Det finns många varelser på vår planet med mer avancerade sinnen än människor. Sköldpaddor kan känna av jordens magnetfält. Mantisräkor kan upptäcka polariserat ljus. Elefanter kan höra mycket lägre frekvenser än vad människor kan. Fjärilar kan uppfatta ett bredare spektrum av färger, inklusive ultraviolett (UV) ljus.
Inspirerat av det förbättrade visuella systemet av Papilio xuthus-fjärilen har ett team av forskare utvecklat en bildsensor som kan "se" in i UV-området som är oåtkomligt för mänskliga ögon. Utformningen av sensorn använder staplade fotodioder och perovskit nanokristaller (PNC) som kan avbilda olika våglängder i UV-området. Genom att använda de spektrala signaturerna från biomedicinska markörer, såsom aminosyror, kan denna nya bildteknik till och med skilja mellan cancerceller och normala celler med 99 % tillförsikt.
Denna nya forskning, ledd av University of Illinois Urbana-Champaign professor i elektro- och datateknik Viktor Gruev och bioteknikprofessor Shuming Nie, publicerades nyligen i tidskriften Science Advances .
"Vi har hämtat inspiration från det visuella systemet av fjärilar, som kan uppfatta flera regioner i UV-spektrumet, och designat en kamera som replikerar den funktionen," säger Gruev. "Vi gjorde detta genom att använda nya perovskite nanokristaller, kombinerat med kiselteknik, och denna nya kamerateknik kan upptäcka flera UV-regioner."
UV-ljus är elektromagnetisk strålning med våglängder kortare än synligt ljus (men längre än röntgenstrålar). Vi är mest bekanta med UV-strålning från solen och de faror den utgör för människors hälsa. UV-ljus delas in i tre olika regioner - UVA, UVB och UVC - baserat på olika våglängdsområden. Eftersom människor inte kan se UV-ljus är det utmanande att fånga UV-information, särskilt att urskilja de små skillnaderna mellan varje region.
Fjärilar kan dock se dessa små variationer i UV-spektrumet, som människor kan se nyanser av blått och grönt. Gruev konstaterar, "Det är spännande för mig hur de kan se de små variationerna. UV-ljus är otroligt svårt att fånga, det absorberas bara av allt och fjärilar har lyckats göra det extremt bra."
Människor har trikromatisk syn med tre fotoreceptorer, där varje uppfattad färg kan göras av en kombination av rött, grönt och blått. Fjärilar har dock sammansatta ögon, med sex (eller fler) fotoreceptorklasser med distinkta spektrala känsligheter. Speciellt Papilio xuthus, en gul, asiatisk sväljsvansfjäril, har inte bara blå, gröna och röda, utan också violetta, ultravioletta och bredbandsreceptorer. Vidare har fjärilar fluorescerande pigment som tillåter dem att omvandla UV-ljus till synligt ljus som sedan lätt kan kännas av deras fotoreceptorer. Detta gör att de kan uppfatta ett bredare utbud av färger och detaljer i sin miljö.
Utöver det ökade antalet fotoreceptorer uppvisar fjärilar också en unik skiktad struktur i sina fotoreceptorer. För att replikera UV-avkänningsmekanismen för Papilio xuthus-fjärilen, har UIUC-teamet emulerat processen genom att kombinera ett tunt lager av PNC:er med ett skikt av kiselfotodioder.
PNC:er är en klass av halvledarnanokristaller som uppvisar unika egenskaper som liknar kvantprickarnas - genom att ändra storleken och sammansättningen av partikeln förändras materialets absorptions- och emissionsegenskaper. Under de senaste åren har PNC:er vuxit fram som ett intressant material för olika avkänningsapplikationer, såsom solceller och lysdioder. PNC:er är extremt bra på att detektera UV (och ännu lägre) våglängder som traditionella kiseldetektorer inte är. I den nya bildsensorn kan PNC-skiktet absorbera UV-fotoner och återutsända ljus i det synliga (gröna) spektrumet som sedan detekteras av de skiktade kiselfotodioderna. Bearbetning av dessa signaler möjliggör kartläggning och identifiering av UV-signaturer.
Det finns olika biomedicinska markörer närvarande i cancervävnader i högre koncentrationer än i friska vävnader - aminosyror (byggstenar av proteiner), proteiner och enzymer. När de exciteras med UV-ljus lyser dessa markörer upp och fluorescerar i UV och en del av det synliga spektrumet, i en process som kallas autofluorescens. "Bildbehandlingen i UV-regionen har varit begränsad och jag skulle säga att det har varit den största vägspärren för att göra vetenskapliga framsteg", förklarar Nie. "Nu har vi tagit fram den här tekniken där vi kan avbilda UV-ljus med hög känslighet och även kan urskilja små våglängdsskillnader."
Eftersom cancer och friska celler har olika koncentrationer av markörer och därför olika spektrala signaturer, kan de två klasserna av celler differentieras baserat på deras fluorescens i UV-spektrumet. Teamet utvärderade sin bildbehandlingsenhet på dess förmåga att särskilja cancerrelaterade markörer och fann att den kan skilja mellan cancer och friska celler med 99 % tillförsikt.
Gruev, Nie och deras samarbetande forskarteam föreställer sig att kunna använda denna sensor under operation. En av de största utmaningarna är att veta hur mycket vävnad som ska tas bort för att säkerställa tydliga marginaler och en sådan sensor kan hjälpa till att underlätta beslutsprocessen när en kirurg tar bort en cancertumör.
"Denna nya avbildningsteknik gör det möjligt för oss att skilja cancerceller mot friska celler och öppnar för nya och spännande tillämpningar bortom bara hälsa," säger Nie. Det finns många andra arter förutom fjärilar som kan se i UV, och att ha ett sätt att upptäcka det ljuset kommer att ge intressanta möjligheter för biologer att lära sig mer om dessa arter, såsom deras jakt- och parningsvanor. Att föra sensorn under vattnet kan bidra till en större förståelse för den miljön också. Även om mycket UV absorberas av vatten, finns det fortfarande tillräckligt som gör det genom att påverka och det finns många djur under vattnet som också ser och använder UV-ljus.
Mer information: Cheng Chen et al, Bioinspirerade, vertikalt staplade och perovskite nanokristallförbättrade CMOS-avbildningssensorer för att lösa UV-spektrala signaturer, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adk3860. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk3860
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av University of Illinois Grainger College of Engineering
