Kvantebilleddannelse kan skabe lys fremtid for avancerede mikroskoper

Kvantefysikkens unikke egenskaber kan hjælpe med at løse et langvarigt problem, der forhindrer mikroskoper i at producere skarpere billeder i de mindste skalaer, siger forskere.

Gennembruddet, som bruger sammenfiltrede fotoner til at skabe en ny metode til at korrigere for billedforvrængning i mikroskoper, kan føre til forbedret klassisk mikroskop-billeddannelse af vævsprøver for at fremme medicinsk forskning.

Det kan også føre til nye fremskridt inden for kvanteforstærket mikroskopi til brug på tværs af en lang række områder. Holdets papir med titlen "Adaptive Optical Imaging with Entangled Photons" er udgivet i Science . Forskere fra University of Cambridge og Laboratoire Kastler Brossel i Frankrig bidrog også til forskningen.

Mikroskoper har været uvurderlige værktøjer for videnskabsmænd i hundreder af år. Fremskridt inden for optik har gjort det muligt for forskere at løse stadigt mere detaljerede billeder af de grundlæggende strukturer af celler og materialer.

Men efterhånden som mikroskoper har udviklet sig i kompleksitet, er de begyndt at løbe op imod grænserne for konventionel optisk teknologi, hvor selv små fejl i de elementer, der løser billeder, kan give slørede billeder.

I øjeblikket bruges en proces kaldet adaptiv optik til at korrigere billedforvrængninger forårsaget af aberrationer. Afvigelser kan være forårsaget af små ufuldkommenheder i linser og andre optiske komponenter eller af fejl i prøven under mikroskopet.

Nøglen til adaptiv optik er en "guidestjerne" - en lys plet identificeret i prøven under mikroskopet, som giver et referencepunkt til at detektere aberrationer. Enheder kaldet rumlige lysmodulatorer kan derefter forme lyset og korrigere for disse forvrængninger.

Tillid til ledestjerner giver problemer for mikroskoper, der afbilder prøver som celler og væv, der ikke indeholder lyse pletter. Forskere har udviklet guide-stjernefri adaptiv optik ved hjælp af billedbehandlingsalgoritmer, men disse kan fejle for prøver med komplekse strukturer.

I det nye papir beskriver forskere fra Storbritannien og Frankrig, hvordan de brugte sammenfiltrede fotoner til at fornemme og korrigere for aberrationer, der normalt forvrænger mikroskopbilleder. De kalder processen kvante-assisteret adaptiv optik.

Papiret beskriver, hvordan de bruger deres nye teknik til at korrigere for forvrængning og hente billeder i høj opløsning af biologiske testprøver - mundstykket og benet på en honningbi. De demonstrerer også aberrationskorrektion for prøver med tredimensionelle strukturer – en situation, hvor klassisk adaptiv optik ofte svigter.

De brugte sammenfiltrede fotonpar til at belyse prøverne, så de kunne fange et konventionelt billede og måle kvantekorrelationerne på samme tid.

Når de sammenfiltrede fotonpar støder på aberration, bliver deres sammenfiltring - i form af kvantekorrelationer - forringet. Forskerne viser, at den måde, hvorpå disse kvantekorrelationer nedbrydes, faktisk afslører information om aberrationerne og tillader dem at blive rettet ved hjælp af sofistikeret computeranalyse.

Informationen indeholdt i korrelationerne giver mulighed for en præcis karakterisering af aberrationer, hvilket muliggør deres korrektion med en rumlig lysmodulator efterfølgende. Papiret viser, at korrelationerne kan bruges til at producere klarere billeder med mere høj opløsning end konventionelle lysfeltsmikroskopiteknikker.

Patrick Cameron, fra University of Glasgows School of Physics &Astronomy, er avisens første forfatter. Han sagde:"Komplekse prøver som biologiske væv kan være udfordrende at afbilde ved hjælp af konventionelle metoder til mikroskopi, hvor teknikken med lysende stjerne kan mislykkes, fordi der sjældent er naturlige lyse pletter i menneske- eller dyrevæv.

"Denne forskning viser, at kvantesammenfiltrede lyskilder kan bruges til at sondere prøver på måder, der er meget mere udfordrende, hvis ikke umulige, med traditionel mikroskopi. At identificere og korrigere aberrationer og forvrængninger med sammenfiltrede fotoner gjorde det muligt for os at producere skarpere billeder uden brug for en ledestjerne."

Dr. Hugo Defienne begyndte arbejdet med forskningen på University of Glasgows School of Physics &Astronomy, før han flyttede til Paris Institute of Nanosciences ved Sorbonne University, hvor han nu er baseret. Dr. Defienne, sidste forfatter på papiret, sagde:"Denne nye teknik kan anvendes bredt til alle slags konventionelle optiske mikroskoper for at hjælpe med at forbedre billeddannelsen af ​​en lang række prøver. Vi demonstrerede dens effektivitet på biologiske prøver, hvilket tyder på, at den kunne blive brugt i medicinske og biologiske sektorer i fremtiden.

"Det kunne også anvendes på det nye felt af kvantemikroskopi, som har et enormt potentiale til at producere billeder ud over grænserne for klassisk lys."

Holdet har stadig nogle tekniske forhindringer at overvinde, før teknikken kan anvendes bredt i optiske mikroskoper.

Professor Daniele Faccio, som leder University of Glasgows forskningsgruppe for ekstremt lys, er medforfatter til artiklen. Han sagde:"Den næste generation af kameraer og lyskilder vil sandsynligvis hjælpe med at forbedre hastigheden, som billeder kan løses ved hjælp af denne teknik. Vi vil fortsætte med at arbejde på at forfine og udvikle processen og ser frem til at finde nye applikationer fra den virkelige verden til avanceret mikroskopi, efterhånden som vi udvikler os."

Flere oplysninger: Patrick Cameron et al., Adaptiv optisk billeddannelse med sammenfiltrede fotoner, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk7825

Leveret af University of Glasgow