Kvantelyskilde fremmer bio-billeddannelsesklarhed

Texas A&M University-forskere opnåede, hvad der engang blev anset for umuligt - de skabte en enhed, der var i stand til at presse lysets kvanteudsving ned til en rettet vej og brugte den til at forbedre kontrastbilleddannelse.

Denne enestående "lommelygte" blev bygget til at øge signal-til-støj-forholdet i Brillouin-mikroskopiske spektroskopiske målinger, der visuelt registrerer de mekaniske egenskaber af strukturer inde i levende celler og væv. Testresultater afslører, at den nye kilde markant øger billedets klarhed og nøjagtighed.

"Dette er en ny vej inden for forskning," sagde Dr. Vladislav Yakovlev, universitetsprofessor i Institut for Biomedicinsk Teknik i College of Engineering. "Vi designer specielt lys på en sådan måde, at det kan forbedre kontrasten."

"Det er en ny milepæl i mulighederne for Brillouin-mikroskopi og billeddannelse, der i vid udstrækning anvendes til biosystemer," siger Dr. Girish Agarwal, University Distinguished Professor i Department of Biological and Agricultural Engineering i College of Agriculture and Life Sciences. "Og det bliver en del af en international indsats for at udvikle kvantesensorer til forskellige applikationer som hjernebilleddannelse, kortlægning af biomolekylestrukturer og udforskning af underjordiske olie- og vandkilder ved at udtænke superfølsomme gravimetre."

Et papir, der beskriver arbejdet, blev offentliggjort i Optica .

Alle instrumenter, der er i stand til at optage et billede eller billede, fanger også signalforvrængninger eller støj i processen. Forvrængningerne kan stamme fra for meget eller for lidt lys og endda lysstyrke eller farveproblemer fra omgivelserne omkring motivet. Det meste støj er ubemærket, indtil billedet er forstørret nok til, at det blotte øje kan se de uønskede pixels tydeligt.

Brillouin-mikroskopi er den grundlæggende grænse for billeddannelse i reduceret skala, som er mulig i øjeblikket. Processen retter lasere mod faste genstande og måler bølgerne eller vibrationssignalerne fra de bevægelige atomer og strukturer i det synligt ubevægelige materiale.

Støj produceret i denne skala kan i alvorlig grad skjule de modtagne signaler og skabe mudrede billeder, som er svære at fortolke. I øjeblikket lider alle laserspektroskopisystemer som Brillouin-mikroskopi af de naturlige og tekniske signalforvrængninger forbundet med laserlys, hvorfor der er behov for nyere lyskilder.

For seks år siden forsøgte Yakovlev at forbedre signal-til-støj-forholdet i Brillouin-mikroskopi ved at bruge intense lyskilder. Desværre beskadigede overeksponering for lys de celler, han afbildede.

Yakovlev søgte litteratur efter svar og fandt en teori fra 1980'erne om, at postuleret kvantelys kunne løse problemet, selvom den ikke nævnte hvordan. Agarwal, en ekspert i kvantefysik, fandt på en mulig måde. Dr. Tian Li, dengang en postdoc-forsker fra University of Maryland, blev ansat til at skabe det første kvantelyslaboratorium ved Texas A&M. Laboratoriepladsen blev stillet til rådighed af Dr. Marlan Scully, direktør for Institute for Quantum Science and Engineering.

Holdet stod over for to væsentlige udfordringer:at finde finansiering til en så vild idé og at finde kandidatstuderende og postdoktorale forskere til at hjælpe dem - dem, der var villige til at spænde over områderne biologi og kvantefysik.

Efter næsten to år med kraftige udforskninger voksede enheden til en bordpladestørrelse af komplekse optiske konfigurationer og måleinstrumenter, der gjorde det muligt for forskerne at justere, dirigere og effektivt manipulere og detektere lys. I løbet af den tid fik Li en bedre forståelse af biologi, og Yakovlev og Agarwal udviklede en mekanisme til at skabe den korrekte tilstand og lysstof, der er nødvendig for støjreduktion uden at beskadige levende celler.

Selvom lysklemningsanordningen kan anvendes til andre spektroskopiske målinger som Raman-spredning, forbedrer Yakovlev og Agarwal evnerne ved Brillouin-mikroskopi til at identificere de viskøse eller elastiske materialer i biologiske systemer. Disse systemer styrer de fysiske egenskaber af celler og cellestrukturer og definerer alt fra celleudvikling til cancerprogression.

At se detaljer gør tydeligvis en enorm forskel i biomedicinske gennembrud.

"Hver gang du får et nyt teleskop eller noget lignende gravitationsbølgeastronomi, opdager du nye ting, du umuligt kan se uden det," sagde Yakovlev. "Det samme virker i biologien. Før mikroskopets opfindelse vidste vi ikke, at vi består af individuelle celler."

Indtil videre er kun kontrasten af ​​spektroskopibilleder blevet forbedret, men Yakovlev og Agarwal arbejder allerede på Agarwals teori for at forbedre den rumlige opløsning eller de mindst mulige detaljer. Og hvis opgaven fører til at skabe endnu en kompleks enhed, der skubber grænserne for den nuværende teknologi, er forskerne klar og villige til at få det til at ske.

"Jeg elsker den type projekter, hvor folk fortæller dig, at noget aldrig vil fungere, og det virker," sagde Yakovlev. "Jeg elsker udfordringer." + Udforsk yderligere

Højtydende 937-nm laser lader forskere se dybere med lavere effekt