El primer microscopio basado en infrarrojos con luz cuántica: ¿El futuro de la bio-medicina?
Al enredar deliberadamente los fotones, los investigadores lograron obtener imágenes de muestras de tejido con bio-funciones previamente invisibles.
El equipo de investigadores de la Universidad Humboldt de Berlín y el Centro de Investigación Experimental y Clínica (ECRC), una institución conjunta de Charité Berlin y el Centro Max Delbruck de Medicina Molecular en la Asociación Helmholtz, aparece en la portada de "Avances de la Ciencia" con su nuevo experimento. Por primera vez utilizaron con éxito la luz enmarañada (fotones) para imágenes de microscopio. Este sorprendente método de imágenes cuánticas con fotones no detectados fue descubierto en 2014 en el grupo del famoso físico cuántico Anton Zeilinger en Viena. Las primeras imágenes muestran muestras de tejido del corazón de un ratón.
Imagen simbólica
Photo by Ramón Salinero on Unsplash
El equipo utiliza fotones enredados para obtener una imagen de una bio-muestra sondeada por luz "invisible" sin mirar nunca esa luz. Los investigadores sólo utilizan un láser normal y una cámara CMOS comercial. Esto hace que su técnica de microscopía MIR no sólo sea robusta, rápida y de bajo ruido, sino también rentable, lo que la hace muy prometedora para aplicaciones en el mundo real. Este uso de la luz cuántica podría apoyar el campo de la microscopía biomédica en el futuro.
La detección actual de cámaras está dominada inequívocamente por las tecnologías basadas en el silicio. Hay miles de millones de sensores CCD (dispositivo de acoplamiento de carga) y CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) en cámaras digitales, teléfonos móviles o vehículos autónomos. Estos convierten la luz (fotones) en señales eléctricas (electrones). Pero como nuestros ojos humanos, estos dispositivos no pueden ver el importante rango del infrarrojo medio. Este rango de longitudes de onda es muy importante para la ciencia biológica, ya que contiene valiosa información bioquímica que permite a los investigadores distinguir las diferentes biomoléculas. Las pocas tecnologías de cámara que existen en estas cruciales longitudes de onda son muy caras, ruidosas y están sujetas a restricciones de exportación. Por eso, el enorme potencial que la luz de infrarrojo medio tiene para las ciencias de la vida hasta ahora no se ha aprovechado. Pero los investigadores han propuesto una nueva solución: "El uso de una técnica de imagen realmente contraria a la intuición con fotones de ángulo cuántico nos permite medir la influencia de una muestra en un haz de luz de infrarrojo medio, sin necesidad de detectar esta luz", explica Inna Kviatkovsky, la autora principal del estudio.
Tampoco hay ninguna conversión o la llamada 'imagen fantasma' implicada, pero la técnica se basa en un sutil efecto de interferencia: primero se genera un par de fotones enfocando un láser de bomba en un cristal no lineal. Este proceso puede ser diseñado de tal manera que uno de los fotones esté en el rango visible y el otro en el MIR (invisible). El fotón del MIR sondea la muestra y junto con el fotón visible y el láser se envía de vuelta al cristal. Aquí se produce una interferencia cuántica, entre las posibilidades de que el par de fotones se genere en este primer paso, y la posibilidad de que no se genere en el primer paso, sino en el segundo paso a través del cristal. Cualquier perturbación, es decir, la absorción causada por la muestra, afectará ahora a esta interferencia e intrigantemente esto puede ser medido con sólo mirar los fotones visibles. Usando la óptica correcta se puede construir un microscopio de infrarrojo medio basado en este principio, que el equipo mostró por primera vez en su trabajo.
"Después de algunos desafíos al principio, nos sorprendió lo bien que funciona en una bio-muestra real". Kviatkovsky señala. "También brillamos sólo con potencias extremadamente bajas de luz de infrarrojo medio en las muestras, tan bajas, que ninguna tecnología de cámara podría detectar directamente estas imágenes." Mientras que, naturalmente, esta es sólo la primera demostración de esta técnica de microscopía, los investigadores ya están desarrollando una versión mejorada de la técnica. Los investigadores prevén un microscopio de infrarrojo medio alimentado por luz cuántica que permite la rápida medición de los espectros de absorción detallados y localizados de toda la muestra. "Si tiene éxito, podría tener una amplia gama de aplicaciones en la bioimagen sin etiquetas y tenemos previsto investigarlo con nuestros socios colaboradores del ECRC", explica el Dr. Sven Ramelow, jefe de grupo de la Universidad de Humboldt.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Inna Kviatkovsky, Helen M. Chrzanowski, Ellen G. Avery, Hendrik Bartolomaeus, Sven Ramelow; "Microscopy with undetected photons in the mid-infrared"; Science Advances Issue 42; 14. Oktober 2020
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