El enfoque desarrollado en el MIT supera el problema de larga data de la dispersión de la luz en tejidos biológicos y otros materiales complejos.
El problema de obtener imágenes de capas profundas de tejidos biológicos ha permanecido complejo durante mucho tiempo. La luz generalmente se dispersa en un material tan complejo como el tejido biológico, y se refleja en su interior hasta que vuelve bajo muchos ángulos diferentes. Esto interrumpe el enfoque de los microscopios ópticos, reduciendo tanto la resolución como la profundidad de las imágenes. El uso de la luz con una mayor longitud de onda ayuda a reducir la dispersión, pero también reduce la resolución.
Ahora, en lugar de tratar de evitar la dispersión, los investigadores del MIT han desarrollado una tecnología que utiliza este fenómeno para sus propios fines. La tecnología que describieron en un artículo publicado en la revista Science permite el uso de la dispersión de la luz para mejorar la resolución de la imagen en un factor de 10 en comparación con los sistemas existentes.
Las capacidades de los microscopios convencionales están limitadas por el
límite de difracción , que no permite enfocar con mayor precisión que una determinada resolución. La nueva tecnología le permite tomar fotografías con una "súper resolución óptica" que supera esta limitación.
Se puede utilizar para mejorar las imágenes biomédicas, por ejemplo, concentrándose más precisamente en células de tejido canceroso. También se puede combinar con tecnologías
optogenéticas para excitar ciertas células cerebrales. Incluso se puede usar en computación cuántica, según Dungu Kim, un estudiante graduado, ingeniero mecánico en el MIT, el autor principal del trabajo.
Los investigadores propusieron este método por primera vez en 2007: al formar una onda de luz antes de enviarla al tejido de una manera especial, es posible lograr la reversión del proceso de dispersión y el enfoque de la luz en un punto. Sin embargo, durante mucho tiempo, no fue posible aprovechar este método debido a la dificultad de recopilar información sobre la dispersión de la luz en materiales tan complejos como los tejidos biológicos.
Para obtener esta información, los investigadores han desarrollado varias tecnologías para crear "estrellas guía", o señales de retroalimentación, que emanan de puntos específicos de tejido que le permiten concentrar correctamente la luz. Pero por ahora, estos enfoques han dado una resolución que está por debajo del límite de difracción, dice Kim.
Para mejorar la resolución, Kim y el coautor Dirk Inglund, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT y el Laboratorio de Investigación Electrónica, desarrollaron algo llamado "balizas de referencia cuántica (QRB)".
Los OKM se crean utilizando
vacantes sustituidas con
nitrógeno en diamantes (centros NV). Estos pequeños defectos moleculares en la red cristalina de diamante exhiben fluorescencia natural, es decir, emiten luz cuando son excitados por un rayo láser.
Además, cuando se expone a un OKM con un campo magnético, cada uno de ellos resuena a su frecuencia específica. Al enviar una señal de microondas de la misma frecuencia de resonancia a una muestra de tejido observada para un OKM particular, los investigadores pueden cambiar selectivamente su fluorescencia.
"Imagine un piloto tratando de navegar un barco por la noche a su destino", dice Kim. "Si ve tres balizas que les dan una señal, podría confundirse". Pero si uno de los faros parpadea a propósito, se orientará solo ”, dice.
En este sentido, los centros NV funcionan como balizas que emiten luz fluorescente. Al modular la fluorescencia de una baliza particular, los investigadores crean una señal de encendido / apagado y pueden determinar la ubicación de esta baliza en el tejido. "Podemos tomar la ubicación de donde proviene la luz y, en base a esto, entender cómo se dispersa la luz en materiales complejos", dice Kim.
Luego, los investigadores combinan la información obtenida de todos los OKM y crean un perfil preciso del patrón de dispersión en el tejido. Usando esta imagen con un
modulador de luz espacial , un dispositivo utilizado para producir hologramas manipulando la luz, puede preformar el rayo láser para compensar la dispersión que ocurre dentro del tejido. Entonces el láser podrá enfocar con superresolución en un punto dentro del tejido.
Aplicado a los problemas de la biología, los investigadores sugieren que los nanodiamantes suspendidos pueden introducirse en el tejido, lo que desempeñará el papel de un
agente de contraste utilizado en algunos métodos para obtener imágenes de tejido. O bien, las etiquetas moleculares adheridas a las nanopartículas de diamante pueden entregarlas a ciertos tipos de células.
OKM también se puede usar como qubits para sensores cuánticos y procesamiento de información cuántica, dice Kim. "OKM se puede utilizar como bits cuánticos para almacenar información cuántica, por lo que podemos hacer computación cuántica", dice ella.
La obtención de imágenes de superresolución en un entorno de dispersión complejo era anteriormente difícil debido a la falta de "estrellas guía" que darían su ubicación con precisión de subdifracción, dice Vonshik Choi, profesor de física en la Universidad de Corea que no está asociado con este estudio.
"Los investigadores han desarrollado un método elegante para operar OKMs basados en centros NV en nanodiamantes como estrellas guía", dice. "Este trabajo abre nuevas posibilidades para obtener imágenes de capas de tejido profundo con superresolución y procesamiento de información cuántica en nanodispositivos más pequeños que la longitud de onda".
Ahora, los investigadores esperan explorar la posibilidad de usar entrelazamiento cuántico y otros tipos de semiconductores como OKM, dice Kim.