La fuente de luz cuántica mejora la claridad de la bioimagen

Imágenes microscópicas mejoradas cuánticamente usando agua como medio de señal. El objeto de imagen es una pieza de vidrio en forma de triángulo que se muestra en el recuadro de (a), donde la barra de escala blanca tiene 1 mm en dirección horizontal. Más de 3 dB de SNR mejorada cuánticamente, o contraste de imagen, es claramente visible en (b). Crédito:Óptica (2022). DOI:10.1364/OPTICA.467635

Los investigadores de la Universidad de Texas A&M lograron lo que alguna vez se consideró imposible:crearon un dispositivo capaz de reducir las fluctuaciones cuánticas de la luz a un camino dirigido y lo usaron para mejorar las imágenes de contraste.

Esta "linterna" única en su tipo se construyó para aumentar la relación señal-ruido presente en las mediciones espectroscópicas de microscopía Brillouin que registran visualmente las propiedades mecánicas de las estructuras dentro de las células y tejidos vivos. Los resultados de las pruebas revelan que la nueva fuente aumenta significativamente la claridad y precisión de la imagen.

"Esta es una nueva vía en la investigación", dijo el Dr. Vladislav Yakovlev, profesor universitario en el Departamento de Ingeniería Biomédica de la Facultad de Ingeniería. "Estamos diseñando especialmente la luz de tal manera que pueda mejorar el contraste".

"Es un nuevo hito en las capacidades de microscopía e imagen de Brillouin ampliamente utilizadas para biosistemas", dijo el Dr. Girish Agarwal, profesor distinguido de la Universidad en el Departamento de Ingeniería Biológica y Agrícola de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida. "Y se convierte en parte de un esfuerzo internacional para desarrollar sensores cuánticos para diversas aplicaciones como imágenes cerebrales, mapeo de estructuras de biomoléculas y exploración de fuentes subterráneas de petróleo y agua mediante el diseño de gravímetros supersensibles".

Un artículo que detalla el trabajo fue publicado en Optica .

Todos los instrumentos capaces de capturar una imagen o imagen también capturan distorsiones de señal o ruido en el proceso. Las distorsiones pueden deberse a demasiada o muy poca luz e incluso a problemas de brillo o color del entorno que rodea al sujeto. La mayor parte del ruido pasa desapercibido hasta que la imagen se amplía lo suficiente como para que el ojo desnudo pueda ver claramente los píxeles no deseados.

La microscopía de Brillouin es el límite fundamental de las imágenes de medición a escala reducida actualmente posibles. El proceso apunta los láseres a objetos sólidos y mide las ondas o señales de vibración producidas por los átomos en movimiento y las estructuras dentro del material visiblemente inmóvil.

El ruido producido a esta escala puede oscurecer severamente las señales recibidas, creando imágenes borrosas que son difíciles de interpretar. Actualmente, todos los sistemas de espectroscopia láser, como la microscopia Brillouin, sufren las distorsiones de la señal natural y técnica asociadas con la luz láser, razón por la cual se necesitan fuentes de luz más nuevas.

Hace seis años, Yakovlev intentó mejorar la relación señal-ruido en la microscopía de Brillouin mediante el uso de fuentes de luz intensa. Desafortunadamente, la sobreexposición a la luz dañó las células de las que estaba tomando imágenes.

Yakovlev buscó respuestas en la literatura y encontró una teoría de la década de 1980 que postulaba que la luz cuántica podía resolver el problema, aunque no mencionaba cómo. Agarwal, un experto en física cuántica, ideó una forma posible. El Dr. Tian Li, entonces investigador postdoctoral de la Universidad de Maryland, fue contratado para crear el primer laboratorio de luz cuántica en Texas A&M. El espacio del laboratorio fue proporcionado por el Dr. Marlan Scully, director del Instituto de Ciencia e Ingeniería Cuántica.

El equipo enfrentó dos desafíos importantes:encontrar financiamiento para una idea tan descabellada y encontrar estudiantes graduados e investigadores posdoctorales para ayudarlos, que estuvieran dispuestos a abarcar los campos de la biología y la física cuántica.

Después de casi dos años de intensas exploraciones, el dispositivo se convirtió en un artilugio del tamaño de una mesa con configuraciones ópticas complejas e instrumentos de medición que permitieron a los investigadores ajustar, dirigir y manipular y detectar la luz de manera eficiente. Durante ese tiempo, Li obtuvo una mejor comprensión de la biología, y Yakovlev y Agarwal desarrollaron un mecanismo para crear el estado adecuado y la materia de luz necesaria para la reducción del ruido sin dañar las células vivas.

Aunque el dispositivo de compresión de luz se puede adoptar para otras mediciones espectroscópicas como la dispersión de Raman, Yakovlev y Agarwal están mejorando las capacidades de la microscopía de Brillouin para identificar los materiales viscosos o elásticos en los sistemas biológicos. Estos sistemas controlan las propiedades físicas de las células y las estructuras celulares y definen todo, desde el desarrollo celular hasta la progresión del cáncer.

Ver los detalles claramente hace una gran diferencia en los avances biomédicos.

"Cada vez que obtienes un nuevo telescopio o algo como la astronomía de ondas gravitacionales, descubres cosas nuevas que posiblemente no puedas ver sin él", dijo Yakovlev. "Lo mismo funciona en biología. Antes de la invención del microscopio, no sabíamos que consistíamos en células individuales".

Hasta ahora, solo se ha mejorado el contraste de las imágenes de espectroscopia, pero Yakovlev y Agarwal ya están trabajando en la teoría de Agarwal para mejorar la resolución espacial o los detalles más pequeños posibles. Y si la tarea conduce a la creación de otro dispositivo complejo que supere los límites de la tecnología actual, los investigadores están listos y dispuestos a hacerlo realidad.

"Me encantan esos tipos de proyectos en los que la gente te dice que algo nunca funcionará y funciona", dijo Yakovlev. "Me encantan los desafíos". + Explora más