Квантовый источник света улучшает четкость биоизображения
Исследователи из Техасского университета A&M сделали то, что когда-то считалось невозможным: учёные создали устройство, способное сжимать квантовые флуктуации света в определённом направлении, и использовали его для повышения контрастности изображения. Статья с подробным описанием работы была опубликована в Optica.
Микроскопическое изображение с квантовым усилением с использованием воды в качестве сигнальной среды. Объект изображения представляет собой кусок стекла треугольной формы, показанный на вставке (а), где белая линейка масштаба составляет 1 мм в горизонтальном направлении. На (b) отчетливо видно квантово-усиленное отношение сигнал-шум или контрастность изображения более чем на 3 дБ. Предоставлено: Оптика (2022). DOI: 10.1364/ОПТИКА.467635
Этот единственный в своем роде «фонарик» был создан для увеличения отношения сигнал /шум, присутствующего в спектроскопических измерениях с помощью бриллюэновской микроскопии, которые визуально регистрируют механические свойства структур внутри живых клеток и тканей. Результаты испытаний показывают, что новый источник значительно повышает четкость и точность изображения.
«Это новое направление в исследованиях», — сказал доктор Владислав Яковлев, профессор кафедры биомедицинской инженерии Инженерного колледжа. «Мы специально разрабатываем свет таким образом, чтобы он мог улучшить контрастность».
«Это новая веха в возможностях бриллюэновской микроскопии и визуализации, широко используемых для биосистем», — сказал д-р Гириш Агарвал, заслуженный профессор кафедры биологической и сельскохозяйственной инженерии Колледжа сельского хозяйства и наук о жизни. «И это становится частью международных усилий по разработке квантовых датчиков для различных приложений, таких как визуализация мозга, картирование структуры биомолекул и исследование подземных источников нефти и воды путем разработки сверхчувствительных гравиметров».
Статья с подробным описанием работы была опубликована в Optica.
Все инструменты, способные захватывать изображение или изображение, также фиксируют искажения сигнала или шум в процессе. Искажения могут возникать из-за слишком большого или слишком малого количества света и даже из-за проблем с яркостью или цветом окружающей среды вокруг объекта. Большая часть шума остается незамеченной до тех пор, пока изображение не будет увеличено настолько, чтобы невооруженным глазом можно было четко увидеть нежелательные пиксели.
Бриллюэновская микроскопия является фундаментальным ограничением возможной в настоящее время визуализации в уменьшенном масштабе. Этот процесс направляет лазеры на твердые объекты и измеряет волны или сигналы вибрации, создаваемые движущимися атомами и структурами в видимом неподвижном материале.
Шум, создаваемый в этом масштабе, может сильно затенить принимаемые сигналы, создавая размытые изображения, которые трудно интерпретировать. В настоящее время все системы лазерной спектроскопии, такие как микроскопия Бриллюэна, страдают от естественных и технических искажений сигнала, связанных с лазерным излучением, поэтому необходимы новые источники света.
Шесть лет назад Яковлев попытался улучшить отношение сигнал/шум в бриллюэновской микроскопии, используя интенсивные источники света. К сожалению, чрезмерное воздействие света повредило клетки, которые он визуализировал.
Яковлев искал ответы в литературе и нашел теорию 1980-х годов, которая постулировала, что квантовый свет может решить проблему, хотя и не упоминал, как именно. Агарвал, специалист по квантовой физике, предложил возможный способ. Доктор Тянь Ли, в то время научный сотрудник Университета Мэриленда, был нанят для создания первой лаборатории квантового света в Texas A&M. Лабораторное помещение было предоставлено доктором Марланом Скалли, директором Института квантовой науки и техники.
Команда столкнулась с двумя серьезными проблемами: найти финансирование для такой дикой идеи и найти аспирантов и исследователей с докторской степенью, чтобы помочь им — тех, кто был готов охватить области биологии и квантовой физики.
После почти двух лет энергичных исследований устройство превратилось в хитроумное приспособление размером со стол, состоящее из сложных оптических конфигураций и измерительных инструментов, которые позволили исследователям регулировать, направлять и эффективно манипулировать светом и обнаруживать его. За это время Ли лучше разобрался в биологии, а Яковлев и Агарвал разработали механизм для создания надлежащего состояния и вещества света, необходимого для подавления шума без повреждения живых клеток.
Хотя устройство для сжатия света может быть использовано для других спектроскопических измерений, таких как комбинационное рассеяние, Яковлев и Агарвал расширяют возможности бриллюэновской микроскопии для выявления вязких или эластичных материалов в биологических системах. Эти системы контролируют физические свойства клеток и клеточных структур и определяют все, от развития клеток до прогрессирования рака.
Четкое видение деталей имеет огромное значение для биомедицинских прорывов.
«Каждый раз, когда вы получаете новый телескоп или что-то вроде гравитационно-волновой астрономии, вы открываете для себя новые вещи, которые невозможно увидеть без него», — сказал Яковлев. «То же самое работает и в биологии. До изобретения микроскопа мы не знали, что состоим из отдельных клеток».
Пока улучшен только контраст спектроскопических изображений, но Яковлев и Агарвал уже работают над теорией Агарвала, чтобы улучшить пространственное разрешение или мельчайшие возможные детали. И если задача приведет к созданию еще одного сложного устройства, которое раздвинет границы современных технологий, исследователи готовы и желают сделать это.
«Мне нравятся такие проекты, когда люди говорят вам, что что-то никогда не сработает, и это работает», — сказал Яковлев. «Я люблю вызовы».
