量子光源提高了生物成像的清晰度

德克萨斯A&M大学的研究人员完成了曾经被认为不可能的事情——他们创造了一种能够将光的量子涨落压缩到定向路径的设备，并用它来增强对比度成像。

这种独一无二的“手电筒”旨在提高布里渊显微镜光谱测量中存在的信噪比，该光谱测量直观地记录活细胞和组织内部结构的机械特性。测试结果表明，新光源显着提高了图像清晰度和准确性。

“这是研究的新途径，”工程学院生物医学工程系大学教授VladislavYakovlev博士说。“我们正在专门设计光线，以提高对比度。”

“这是布里渊显微技术和广泛用于生物系统的成像能力的一个新里程碑，”农业与生命科学学院生物与农业工程系大学特聘教授GirishAgarwal博士说。“它成为开发用于脑成像、生物分子结构映射以及通过设计超灵敏重力仪探索地下油和水源等多种应用的量子传感器的国际努力的一部分。”

一篇详细介绍这项工作的论文发表在Optica上。

所有能够捕获图片或图像的仪器也会在此过程中捕获信号失真或噪声。失真可能源于主体周围环境的光线过多或过少，甚至亮度或颜色问题。在图像放大到足以让肉眼清楚地看到不需要的像素之前，大多数噪声都不会被注意到。

布里渊显微镜是目前可能的缩小比例测量成像的基本限制。该过程将激光瞄准固体物体，并测量由可见静止材料内的运动原子和结构产生的振动波或信号。

在这种规模下产生的噪声会严重掩盖接收到的信号，从而产生难以解释的模糊图像。目前，像布里渊显微镜这样的所有激光光谱系统都存在与激光相关的自然和技术信号失真，这就是需要更新光源的原因。

六年前，雅科夫列夫试图通过使用强光源来提高布里渊显微镜的信噪比。不幸的是，过度暴露在光线下会损坏他正在成像的细胞。

雅科夫列夫在文献中寻找答案，发现1980年代的理论假设量子光可以解决这个问题，尽管它没有提到如何解决。量子物理学专家阿加瓦尔想出了一个可能的方法。时任美国马里兰大学博士后研究员的田力博士受聘在德州农工大学创建了第一个量子光实验室。实验室空间由量子科学与工程研究所所长MarlanScully博士提供。

该团队面临两个重大挑战：为这样一个疯狂的想法寻找资金，并寻找研究生和博士后研究人员来帮助他们——他们愿意跨越生物学和量子物理学领域。

经过近两年的积极探索，该设备发展成为一个桌面大小的复杂光学配置和测量仪器的装置，使研究人员能够调整、引导和有效地操纵和检测光。在那段时间里，李对生物学有了更好的了解，雅科夫列夫和阿加瓦尔开发了一种机制，可以在不破坏活细胞的情况下，创造出降噪所需的适当状态和光物质。

尽管光挤压装置可用于拉曼散射等其他光谱测量，但Yakovlev和Agarwal正在增强布里渊显微镜识别生物系统中粘性或弹性材料的能力。这些系统控制细胞和细胞结构的物理特性，并定义从细胞发育到癌症进展的一切。

清楚地看到细节会对生物医学的突破产生巨大的影响。

“每次你得到一台新望远镜或类似引力波天文学的东西时，你都会发现没有它就不可能看到的新事物，”雅科夫列夫说。“同样的事情也适用于生物学。在显微镜发明之前，我们不知道我们是由单个细胞组成的。”

到目前为止，只有光谱图像的对比度得到了改善，但Yakovlev和Agarwal已经在研究Agarwal的理论，以提高空间分辨率或尽可能小的细节。如果这项任务导致创建另一种突破当前技术极限的复杂设备，研究人员已经准备好并愿意实现这一目标。

雅科夫列夫说：“我喜欢那些人们告诉你某事永远行不通的项目，但它确实行得通。”“我喜欢挑战。”

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