Mikroskopitekniker som innehåller mitten av infraröd (IR) belysning har enorma löften i en rad biomedicinska och industriella tillämpningar på grund av dess unika biokemiska specificitet. Dock, metoden begränsas främst av detektionsområdet, där befintliga medelinfraröda (mid-IR) detektionstekniker ofta kombinerar sämre metoder som också är kostsamma. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapliga framsteg , Inna Kviatkovsky och ett forskarlag i fysik, experimentell och klinisk forskning, och molekylär medicin i Tyskland, fann att olinjär interferometri med intrasslat ljus gav ett kraftfullt verktyg för mid-IR-mikroskopi. Den experimentella uppställningen krävde endast nära-IR-detektion med en kiselbaserad kamera. De utvecklade ett proof-of-principe-experiment för att visa bredfältsavbildning över ett brett våglängdsområde som täcker 3,4 till 4,3 mikrometer (µm). Tekniken är lämpad för att ta mikroskopiska bilder av biologiska vävnadsprover vid mitten av IR. Detta arbete bildar ett originellt tillvägagångssätt med potentiell relevans för kvantbildning inom biovetenskap.

Mid-IR-avbildning

Mikroskopi och mid-IR-avbildning har breda tillämpningar inom biologi, medicin, miljövetenskap och mikrofluidik. Till exempel, forskare kan använda mid-IR-ljus för att känna av de distinkta rotations- och vibrationssätten för specifika molekyler som ett "spektralt fingeravtryck, "för att övervinna behovet av märkning. Sådana märkningsfria och icke-invasiva tekniker är viktiga för bioimaging-förfaranden i i stort sett oförändrade levande vävnader. Fourier transform IR-spektroskopisk avbildning är en toppmodern teknik för mitten-IR-avbildning som starkt beror på på bredbandiga IR-källor och detektorer. IR-detektorerna är, dock, tekniskt utmanande, kostsamt och kräver ibland kryogen kylning. För att kringgå behovet av IR-detektorer, forskare måste utveckla koherenta raman- och anti-Stokes-spridningsmikroskopimetoder. På ett markant annorlunda sätt, de använde interferensen från ett intrasslat fotonpar med vitt skilda våglängder som inte kräver laserkällor eller detektorer vid avbildningsvåglängden. I det här arbetet, Kviatkovsky et al. använde högst multimodal icke-linjär kvantinterferometri som ett kraftfullt verktyg för mikroskopisk avbildning i det mellaninfraröda området med endast en mediumdriven synlig laser och standard anpassad metallisk-oxid-halvledarkamera (CMOS). De härledde uttryckliga formler för synfältet och upplösningen av vidfältavbildning med mycket icke-genererade fotonpar.

Forskarna utvecklade en olinjär interferometer genom att dubbelpassera en periodiskt polad kaliumtitanylfosfatkristall (ppKTP) i en vikt Michelson-geometri (ett interferensmönster). Pumpen passerade kristallen två gånger för att generera ett enda par signal- och tomgångsfotoner genom spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC) - en icke-linjär optisk process där en foton spontant delas upp i två andra fotoner med lägre energi i ett optiklaboratorium. SPDC-metoden utgör grunden för många kvantoptiska experiment i labb för närvarande, som sträcker sig över kvantkryptografi, kvantmetrologi för att till och med underlätta testning av kvantmekanikens grundläggande lagar. Signal- och tomgångslägena inriktade efter den första passagen av kristallen för att fortplanta sig tillbaka för den andra passagen och perfekt överlappa för att generera bifotoner. Kviatkovsky et al. mätte interferensen genom att titta på signalfotonerna med en CMOS-kamera, utan att inkludera komplexa eller kostnadskrävande komponenter för att realisera en sådan uppställning. Teamet konstruerade den olinjära kristallen för mycket icke -genererade signaler och tomgångsvåglängder och valde tomgångsvåglängderna med hjälp av bredbandsfasmatchning. På det här sättet, experimentet möjliggjorde samtidig hämtning av den rumsligt upplösta fas- och amplitudinformationen för ett prov och teamet karakteriserade mid-IR-avbildningsegenskaperna med en CMOS-kamera från hyllan för att upptäcka och ta mikroskopiska bilder av ett biologiskt prov.

