Microscopietechnieken die mid-infrarood (IR) verlichting bevatten, zijn veelbelovend voor een reeks biomedische en industriële toepassingen vanwege de unieke biochemische specificiteit. Echter, de methode wordt voornamelijk beperkt door het detectiebereik, waar bestaande mid-infrarood (mid-IR) detectietechnieken vaak inferieure methoden combineren die ook kostbaar zijn. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Inna Kviatkovsky en een onderzoeksteam in de natuurkunde, experimenteel en klinisch onderzoek, en moleculaire geneeskunde in Duitsland, ontdekte dat niet-lineaire interferometrie met verstrengeld licht een krachtig hulpmiddel was voor mid-IR-microscopie. De experimentele opstelling vereiste alleen bijna-IR-detectie met een op silicium gebaseerde camera. Ze ontwikkelden een proof-of-principle-experiment om breedveldbeeldvorming te tonen over een breed golflengtebereik van 3,4 tot 4,3 micrometer (µm). De techniek is geschikt voor het verkrijgen van microscopische beelden van biologische weefselmonsters in het midden van IR. Dit werk vormt een originele benadering met potentiële relevantie voor kwantumbeeldvorming in de levenswetenschappen.

Midden-IR-beeldvorming

Microscopie en mid-IR-beeldvorming hebben brede toepassingen in de biologie, medicijn, milieuwetenschappen en microfluïdica. Bijvoorbeeld, onderzoekers kunnen mid-IR-licht gebruiken om de verschillende rotatie- en vibratiemodi van specifieke moleculen waar te nemen als een "spectrale vingerafdruk, " om de behoefte aan etikettering te overwinnen. Dergelijke labelvrije en niet-invasieve technieken zijn belangrijk voor bioimaging-procedures in grotendeels ongewijzigde levende weefsels. Fourier-transformatie IR-spectroscopische beeldvorming is een ultramoderne mid-IR-beeldvormingstechniek die sterk afhankelijk is van op breedband IR-bronnen en -detectoren. De IR-detectoren zijn, echter, technisch uitdagend, kostbaar en vereisen soms cryogene koeling. Om de noodzaak van IR-detectoren te omzeilen, onderzoekers moeten coherente Raman- en anti-Stokes-verstrooiingsmicroscopiemethoden ontwikkelen. In een duidelijk andere benadering, ze gebruikten de interferentie van een verstrengeld fotonenpaar met sterk verschillende golflengten waarvoor geen laserbronnen of detectoren nodig zijn bij de beeldgolflengte. In dit werk, Kviatkovski et al. gebruikte zeer multimodale niet-lineaire kwantuminterferometrie als een krachtig hulpmiddel voor microscopische beeldvorming in het midden-infraroodgebied met alleen een medium aangedreven zichtbare laser en standaard op maat gemaakte metaaloxide-halfgeleider (CMOS) camera. Ze leidden expliciete formules af voor het gezichtsveld en de resolutie van breedveldbeeldvorming met zeer niet-ontaarde fotonparen.

De wetenschappers ontwikkelden een niet-lineaire interferometer door een periodiek gepoold kaliumtitanylfosfaat (ppKTP) kristal dubbel te passeren in een gevouwen Michelson-geometrie (een interferentiepatroon). De pomp passeerde het kristal twee keer om een ​​enkel paar signaal- en idler-fotonen te genereren via spontane parametrische down-conversie (SPDC) - een niet-lineair optisch proces waarbij een foton spontaan splitst in twee andere fotonen met lagere energieën in een optisch laboratorium. De SPDC-methode vormt momenteel de basis van veel kwantumoptische experimenten in laboratoria, variërend over kwantumcryptografie, kwantummetrologie om zelfs het testen van fundamentele wetten van de kwantummechanica te vergemakkelijken. De signaal- en idler-modi zijn uitgelijnd na de eerste doorgang van het kristal om terug te planten voor de tweede doorgang en perfect overlappen om bifotonen te genereren. Kviatkovski et al. de interferentie gemeten door met een CMOS-camera naar de signaalfotonen te kijken, zonder complexe of kostenintensieve componenten om een ​​dergelijke opstelling te realiseren. Het team ontwierp het niet-lineaire kristal voor zeer niet-ontaarde signaal- en idler-golflengten en selecteerde de idler-golflengten met behulp van breedbandfase-aanpassing. Op deze manier, het experiment maakte het gelijktijdig ophalen van de ruimtelijk opgeloste fase- en amplitude-informatie van een monster mogelijk en het team karakteriseerde de mid-IR-beeldvormingseigenschappen met een kant-en-klare CMOS-camera om microscopische beelden van een biologisch monster te detecteren en te verwerven.

