Der am MIT entwickelte Ansatz überwindet das seit langem bestehende Problem der Lichtstreuung in biologischen Geweben und anderen komplexen Materialien.
Das Problem, Bilder von tiefen Schichten biologischen Gewebes zu erhalten, ist seit langem komplex geblieben. Licht wird normalerweise in einem so komplexen Material wie biologischem Gewebe gestreut und darin reflektiert, bis es unter vielen verschiedenen Winkeln zurückkommt. Dies stört den Fokus von optischen Mikroskopen und verringert sowohl die Auflösung als auch die Bildtiefe. Die Verwendung von Licht mit einer erhöhten Wellenlänge trägt zur Verringerung der Streuung bei, verringert jedoch auch die Auflösung.
Anstatt zu versuchen, eine Streuung zu vermeiden, haben MIT-Forscher eine Technologie entwickelt, die dieses Phänomen für ihre eigenen Zwecke nutzt. Die Technologie, die sie in einem in der Fachzeitschrift Science veröffentlichten Artikel beschrieben haben, ermöglicht die Verwendung von Lichtstreuung, um die Bildauflösung im Vergleich zu bestehenden Systemen um den Faktor 10 zu verbessern.
Die Fähigkeiten herkömmlicher Mikroskope sind durch die
Beugungsgrenze begrenzt , die keine genauere Fokussierung als eine bestimmte Auflösung ermöglicht. Mit der neuen Technologie können Sie Bilder mit einer "optischen Superauflösung" aufnehmen, die diese Einschränkung überwindet.
Es kann verwendet werden, um biomedizinische Bilder zu verbessern, beispielsweise um sich genauer auf krebsartige Gewebezellen zu konzentrieren. Es kann auch mit
optogenetischen Technologien kombiniert werden, um bestimmte Gehirnzellen anzuregen. Laut Dungu Kim, einem Doktoranden, Maschinenbauingenieur am MIT, dem Hauptautor der Arbeit, kann es sogar im Quantencomputer eingesetzt werden.
Die Forscher schlugen diese Methode erstmals 2007 vor - durch die Bildung einer Lichtwelle, bevor sie auf besondere Weise an das Gewebe gesendet wird, ist es möglich, den Streuprozess umzukehren und das Licht an einem Punkt zu fokussieren. Lange Zeit war es jedoch nicht möglich, diese Methode zu nutzen, da es schwierig war, Informationen über die Streuung von Licht in so komplexen Materialien wie biologischen Geweben zu sammeln.
Um diese Informationen zu erhalten, haben Forscher verschiedene Technologien entwickelt, um „Leitsterne“ oder Rückkopplungssignale zu erzeugen, die von bestimmten Gewebepunkten ausgehen und es Ihnen ermöglichen, das Licht richtig zu konzentrieren. Derzeit haben diese Ansätze jedoch eine Auflösung ergeben, die die Beugungsgrenze unterschreitet, sagt Kim.
Um die Auflösung zu verbessern, entwickelten Kim und Co-Autor Dirk Inglund, außerordentlicher Professor am Institut für Elektrotechnik und Informatik am MIT und am Electronics Research Laboratory, sogenannte „Quantenreferenzbaken (QRB)“.
OKMs werden unter Verwendung von
stickstoffsubstituierten Leerstellen in Diamanten (NV-Zentren) erstellt. Diese winzigen molekularen Defekte im Diamantkristallgitter zeigen natürliche Fluoreszenz, dh sie emittieren Licht, wenn sie von einem Laserstrahl angeregt werden.
Wenn sie einem OKM mit einem Magnetfeld ausgesetzt werden, schwingt jeder von ihnen mit seiner spezifischen Frequenz mit. Durch Senden eines Mikrowellensignals mit derselben Resonanzfrequenz an eine Gewebeprobe, wie sie für ein bestimmtes OKM beobachtet wurde, können Forscher dessen Fluoreszenz selektiv ändern.
"Stellen Sie sich einen Piloten vor, der versucht, ein Schiff nachts zum Ziel zu steuern", sagt Kim. "Wenn er drei Leuchtfeuer sieht, die ihnen ein Signal geben, könnte er verwirrt werden." Aber wenn einer der Leuchttürme absichtlich blinkt, orientiert er sich daran “, sagt er.
In diesem Sinne arbeiten NV-Zentren als Leuchtfeuer und emittieren fluoreszierendes Licht. Durch Modulation der Fluoreszenz eines bestimmten Leuchtfeuers erzeugen die Forscher ein Ein / Aus-Signal und können die Position dieses Leuchtfeuers im Gewebe bestimmen. „Wir können den Ort bestimmen, von dem das Licht kommt, und auf dieser Grundlage verstehen, wie Licht in komplexen Materialien gestreut wird“, sagt Kim.
Die Forscher kombinieren dann die von allen OKMs erhaltenen Informationen und erstellen ein genaues Profil des Streumusters im Gewebe. Wenn Sie dieses Bild mit einem
räumlichen Lichtmodulator verwenden - einem Gerät, mit dem Hologramme durch Manipulation von Licht erzeugt werden - können Sie den Laserstrahl vorformen, um die Streuung im Gewebe auszugleichen. Dann kann der Laser mit Superauflösung auf einen Punkt im Gewebe fokussieren.
In Bezug auf die Probleme der Biologie schlagen die Forscher vor, dass suspendierte Nanodiamanten in das Gewebe eingeführt werden können, die die Rolle eines
Kontrastmittels spielen, das bei einigen Methoden zur Gewinnung von Gewebebildern verwendet wird. Oder molekulare Markierungen, die an Diamantnanopartikeln angebracht sind, können sie an bestimmte Zelltypen abgeben.
OKM kann auch als Qubit für Quantensensoren und Quanteninformationsverarbeitung verwendet werden, sagt Kim. "OKM kann als Quantenbit zum Speichern von Quanteninformationen verwendet werden, sodass wir Quantencomputer durchführen können", sagt sie.
Das Erhalten von Superauflösungsbildern in einer komplexen Streuumgebung war zuvor schwierig, da es keine „Leitsterne“ gab, die ihre Position mit Subdiffraktionsgenauigkeit angeben würden, sagt Vonshik Choi, ein Physikprofessor an der Korea University, der nicht mit dieser Studie assoziiert ist.
„Forscher haben eine elegante Methode für den Betrieb von OKMs entwickelt, die auf NV-Zentren in Nanodiamanten als solchen Leitsternen basieren“, sagt er. "Diese Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten, um Bilder von tiefen Gewebeschichten mit Superauflösung und Quanteninformationsverarbeitung in Nanogeräten zu erhalten, die kleiner als die Wellenlänge sind."
Die Forscher hoffen nun, die Möglichkeit zu untersuchen, Quantenverschränkung und andere Arten von Halbleitern als SCMs zu verwenden, sagt Kim.