Experimentell karaktärisering och proof-of-concept

Under den första karakteriseringen av bildtekniken, Kviatkovsky et al. placerade båda speglarna av interferometern vid kristallens bortre fält och placerade sedan provet som skulle avbildas på tomgångsspegeln. Den oförstorade konfigurationen gav en enkel process för att karakterisera systemets bildkapacitet, dock med begränsad upplösning. Forskarna belyste ett mål för upplösning av tydlig väg från U.S. Air Force (USAF), där de resulterande värdena överensstämde med en teoretisk ram generaliserad från spökbildning. De kombinerade den mycket bredbandiga karaktären hos nedkonverteringskällan med snäva energikorrelationer som delas mellan signalen och tomgången för att enkelt möjliggöra hyperspektral avbildning. Under proof-of-concept-demonstrationer, de använde ett avstämbart interferensfilter med en bandbredd på 3,5 nm omedelbart före upptäckt och uppnådde förbättrad spektral upplösning med snävare filtrering.

Använder metoden för bioavbildning

Teamet visade potentialen för metoden att undersöka biologiska prover med hjälp av ett ofärgat histologiprov av ett mushjärta. De erhöll mid-IR-bilder genom att axiellt skanna interferometerns förskjutning inuti koherenslängden och extraherade synligheten och fasen för interferenssignalen för varje pixel. Resultaten eliminerade all tvetydighet mellan förlust och destruktiv interferens som kunde uppstå vid en engångsmätning. Arbetet möjliggjorde en enkel rekonstruktion av de breda faskontrastbilderna. De resulterande bilderna visade en del av endokardiet, det innersta lagret som kantar hjärtkamrarna i mörklila för att indikera hög fotonabsorption. Skiktet separerade ventrikeln och myokardiet; hjärtmuskeln som utgör huvuddelen av hjärtvävnaden. Tydligheten i avbildningen framhävde den höga toleransen hos den presenterade avbildningsmetoden för att övervinna förlust och spridning.

På det här sättet, Inna Kviatkovsky, och kollegor visade hur mid-IR-avbildning med olinjär interferometri spelade en betydande roll i verkliga avbildningsuppgifter som kräver kostnadseffektiva komponenter för sparsam vetenskap. Teamet uppnådde en bildfunktion ner till skalan på 35 mikron, där utökad hyperspektral avbildning var okomplicerad på grund av användningen av en bredbandsstrategi för spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC). Teamet visade verkliga löften om denna nya metod genom oförstörande biologisk avkänning samtidigt som de avbildade ett vått biologiskt prov med låg provbelysning. Strategin gjorde att all information som bärs av en tomgångsfoton kunde överföras perfekt till signalfotonen. Även om den rumsliga upplösningen av detta arbete fortfarande var högre än vad som förväntades för toppmoderna mid-IR-system, förlängningar för att åstadkomma ökade bildfunktioner var okomplicerade.

Teamet visade olinjär interferometri med experimentellt intrasslade fotoner för att ge en kraftfull och kostnadseffektiv metod för mikroskopi i mitten av IR-regionen. Arbetet utnyttjade mognaden hos kiselbaserad nära-IR-detektionsteknologi för mid-IR-avbildning med exceptionellt låg ljusnivå. Arbetet kan utökas till hyperspektral avbildning över mikroskalan. Som proof of concept, forskarna avbildade ett biologiskt prov med kvantljus för att avslöja morfologiska egenskaper med hög upplösning. Resultaten kommer att bana väg för bredband, hyperspektral mid-IR-spektroskopi med bredfältsavbildning för olika tillämpningar inom biologi och biomedicinsk teknik.

© 2020 Science X Network