Experimentele karakterisering en proof-of-concept

Tijdens de initiële karakterisering van de beeldvormingstechniek, Kviatkovski et al. plaatste beide spiegels van de interferometer in het verre veld van het kristal en plaatste vervolgens het monster dat moet worden afgebeeld op de inactieve spiegel. De niet-vergrote configuratie zorgde voor een eenvoudig proces om de beeldvormingscapaciteit van het systeem te karakteriseren, hoewel met beperkte resolutie. De wetenschappers verlichtten een duidelijk padresolutiedoel van de Amerikaanse luchtmacht (USAF), waarbij de resulterende waarden consistent waren met een theoretisch raamwerk dat is gegeneraliseerd op basis van spookbeeldvorming. Ze combineerden de zeer breedbandige aard van de down-conversiebron met strakke energiecorrelaties die werden gedeeld tussen het signaal en de idler om gemakkelijk hyperspectrale beeldvorming mogelijk te maken. Tijdens proof-of-concept demonstraties, ze gebruikten een afstembaar interferentiefilter met een bandbreedte van 3,5 nm vlak voor detectie en bereikten een verbeterde spectrale resolutie met smallere filtering.

De methode voor bio-imaging gebruiken

Het team toonde het potentieel van de methode om biologische monsters te onderzoeken met behulp van een ongekleurd histologisch monster van een muizenhart. Ze verkregen mid-IR-beelden door de verplaatsing van de interferometer binnen de coherentielengte axiaal te scannen en de zichtbaarheid en fase van het interferentiesignaal voor elke pixel te extraheren. De resultaten elimineerden elke dubbelzinnigheid tussen verlies en destructieve interferentie die zou kunnen optreden bij een enkelvoudige meting. Het werk maakte een eenvoudige reconstructie van de breedveld-fasecontrastbeelden mogelijk. De resulterende beelden toonden een deel van het endocardium, de binnenste laag die de hartventrikels bekleedt in donkerpaars om een ​​hoge fotonabsorptie aan te geven. De laag scheidde het ventrikel en het myocardium; de hartspier die het grootste deel van het hartweefsel vormt. De helderheid van beeldvorming benadrukte de hoge tolerantie van de gepresenteerde beeldvormingsmethode om verlies en verstrooiing te overwinnen.

Op deze manier, Inna Kviatkovski, en collega's lieten zien hoe mid-IR-beeldvorming met niet-lineaire interferometrie een belangrijke rol speelde bij real-world beeldvormingstaken die kostenefficiënte componenten vereisen voor zuinige wetenschap. Het team bereikte een beeldvormingsfunctie tot op de schaal van 35 micron, waar uitgebreide hyperspectrale beeldvorming ongecompliceerd was vanwege het gebruik van een breedband spontane parametrische down-conversie (SPDC) strategie. Het team toonde een echte belofte van deze nieuwe methode door middel van niet-destructieve biologische detectie tijdens het afbeelden van een nat biologisch monster met lage monsterverlichting. De strategie maakte het mogelijk dat alle informatie die door een niet-actief foton werd gedragen perfect werd overgebracht naar het signaalfoton. Hoewel de ruimtelijke resolutie van dit werk nog steeds hoger was dan verwacht voor ultramoderne mid-IR-systemen, uitbreidingen om betere beeldvormingsmogelijkheden te bereiken waren eenvoudig.

Het team toonde niet-lineaire interferometrie met experimenteel verstrengelde fotonen om een ​​krachtige en kosteneffectieve methode te bieden voor microscopie in het midden van de IR-regio. Het werk maakte gebruik van de volwassenheid van op silicium gebaseerde near-IR-detectietechnologie voor mid-IR-beeldvorming met uitzonderlijk lage lichtniveaus. Het werk kan worden uitgebreid tot hyperspectrale beeldvorming over de microschaal. Als proof-of-concept, de wetenschappers beeldden een biologisch monster af met behulp van kwantumlicht om morfologische kenmerken met hoge resolutie te onthullen. De resultaten zullen de weg vrijmaken voor breedband, hyperspectrale mid-IR-spectroscopie met breedveldbeeldvorming voor verschillende toepassingen in de biologie en biomedische technologie.

© 2020 Wetenschap X Netwerk