A abordagem desenvolvida no MIT supera o antigo problema da dispersão da luz em tecidos biológicos e outros materiais complexos.
O problema de obter imagens de camadas profundas de tecidos biológicos permanece há muito tempo complexo. A luz geralmente é espalhada em um material tão complexo como o tecido biológico e é refletida dentro dela até voltar em muitos ângulos diferentes. Isso atrapalha o foco dos microscópios ópticos, reduzindo a resolução e a profundidade da imagem. O uso da luz com um comprimento de onda aumentado ajuda a reduzir a dispersão, mas também reduz a resolução.
Agora, em vez de tentar evitar a dispersão, os pesquisadores do MIT desenvolveram uma tecnologia que usa esse fenômeno para seus próprios fins. A tecnologia que eles descreveram em um artigo publicado na revista Science permite o uso da dispersão da luz para melhorar a resolução da imagem em um fator de 10 em comparação com os sistemas existentes.
As capacidades dos microscópios convencionais são limitadas pelo
limite de difração , que não permite focar com mais precisão do que uma determinada resolução. A nova tecnologia permite tirar fotos com "super-resolução óptica" que supera essa limitação.
Pode ser usado para melhorar imagens biomédicas, por exemplo, concentrando-se mais precisamente em células de tecido cancerígeno. Também pode ser combinado com tecnologias
optogenéticas para excitar certas células cerebrais. Pode até ser usado em computação quântica, de acordo com Dungu Kim, um estudante de graduação, engenheiro mecânico do MIT, principal autor do trabalho.
Os pesquisadores propuseram esse método pela primeira vez em 2007 - formando uma onda de luz antes de enviá-la ao tecido de uma maneira especial, é possível obter a reversão do processo de dispersão e focar a luz em um ponto. No entanto, durante muito tempo, não foi possível tirar proveito desse método devido à dificuldade de coletar informações sobre a dispersão da luz em materiais tão complexos quanto os tecidos biológicos.
Para obter essas informações, os pesquisadores desenvolveram várias tecnologias para criar "estrelas-guia" ou sinais de feedback, provenientes de pontos específicos de tecido que permitem concentrar corretamente a luz. Mas, por enquanto, essas abordagens deram uma resolução que fica aquém do limite de difração, diz Kim.
Para melhorar a resolução, Kim e o co-autor Dirk Inglund, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação do MIT e do Laboratório de Pesquisa Eletrônica, desenvolveram algo chamado “QRB (Quantum Reference Beacons”).
Os OKMs são criados usando
vagas substituídas por
nitrogênio no diamante (centros NV). Esses pequenos defeitos moleculares na estrutura de cristal de diamante exibem fluorescência natural, isto é, emitem luz quando excitados por um raio laser.
Além disso, quando expostos a um OKM com um campo magnético, cada um deles ressoa na sua frequência específica. Ao enviar um sinal de microondas da mesma frequência ressonante para uma amostra de tecido observada para um determinado OKM, os pesquisadores podem alterar seletivamente sua fluorescência.
"Imagine um piloto tentando navegar de um navio à noite até seu destino", diz Kim. "Se ele vir três sinais de sinalização, pode ficar confuso." Mas se um dos faróis piscar de propósito, ele se orientará ”, diz ele.
Nesse sentido, os centros NV operam como faróis, emitindo luz fluorescente. Ao modular a fluorescência de um farol em particular, os pesquisadores criam um sinal liga / desliga e podem determinar a localização desse farol no tecido. "Podemos pegar o local de onde a luz vem e, com base nisso, entender como a luz é dispersa em materiais complexos", diz Kim.
Os pesquisadores combinam as informações obtidas de todos os OKMs e criam um perfil preciso do padrão de dispersão no tecido. Usando esta foto com um
modulador de luz espacial - um dispositivo usado para produzir hologramas manipulando a luz - você pode pré-moldar o feixe de laser para compensar a dispersão que ocorre dentro do tecido. Em seguida, o laser poderá focalizar com superresolução em um ponto dentro do tecido.
Aplicados aos problemas da biologia, os pesquisadores sugerem que os nanodiamantes em suspensão podem ser introduzidos no tecido, o que desempenhará o papel de um
agente de contraste usado em alguns métodos de obtenção de imagens de tecidos. Ou, rótulos moleculares ligados a nanopartículas de diamante podem entregá-los a certos tipos de células.
O OKM também pode ser usado como qubits para sensores quânticos e processamento de informações quânticas, diz Kim. "O OKM pode ser usado como bits quânticos para armazenar informações quânticas, para que possamos fazer computação quântica", diz ela.
A obtenção de imagens de super-resolução em um meio de dispersão complexo era anteriormente difícil devido à falta de "estrelas-guia" que dariam sua localização com precisão de subdifração, diz Vonshik Choi, professor de física da Universidade da Coréia que não está associado a este estudo.
"Os pesquisadores desenvolveram um método elegante para operar OKMs com base em centros de NV em nanodiamantes, como estrelas-guia", diz ele. "Este trabalho abre novas possibilidades para obter imagens de camadas de tecidos profundos com superresolução e processamento de informações quânticas em nanodispositivos menores que o comprimento de onda".
Agora, os pesquisadores esperam explorar a possibilidade de usar o entrelaçamento quântico e outros tipos de semicondutores como OKMs, diz Kim.