histologiprøve af et musehjerte. De opnåede mid-IR-billeder ved aksialt at scanne interferometerets forskydning inden for kohærenslængden og udtrække synligheden og fasen af ​​interferenssignalet for hver pixel. Resultaterne eliminerede enhver tvetydighed mellem tab og destruktiv interferens, der kunne opstå i en enkeltskudsmåling. Arbejdet tillod ligefrem rekonstruktion af de vidfelte fasekontrastbilleder. De resulterende billeder viste en del af endokardiet, det inderste lag, der forer hjerteventriklerne i mørk lilla for at indikere høj fotonabsorption. Laget adskilte ventriklen og myokardiet; hjertemusklen, der udgør hovedparten af ​​hjertevævet. Klarheden af ​​billeddannelse fremhævede den høje tolerance af den præsenterede billeddannelsesmetode til at overvinde tab og spredning.

På denne måde Inna Kviatkovsky, og kolleger viste, hvordan mid-IR-billeddannelse med ikke-lineær interferometri spillede en væsentlig rolle i billeddannelsesopgaver i den virkelige verden, der kræver omkostningseffektive komponenter til sparsommelig videnskab. Holdet opnåede en billedbehandlingsfunktion ned til skalaen 35 mikron, hvor udvidet hyperspektral billeddannelse var ukompliceret på grund af brugen af ​​en bredbånds-spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) strategi. Holdet viste virkelige løfter om denne nye metode gennem ikke-destruktiv biologisk sansning, mens de afbildede en våd biologisk prøve med lav prøvebelysning. Strategien tillod enhver information båret af en tomgangsfoton at blive perfekt overført til signalfotonen. Selvom den rumlige opløsning af dette arbejde stadig var højere end forventet for avancerede mid-IR-systemer, udvidelser for at opnå øgede billedbehandlingsmuligheder var ligetil.

Holdet viste ikke-lineær interferometri med eksperimentelt sammenfiltrede fotoner for at give en kraftfuld og omkostningseffektiv metode til mikroskopi i midten af ​​IR-regionen. Arbejdet udnyttede modenheden af ​​siliciumbaseret nær-IR-detektionsteknologi til mid-IR-billeddannelse med exceptionelt lavt lysniveau. Arbejdet kan udvides til hyperspektral billeddannelse på tværs af mikroskalaen. Som proof of concept, forskerne afbildede en biologisk prøve ved hjælp af kvantelys til at afsløre morfologiske træk med høj opløsning. Resultaterne vil bane vejen for bredbånd, hyperspektral mid-IR spektroskopi med bredfeltsbilleddannelse til forskellige anvendelser inden for biologi og biomedicinsk teknik.

© 2020 Science X Network