Las técnicas de microscopía que incorporan iluminación de infrarrojo medio (IR) son muy prometedoras en una amplia gama de aplicaciones biomédicas e industriales debido a su especificidad bioquímica única. Sin embargo, el método está principalmente limitado por el rango de detección, donde las técnicas de detección de infrarrojo medio (IR medio) existentes a menudo combinan métodos inferiores que también son costosos. En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Inna Kviatkovsky y un equipo de investigación en física, investigación experimental y clínica, y medicina molecular en Alemania, descubrió que la interferometría no lineal con luz entrelazada proporcionaba una herramienta poderosa para la microscopía de infrarrojos medios. La configuración experimental solo requirió detección de infrarrojos cercanos con una cámara basada en silicio. Desarrollaron un experimento de prueba de principio para mostrar imágenes de campo amplio en un amplio rango de longitud de onda que abarca de 3,4 a 4,3 micrómetros (µm). La técnica es adecuada para adquirir imágenes microscópicas de muestras de tejido biológico en el IR medio. Este trabajo forma un enfoque original con potencial relevancia para la imagen cuántica en las ciencias de la vida.

Imágenes de infrarrojos medios

La microscopía y las imágenes de infrarrojo medio tienen amplias aplicaciones en biología, medicamento, ciencias ambientales y microfluídica. Por ejemplo, Los investigadores pueden utilizar la luz de infrarrojos medios para detectar los distintos modos de rotación y vibración de moléculas específicas como una "huella digital espectral, "para superar la necesidad de etiquetado. Estas técnicas no invasivas y sin etiquetado son importantes para los procedimientos de obtención de imágenes biológicas en tejidos vivos en gran parte inalterados. en detectores y fuentes de infrarrojos de banda ancha. Los detectores de infrarrojos son, sin embargo, técnicamente desafiante, costosos y en ocasiones requieren enfriamiento criogénico. Para evitar la necesidad de detectores de infrarrojos, los investigadores deben desarrollar métodos coherentes de microscopía de dispersión Raman y anti-Stokes. En un enfoque marcadamente diferente, utilizaron la interferencia de un par de fotones entrelazados con longitudes de onda muy diferentes que no requieren fuentes láser o detectores en la longitud de onda de la imagen. En este trabajo, Kviatkovsky y col. utilizó interferometría cuántica no lineal altamente multimodal como una herramienta poderosa para la obtención de imágenes microscópicas en la región del infrarrojo medio con solo un láser visible de potencia media y una cámara semiconductora de óxido metálico (CMOS) estándar personalizada. Derivaron fórmulas explícitas para el campo de visión y la resolución de imágenes de campo amplio con pares de fotones altamente no degenerados.

Los científicos desarrollaron un interferómetro no lineal mediante el doble paso de un cristal de titanil fosfato de potasio (ppKTP) con polos periódicos en una geometría de Michelson plegada (un patrón de interferencia). La bomba pasó el cristal dos veces para generar un solo par de señal y fotones inactivos a través de la conversión descendente paramétrica espontánea (SPDC), un proceso óptico no lineal en el que un fotón se divide espontáneamente en otros dos fotones de energías más bajas en un laboratorio de óptica. El método SPDC constituye la base de muchos experimentos de óptica cuántica en laboratorios en la actualidad, abarcando la criptografía cuántica, metrología cuántica para facilitar incluso la prueba de las leyes fundamentales de la mecánica cuántica. La señal y los modos inactivo se alinearon después de la primera pasada del cristal para propagarse hacia la segunda pasada y se superponen perfectamente para generar bifotones. Kviatkovsky y col. midió la interferencia mirando los fotones de señal con una cámara CMOS, sin incluir componentes complejos o costosos para realizar dicha configuración. El equipo diseñó el cristal no lineal para señales altamente no degeneradas y longitudes de onda inactivas y seleccionó las longitudes de onda inactivas utilizando la adaptación de fase de banda ancha. De este modo, El experimento permitió la recuperación simultánea de la información de amplitud y fase resuelta espacialmente de una muestra y el equipo caracterizó las propiedades de imágenes de IR medio con una cámara CMOS estándar para detectar y adquirir imágenes microscópicas de una muestra biológica.

