Onderzoekers van de Texas A&M University bereikten wat ooit als onmogelijk werd beschouwd:ze creëerden een apparaat dat in staat is om de kwantumfluctuaties van licht naar een gericht pad te persen en gebruikten het om contrastbeeldvorming te verbeteren.

Deze unieke "zaklamp" is gebouwd om de signaal-ruisverhouding te vergroten die aanwezig is in Brillouin-microscopische spectroscopische metingen die de mechanische eigenschappen van structuren in levende cellen en weefsels visueel vastleggen. Testresultaten laten zien dat de nieuwe bron de helderheid en nauwkeurigheid van het beeld aanzienlijk verhoogt.

"Dit is een nieuwe weg in onderzoek", zegt Dr. Vladislav Yakovlev, universiteitshoogleraar aan de afdeling Biomedische Technologie van het College of Engineering. "We ontwerpen licht speciaal zo dat het contrast kan verbeteren."

"Het is een nieuwe mijlpaal in de mogelijkheden van Brillouin-microscopie en beeldvorming die op grote schaal worden gebruikt voor biosystemen", zegt Dr. Girish Agarwal, University Distinguished Professor in de afdeling Biologische en Landbouwtechniek van het College of Agriculture and Life Sciences. "En het wordt onderdeel van een internationale inspanning om kwantumsensoren te ontwikkelen voor diverse toepassingen zoals beeldvorming van de hersenen, het in kaart brengen van de structuur van biomoleculen en het verkennen van ondergrondse olie- en waterbronnen door supergevoelige gravimeters te ontwerpen."

Een paper met details over het werk is gepubliceerd in Optica .

Alle instrumenten die een foto of afbeelding kunnen vastleggen, vangen daarbij ook signaalvervormingen of ruis op. De vervormingen kunnen het gevolg zijn van te veel of te weinig licht en zelfs helderheid- of kleurproblemen van de omgeving rond het onderwerp. De meeste ruis wordt onopgemerkt totdat het beeld voldoende is vergroot zodat het blote oog de ongewenste pixels duidelijk kan zien.

Brillouin-microscopie is de fundamentele limiet van beeldvorming op kleinere schaal die momenteel mogelijk is. Het proces richt lasers op vaste objecten en meet de golven of signalen van trillingen die worden gemaakt door de bewegende atomen en structuren in het zichtbaar onbeweeglijke materiaal.

Ruis die op deze schaal wordt geproduceerd, kan de ontvangen signalen ernstig vertroebelen, waardoor wazige beelden ontstaan ​​die moeilijk te interpreteren zijn. Momenteel hebben alle laserspectroscopiesystemen zoals Brillouin-microscopie last van de natuurlijke en technische signaalvervormingen die gepaard gaan met laserlicht, en daarom zijn nieuwere lichtbronnen nodig.

Zes jaar geleden probeerde Yakovlev de signaal-ruisverhouding in Brillouin-microscopie te verbeteren door gebruik te maken van intense lichtbronnen. Helaas beschadigde overmatige blootstelling aan licht de cellen die hij aan het afbeelden was.

Yakovlev zocht in de literatuur naar antwoorden en vond een theorie uit de jaren tachtig die beweerde dat kwantumlicht het probleem zou kunnen oplossen, hoewel er niet bij vermeld werd hoe. Agarwal, een expert in kwantumfysica, bedacht een mogelijke manier. Dr. Tian Li, toen een postdoctoraal onderzoeker van de Universiteit van Maryland, werd ingehuurd om het eerste kwantumlichtlaboratorium in Texas A&M te creëren. De laboratoriumruimte werd ter beschikking gesteld door Dr. Marlan Scully, directeur van het Institute for Quantum Science and Engineering.

Het team stond voor twee belangrijke uitdagingen:het vinden van financiering voor zo'n wild idee en het vinden van afgestudeerde studenten en postdoctorale onderzoekers om hen te helpen - degenen die bereid waren om zich op het gebied van biologie en kwantumfysica te begeven.

Na bijna twee jaar van krachtige verkenningen groeide het apparaat uit tot een tafelmodel van complexe optische configuraties en meetinstrumenten waarmee de onderzoekers licht konden aanpassen, sturen en efficiënt manipuleren en detecteren. Gedurende die tijd kreeg Li een beter begrip van biologie en ontwikkelden Yakovlev en Agarwal een mechanisme om de juiste staat en materie van licht te creëren die nodig is voor ruisonderdrukking zonder levende cellen te beschadigen.

Hoewel het lichtknijpapparaat kan worden gebruikt voor andere spectroscopische metingen zoals Raman-verstrooiing, verbeteren Yakovlev en Agarwal de mogelijkheden van Brillouin-microscopie om de viskeuze of elastische materialen in biologische systemen te identificeren. Deze systemen controleren de fysieke eigenschappen van cellen en celstructuren en bepalen alles, van celontwikkeling tot kankerprogressie.

Het zien van details maakt duidelijk een enorm verschil in biomedische doorbraken.

"Elke keer dat je een nieuwe telescoop krijgt of zoiets als astronomie met zwaartekrachtgolven, ontdek je nieuwe dingen die je onmogelijk zonder kunt zien", zei Yakovlev. "In de biologie werkt hetzelfde. Vóór de uitvinding van de microscoop wisten we niet dat we uit individuele cellen bestaan."

Tot nu toe is alleen het contrast van spectroscopiebeelden verbeterd, maar Yakovlev en Agarwal werken al aan de theorie van Agarwal om de ruimtelijke resolutie of de kleinst mogelijke details te verbeteren. En als de taak leidt tot het creëren van een ander complex apparaat dat de grenzen van de huidige technologie verlegt, zijn de onderzoekers bereid en bereid om dat te laten gebeuren.

"Ik hou van dat soort projecten waarbij mensen je vertellen dat iets nooit zal werken, en het werkt", zei Yakovlev. "Ik hou van uitdagingen." + Verder verkennen

Krachtige 937-nm laser laat wetenschappers dieper kijken met een lager vermogen