Kvantelyskilde fremmer bio-avbildningsklarhet

Texas A&M University-forskere oppnådde det som en gang ble ansett som umulig – de skapte en enhet som var i stand til å presse kvantesvingningene av lys ned til en rettet bane og brukte den til å forbedre kontrastavbildning.

Denne unike “lommelykten” ble bygget for å øke signal-til-støyforhold tilstede i Brillouin-mikroskopi spektroskopiske målinger som visuelt registrerer de mekaniske egenskapene til strukturer inne i levende celler og vev. Testresultater viser at den nye kilden øker bildets klarhet og nøyaktighet betydelig.

“Dette er en ny vei innen forskning,” sa Dr. Vladislav Yakovlev, universitetsprofessor ved Institutt for biomedisinsk ingeniørvitenskap ved College of Engineering. “Vi spesialdesigner lys på en slik måte at det kan forbedre kontrasten.”

“Det er en ny milepæl i egenskapene til Brillouin-mikroskopi og bildebehandling som brukes mye for biosystemer,” sa Dr. Girish Agarwal, professor ved Institutt for biologisk og landbruksteknikk ved College of Agriculture and Life Sciences. “Og det blir en del av en internasjonal innsats for å utvikle kvantesensorer for ulike bruksområder som hjerneavbildning, kartlegging av biomolekylstrukturer og utforskning av underjordiske olje- og vannkilder ved å utvikle supersensitive gravimetre.”

Et papir som beskriver arbeidet ble publisert i OPTISK.

Alle instrumenter som er i stand til å ta et bilde eller bilde, fanger også opp signalforvrengninger eller støy i prosessen. Forvrengningene kan stamme fra for mye eller for lite lys og til og med lysstyrke eller fargeproblemer fra miljøet rundt motivet. Det meste av støy er ubemerket til bildet er forstørret nok til at det blotte øye kan se de uønskede pikslene tydelig.

Brillouin-mikroskopi er den grunnleggende grensen for måling i redusert målestokk som for tiden er mulig. Prosessen sikter lasere mot solide gjenstander og måler bølgene eller signalene av vibrasjon laget av bevegelige atomer og strukturer i det synlig ubevegelige materialet.

Støy produsert i denne skalaen kan alvorlig skjule signalene som mottas, og skape grumsete bilder som er vanskelige å tolke. For tiden lider alle laserspektroskopisystemer som Brillouin-mikroskopi av de naturlige og tekniske signalforvrengningene forbundet med laserlysderfor trengs nyere lyskilder.

For seks år siden forsøkte Yakovlev å forbedre signal-til-støy-forholdet i Brillouin-mikroskopi ved å bruke intense lyskilder. Dessverre skadet overeksponering for lys cellene han avbildet.

Yakovlev søkte i litteratur etter svar og fant en teori fra 1980-tallet om at postulert kvantelys kunne løse problemet, selv om den ikke nevnte hvordan. Agarwal, en ekspert på kvantefysikk, kom opp med en mulig måte. Dr. Tian Li, den gang en postdoktor fra University of Maryland, ble ansatt for å lage det første kvantelyslaboratoriet ved Texas A&M. Laboratorieplassen ble levert av Dr. Marlan Scully, direktør for Institute for Quantum Science and Engineering.

Teamet sto overfor to betydelige utfordringer: å finne finansiering for en så vill idé og finne doktorgradsstudenter og postdoktorale forskere for å hjelpe dem – de som var villige til å strekke seg over feltene biologi og kvantefysikk.

Etter nesten to år med kraftige undersøkelser, vokste enheten til en bordplatestørrelse med komplekse optiske konfigurasjoner og måleinstrumenter som gjorde det mulig for forskerne å justere, styre og effektivt manipulere og oppdage lys. I løpet av den tiden fikk Li en bedre forståelse av biologi, og Yakovlev og Agarwal utviklet en mekanisme for å skape den riktige tilstanden og lysstoffet som trengs for støyreduksjon uten å skade levende celler.

Selv om den lysklemmende enheten kan brukes for andre spektroskopiske målinger som Raman-spredning, forbedrer Yakovlev og Agarwal mulighetene til Brillouin-mikroskopi for å identifisere viskøse eller elastiske materialer i biologiske systemer. Disse systemene kontrollerer de fysiske egenskapene til celler og cellestrukturer og definerer alt fra celleutvikling til kreftprogresjon.

Å se detaljer gjør tydelig en stor forskjell i biomedisinske gjennombrudd.

“Hver gang du får et nytt teleskop eller noe sånt som gravitasjonsbølgeastronomi, oppdager du nye ting du umulig kan se uten det,” sa Yakovlev. “Det samme fungerer i biologi. Før oppfinnelsen av mikroskopet visste vi ikke at vi består av individuelle celler.”

Så langt har bare kontrasten til spektroskopibilder blitt forbedret, men Yakovlev og Agarwal jobber allerede med Agarwals teori for å forbedre romlig oppløsning eller de minste detaljene som er mulig. Og hvis oppgaven fører til å skape enda en kompleks enhet som flytter grensene for dagens teknologi, er forskerne klare og villige til å få det til.

“Jeg elsker den typen prosjekter der folk forteller deg at noe aldri vil fungere, og det fungerer,” sa Yakovlev. “Jeg elsker utfordringer.”

---

---