Caracterización experimental y prueba de concepto

Durante la caracterización inicial de la técnica de imagen, Kviatkovsky y col. colocó ambos espejos del interferómetro en el campo lejano del cristal y luego colocó la muestra para la imagen en el espejo inactivo. La configuración no ampliada proporcionó un proceso sencillo para caracterizar la capacidad de generación de imágenes del sistema, aunque con resolución limitada. Los científicos iluminaron un objetivo de resolución de trayectoria clara de la Fuerza Aérea de los EE. UU. (USAF), donde los valores resultantes fueron consistentes con un marco teórico generalizado a partir de imágenes fantasma. Combinaron la naturaleza de banda ancha de la fuente de conversión descendente con correlaciones de energía estrechas compartidas entre la señal y el inactivo para permitir fácilmente la obtención de imágenes hiperespectrales. Durante las demostraciones de prueba de concepto, utilizaron un filtro de interferencia sintonizable con un ancho de banda de 3,5 nm inmediatamente antes de la detección y lograron una resolución espectral mejorada con un filtrado más estrecho.

Usando el método de bioimagen

El equipo demostró el potencial del método para investigar muestras biológicas mediante el uso de una muestra histológica sin teñir de un corazón de ratón. Obtuvieron imágenes de IR medio escaneando axialmente el desplazamiento del interferómetro dentro de la longitud de coherencia y extrajeron la visibilidad y la fase de la señal de interferencia para cada píxel. Los resultados eliminaron cualquier ambigüedad entre pérdida e interferencia destructiva que pudiera surgir en una medición de un solo disparo. El trabajo permitió una reconstrucción sencilla de las imágenes de contraste de fase de campo amplio. Las imágenes resultantes mostraron una porción del endocardio, la capa más interna que recubre los ventrículos del corazón en púrpura oscuro para indicar una alta absorción de fotones. La capa separaba el ventrículo y el miocardio; el músculo cardíaco que consiste en la mayor parte del tejido cardíaco. La claridad de las imágenes destacó la alta tolerancia del método de imágenes presentado para superar la pérdida y la dispersión.

De este modo, Inna Kviatkovsky, y sus colegas demostraron cómo las imágenes de infrarrojos medios con interferometría no lineal desempeñaron un papel importante en las tareas de imágenes del mundo real que requieren componentes rentables para la ciencia frugal. El equipo logró una función de imágenes hasta la escala de 35 micrones, donde las imágenes hiperespectrales extendidas no fueron complicadas debido al uso de una estrategia de conversión descendente paramétrica espontánea de banda ancha (SPDC). El equipo mostró la promesa del mundo real de este nuevo método a través de la detección biológica no destructiva mientras tomaba imágenes de una muestra biológica húmeda con baja iluminación de la muestra. La estrategia permitió que cualquier información transportada por un fotón inactivo se transfiriera perfectamente al fotón de señal. Aunque la resolución espacial de este trabajo fue aún mayor que la anticipada para los sistemas de infrarrojos medios de última generación, Las extensiones para lograr mayores capacidades de imagen fueron sencillas.

El equipo mostró interferometría no lineal con fotones entrelazados experimentalmente para proporcionar un método potente y rentable para microscopía en la región del IR medio. El trabajo aprovechó la madurez de la tecnología de detección de infrarrojos cercanos basada en silicio para la obtención de imágenes de infrarrojos medios con un nivel de iluminación excepcionalmente bajo. El trabajo puede extenderse a la obtención de imágenes hiperespectrales a través de la microescala. Como prueba de concepto, los científicos tomaron imágenes de una muestra biológica utilizando luz cuántica para revelar características morfológicas con alta resolución. Los resultados allanarán el camino para la banda ancha, espectroscopía hiperespectral de infrarrojos medios con imágenes de campo amplio para diversas aplicaciones en biología e ingeniería biomédica.

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