يتغلب النهج الذي تم تطويره في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا على المشكلة طويلة الأمد المتمثلة في تشتيت الضوء في الأنسجة البيولوجية والمواد المعقدة الأخرى.
ظلت مشكلة الحصول على صور لطبقات عميقة من الأنسجة البيولوجية معقدة. ينتشر الضوء عادة في مادة معقدة مثل الأنسجة البيولوجية ، وينعكس داخلها حتى يعود في زوايا مختلفة كثيرة. هذا يعطل تركيز المجاهر الضوئية ، ويقلل كل من الدقة وعمق التصوير. يساعد استخدام الضوء ذو الطول الموجي المتزايد على تقليل التشتت ، ولكنه يقلل أيضًا من الدقة.
الآن ، بدلاً من محاولة تجنب التشتت ، طور باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تقنية تستخدم هذه الظاهرة لأغراضهم الخاصة. تتيح التقنية التي وصفوها في ورقة نشرت في مجلة Science استخدام تناثر الضوء لتحسين دقة الصورة بعامل 10 مقارنة بالأنظمة الحالية.
تقتصر إمكانات المجاهر التقليدية على
الحد من الحيود ، والذي لا يسمح بالتركيز بشكل أكثر دقة من دقة معينة. تسمح لك التكنولوجيا الجديدة بالتقاط صور "فائقة الدقة البصرية" التي تتغلب على هذا القيد.
يمكن استخدامه لتحسين الصور الطبية الحيوية ، على سبيل المثال ، التركيز بشكل أكثر دقة على خلايا الأنسجة السرطانية. يمكن أيضًا دمجه مع التقنيات
البصرية لإثارة بعض خلايا الدماغ. حسب Dungu Kim ، طالب دراسات عليا ، مهندس ميكانيكي في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، المؤلف الرئيسي للعمل ، يمكن استخدامه حتى في الحوسبة الكمومية.
اقترح الباحثون هذه الطريقة لأول مرة في عام 2007 - من خلال تشكيل موجة ضوئية قبل إرسالها إلى الأنسجة بطريقة خاصة ، يمكنك تحقيق انعكاس عملية التشتت ، وتركيز الضوء عند نقطة واحدة. ومع ذلك ، لفترة طويلة ، لم يكن من الممكن الاستفادة من هذه الطريقة بسبب صعوبة جمع المعلومات حول تشتت الضوء في مواد معقدة مثل الأنسجة البيولوجية.
للحصول على هذه المعلومات ، طور الباحثون تقنيات مختلفة لإنشاء "نجوم توجيهية" ، أو إشارات للتغذية الراجعة ، ناشئة عن نقاط محددة من الأنسجة تسمح لك بتركيز الضوء بشكل صحيح. لكن في الوقت الحالي ، أعطت هذه الأساليب قرارًا لا يرقى إلى الحد الأدنى للحيود ، كما يقول كيم.
لتحسين القرار ، طور كيم والمؤلف المشارك ديرك إنغلوند ، وهو أستاذ مشارك في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ومختبر أبحاث الإلكترونيات ، ما يسمى "إشارات الكم المرجعية (QRB)".
يتم إنشاء OKMs باستخدام
الشواغر المستبدلة بالنيتروجين في الماس (مراكز NV). تظهر هذه العيوب الجزيئية الصغيرة في الشبكة البلورية الماسية مضانًا طبيعيًا ، أي أنها تنبعث منها ضوضاء عندما تستثار شعاع الليزر.
علاوة على ذلك ، عند تعريضها إلى OKM مع مجال مغناطيسي ، يتردد صدى كل منها في ترددها المحدد. عن طريق إرسال إشارة الموجات الدقيقة من نفس التردد الرنان إلى عينة الأنسجة كما لوحظ في OKM معين ، يمكن للباحثين تغيير مضان بشكل انتقائي.
يقول كيم: "تخيل طيارًا يحاول التنقل في سفينة ليلا إلى وجهتها". "إذا رأى ثلاثة منارات تقدم لهم إشارة ، فقد يشعر بالارتباك". لكن إذا كان أحد المنارات يضيء عن قصد ، فسوف يوجه نفسه ".
في هذا المعنى ، تعمل مراكز NV كمنارات تنبعث منها مصابيح الفلورسنت. عن طريق تعديل مضان منارة معينة ، ينشئ الباحثون إشارة تشغيل / إيقاف ويمكنهم تحديد موقع هذا المنارة في الأنسجة. يقول كيم: "يمكننا أن نأخذ الموقع الذي يأتي منه الضوء ، وبناءً على هذا ، نفهم كيف ينتشر الضوء في المواد المعقدة".
ثم يجمع الباحثون المعلومات التي تم الحصول عليها من جميع OKMs وإنشاء ملف تعريف دقيق لنمط الانتثار في الأنسجة. باستخدام هذه الصورة مع معدِّل
الضوء المكاني - جهاز يستخدم لإنتاج الصور المجسمة من خلال التحكم في الضوء - يمكنك تشكيل حزمة الليزر مسبقًا لتعويض الانتثار داخل الأنسجة. بعد ذلك سوف يكون الليزر قادرًا على التركيز مع الثبات الفائق على نقطة داخل الأنسجة.
كما تم تطبيقه على مشاكل البيولوجيا ، يشير الباحثون إلى أنه يمكن إدخال الماسات النانوية المعلقة في الأنسجة ، والتي ستلعب دور
عامل التباين المستخدم في بعض طرق الحصول على صور الأنسجة. أو يمكن للتسميات الجزيئية المرتبطة بالجسيمات النانوية الماسية إيصالها إلى أنواع معينة من الخلايا.
يقول كيم إن OKM يمكن استخدامها أيضًا كمبتات في أجهزة استشعار الكم ومعالجة المعلومات الكمومية. "يمكن استخدام OKM كبتات كمية لتخزين المعلومات الكمية ، حتى نتمكن من القيام بالحوسبة الكمية" ، كما تقول.
يقول Vonshik Choi ، أستاذ الفيزياء في جامعة كوريا والذي لا يرتبط بهذه الدراسة ، إن الحصول على صور فائقة الدقة في وسط انتثار معقد كان في السابق صعبًا بسبب عدم وجود "نجوم توجيهية" من شأنها أن تعطي موقعها بدقة الانعكاس.
"لقد طور الباحثون طريقة أنيقة لتشغيل OKMs على أساس مراكز NV في nanodiamonds مثل النجوم التوجيهية" ، كما يقول. "يفتح هذا العمل إمكانات جديدة للحصول على صور لطبقات الأنسجة العميقة ذات الدقة الفائقة ومعالجة المعلومات الكمية في الأجهزة النانوية الأصغر من الطول الموجي."
الآن ، يأمل الباحثون في استكشاف إمكانية استخدام التشابك الكمومي وأنواع أخرى من أشباه الموصلات مثل OKMs ، كما يقول كيم.