Er zijn veel wezens op onze planeet met geavanceerdere zintuigen dan mensen. Schildpadden kunnen het magnetische veld van de aarde waarnemen. Bidsprinkhanengarnalen kunnen gepolariseerd licht detecteren. Olifanten kunnen veel lagere frequenties horen dan mensen. Vlinders kunnen een breder scala aan kleuren waarnemen, waaronder ultraviolet (UV) licht.

Geïnspireerd door het verbeterde visuele systeem van de Papilio xuthus-vlinder heeft een team van onderzoekers een beeldsensor ontwikkeld die in staat is om in het UV-bereik te "zien" dat voor het menselijk oog ontoegankelijk is. Het ontwerp van de sensor maakt gebruik van gestapelde fotodiodes en perovskiet-nanokristallen (PNC's) die verschillende golflengten in het UV-bereik kunnen weergeven. Door gebruik te maken van de spectrale kenmerken van biomedische markers, zoals aminozuren, is deze nieuwe beeldtechnologie zelfs in staat om met 99% zekerheid onderscheid te maken tussen kankercellen en normale cellen.

Dit nieuwe onderzoek, geleid door professor Viktor Gruev, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign, en professor bio-ingenieur Shuming Nie, is onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

Kleine variaties

"We hebben ons laten inspireren door het visuele systeem van vlinders, die meerdere regio's in het UV-spectrum kunnen waarnemen, en hebben een camera ontworpen die deze functionaliteit repliceert", zegt Gruev. "We hebben dit gedaan door nieuwe perovskiet-nanokristallen te gebruiken, gecombineerd met siliciumbeeldvormingstechnologie, en deze nieuwe cameratechnologie kan meerdere UV-gebieden detecteren."

UV-licht is elektromagnetische straling met een golflengte die korter is dan die van zichtbaar licht (maar langer dan röntgenstraling). We zijn het meest bekend met UV-straling van de zon en de gevaren die deze met zich meebrengt voor de menselijke gezondheid. UV-licht wordt onderverdeeld in drie verschillende gebieden – UVA, UVB en UVC – op basis van verschillende golflengtebereiken. Omdat mensen UV-licht niet kunnen zien, is het een uitdaging om UV-informatie vast te leggen, vooral als we de kleine verschillen tussen elke regio kunnen onderscheiden.

Vlinders kunnen deze kleine variaties in het UV-spectrum echter zien, net zoals mensen tinten blauw en groen kunnen zien. Gruev merkt op:"Ik vind het intrigerend hoe ze die kleine variaties kunnen zien. UV-licht is ongelooflijk moeilijk vast te leggen, het wordt gewoon door alles geabsorbeerd, en vlinders zijn erin geslaagd dit buitengewoon goed te doen."

Het imitatiespel

Mensen hebben een trichromatisch zicht met drie fotoreceptoren, waarbij elke waargenomen kleur kan worden samengesteld uit een combinatie van rood, groen en blauw. Vlinders hebben echter samengestelde ogen, met zes (of meer) fotoreceptorklassen met verschillende spectrale gevoeligheden. Met name de Papilio xuthus, een gele, Aziatische zwaluwstaartvlinder, heeft niet alleen blauwe, groene en rode, maar ook violette, ultraviolette en breedbandreceptoren. Bovendien hebben vlinders fluorescerende pigmenten waarmee ze UV-licht kunnen omzetten in zichtbaar licht, dat vervolgens gemakkelijk kan worden waargenomen door hun fotoreceptoren. Hierdoor kunnen ze een breder scala aan kleuren en details in hun omgeving waarnemen.

Naast het toegenomen aantal fotoreceptoren vertonen vlinders ook een unieke gelaagde structuur in hun fotoreceptoren. Om het UV-detectiemechanisme van de Papilio xuthus-vlinder te repliceren, heeft het UIUC-team het proces nagebootst door een dunne laag PNC's te combineren met een gelaagde reeks siliciumfotodiodes.

PNC's zijn een klasse halfgeleider nanokristallen die unieke eigenschappen vertonen die vergelijkbaar zijn met die van kwantumdots:het veranderen van de grootte en samenstelling van het deeltje verandert de absorptie- en emissie-eigenschappen van het materiaal. De afgelopen jaren zijn PNC's naar voren gekomen als interessant materiaal voor verschillende sensortoepassingen, zoals zonnecellen en LED's. PNC's zijn buitengewoon goed in het detecteren van UV-golflengten (en zelfs lagere golflengten) die traditionele siliciumdetectoren niet kunnen. In de nieuwe beeldsensor kan de PNC-laag UV-fotonen absorberen en licht opnieuw uitzenden in het zichtbare (groene) spectrum, dat vervolgens wordt gedetecteerd door de gelaagde siliciumfotodiodes. Door deze signalen te verwerken, kunnen UV-signaturen in kaart worden gebracht en geïdentificeerd.

Gezondheidszorg en daarbuiten

Er zijn verschillende biomedische markers aanwezig in kankerweefsel in hogere concentraties dan in gezonde weefsels:aminozuren (bouwstenen van eiwitten), eiwitten en enzymen. Wanneer ze worden opgewonden met UV-licht, lichten deze markers op en fluoresceren ze in het UV-licht en een deel van het zichtbare spectrum, in een proces dat autofluorescentie wordt genoemd. "De beeldvorming in het UV-gebied is beperkt geweest en ik zou zeggen dat dit het grootste obstakel is geweest voor het boeken van wetenschappelijke vooruitgang", legt Nie uit. "Nu hebben we deze technologie bedacht waarmee we UV-licht met een hoge gevoeligheid in beeld kunnen brengen en ook kleine golflengteverschillen kunnen onderscheiden."

Omdat kankercellen en gezonde cellen verschillende concentraties aan markers en dus verschillende spectrale kenmerken hebben, kunnen de twee klassen cellen worden onderscheiden op basis van hun fluorescentie in het UV-spectrum. Het team evalueerde hun beeldvormingsapparaat op zijn vermogen om kankergerelateerde markers te onderscheiden en ontdekte dat het met 99% zekerheid onderscheid kan maken tussen kanker en gezonde cellen.

Gruev, Nie en hun gezamenlijke onderzoeksteam willen deze sensor tijdens operaties kunnen gebruiken. Een van de grootste uitdagingen is weten hoeveel weefsel moet worden verwijderd om duidelijke marges te garanderen. Een dergelijke sensor kan het besluitvormingsproces helpen vergemakkelijken wanneer een chirurg een kankergezwel verwijdert.

"Deze nieuwe beeldtechnologie stelt ons in staat kankercellen te onderscheiden van gezonde cellen en opent nieuwe en opwindende toepassingen die verder gaan dan alleen de gezondheid", zegt Nie. Naast vlinders zijn er nog veel meer soorten die in UV-licht kunnen zien, en als we een manier hebben om dat licht te detecteren, zullen biologen interessante mogelijkheden krijgen om meer over deze soorten te leren, zoals hun jacht- en paargewoonten. Door de sensor onder water te brengen, kun je ook een beter begrip van die omgeving krijgen. Hoewel veel UV door water wordt geabsorbeerd, is er nog steeds genoeg dat er doorheen komt om impact te hebben en er zijn veel dieren onder water die ook UV-licht zien en gebruiken.

Meer informatie: Cheng Chen et al, Bio-geïnspireerde, verticaal gestapelde en perovskiet nanokristal-verbeterde CMOS-beeldsensoren voor het oplossen van spectrale UV-signaturen, Wetenschappelijke vooruitgang (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk3860. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3860

Journaalinformatie: Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois