L'approche développée au MIT surmonte le problème de longue date de la diffusion de la lumière dans les tissus biologiques et autres matériaux complexes.
Le problème de l'obtention d'images de couches profondes de tissus biologiques est resté longtemps complexe. La lumière est généralement dispersée dans un matériau aussi complexe que le tissu biologique et est réfléchie à l'intérieur jusqu'à ce qu'elle revienne sous de nombreux angles différents. Cela perturbe la mise au point des microscopes optiques, réduisant à la fois la résolution et la profondeur de l'imagerie. L'utilisation de lumière avec une longueur d'onde accrue permet de réduire la diffusion, mais aussi de réduire la résolution.
Maintenant, au lieu d'essayer d'éviter la dispersion, les chercheurs du MIT ont développé une technologie qui utilise ce phénomène à leurs propres fins. La technologie qu'ils ont décrite dans un article publié dans la revue Science permet d'utiliser la diffusion de la lumière pour améliorer la résolution de l'image d'un facteur 10 par rapport aux systèmes existants.
Les capacités des microscopes conventionnels sont limitées par la
limite de diffraction , ce qui ne permet pas une focalisation plus précise qu'une certaine résolution. La nouvelle technologie vous permet de prendre des photos avec une "super-résolution optique" qui surmonte cette limitation.
Il peut être utilisé pour améliorer les images biomédicales, par exemple en se concentrant plus précisément sur les cellules cancéreuses des tissus. Il peut également être combiné avec des technologies
optogénétiques pour exciter certaines cellules du cerveau. Il peut même être utilisé en informatique quantique, selon Dungu Kim, un étudiant diplômé, ingénieur en mécanique au MIT, l'auteur principal de l'ouvrage.
Les chercheurs ont proposé cette méthode pour la première fois en 2007 - en formant une onde lumineuse avant de l'envoyer au tissu d'une manière spéciale, il est possible d'obtenir une inversion du processus de diffusion et une focalisation de la lumière en un point. Cependant, pendant longtemps, il n'a pas été possible de profiter de cette méthode en raison de la difficulté de collecter des informations sur la diffusion de la lumière dans des matériaux aussi complexes que les tissus biologiques.
Pour obtenir ces informations, les chercheurs ont développé diverses technologies pour créer des «étoiles directrices», ou signaux de rétroaction, émanant de points spécifiques de tissu qui vous permettent de concentrer correctement la lumière. Mais pour l'instant, ces approches ont donné une résolution inférieure à la limite de diffraction, explique Kim.
Pour améliorer la résolution, Kim et son co-auteur Dirk Inglund, professeur agrégé au Département de génie électrique et d'informatique du MIT et du Laboratoire de recherche en électronique, ont développé quelque chose appelé «balises de référence quantiques (QRB)».
Les OKM sont créés en utilisant
des postes vacants à l'
azote dans le diamant (centres NV). Ces minuscules défauts moléculaires dans le réseau cristallin du diamant présentent une fluorescence naturelle, c'est-à-dire qu'ils émettent de la lumière lorsqu'ils sont excités par un faisceau laser.
De plus, lorsqu'ils sont exposés à un OKM avec un champ magnétique, chacun d'eux résonne à sa fréquence spécifique. En envoyant un signal micro-ondes de la même fréquence de résonance à un échantillon de tissu que celui observé pour un OKM particulier, les chercheurs peuvent modifier sélectivement sa fluorescence.
«Imaginez un pilote essayant de naviguer sur un navire la nuit jusqu'à sa destination», explique Kim. "S'il voit trois balises leur donner un signal, il pourrait être confus." Mais si l'un des phares clignote exprès, il s'orientera », dit-il.
En ce sens, les centres NV fonctionnent comme des balises, émettant une lumière fluorescente. En modulant la fluorescence d'une balise particulière, les chercheurs créent un signal marche / arrêt et peuvent déterminer l'emplacement de cette balise dans le tissu. «Nous pouvons prendre l'endroit d'où provient la lumière et, sur cette base, comprendre comment la lumière se diffuse dans des matériaux complexes», explique Kim.
Les chercheurs combinent ensuite les informations obtenues de tous les OKM et créent un profil précis du modèle de diffusion dans le tissu. En utilisant cette image avec un
modulateur spatial de lumière - un appareil utilisé pour produire des hologrammes en manipulant la lumière - vous pouvez pré-façonner le faisceau laser pour compenser la diffusion qui se produit à l'intérieur du tissu. Le laser pourra alors se concentrer avec une superrésolution sur un point à l'intérieur du tissu.
Appliqués aux problèmes de biologie, les chercheurs suggèrent que des nanodiamants en suspension peuvent être introduits dans les tissus, qui joueront le rôle d'un
agent de contraste utilisé dans certaines méthodes d'obtention d'images tissulaires. Ou, les étiquettes moléculaires attachées aux nanoparticules de diamant peuvent les délivrer à certains types de cellules.
OKM peut également être utilisé comme qubits pour les capteurs quantiques et le traitement de l'information quantique, explique Kim. «OKM peut être utilisé comme bits quantiques pour stocker des informations quantiques, afin que nous puissions faire de l'informatique quantique», dit-elle.
L'obtention d'images de superrésolution dans un milieu de diffusion complexe était auparavant difficile en raison du manque d '«étoiles directrices» qui donneraient leur emplacement avec une précision de subdiffraction, explique Vonshik Choi, professeur de physique à l'Université de Corée qui n'est pas associé à cette étude.
«Les chercheurs ont développé une méthode élégante pour faire fonctionner les OKM basée sur des centres NV dans les nanodiamants en tant que telles étoiles directrices», dit-il. «Ce travail ouvre de nouvelles possibilités pour obtenir des images de couches de tissus profonds avec une superrésolution et un traitement d'informations quantiques dans des nanodispositifs inférieurs à la longueur d'onde.»
Maintenant, les chercheurs espèrent explorer la possibilité d'utiliser l'intrication quantique et d'autres types de semi-conducteurs comme OKM, dit Kim.