Новая технология может десятикратно улучшить разрешение изображений биологических тканей

Проблема получения снимков глубоких слоёв биологических тканей давно оставалась сложной. Свет обычно рассеивается в таком сложном материале, как биологическая ткань, и отражается внутри неё до тех пор, пока не выходит обратно под множеством разных углов. Это нарушает фокусировку оптических микроскопов, уменьшая как разрешение, так и глубину построения изображений. Использование света с увеличенной длиной волны помогает уменьшить рассеивание, но и уменьшает разрешение.

Теперь, вместо того, чтобы пытаться избежать рассеивания, исследователи из MIT разработали технологию, использующую это явление в своих целях. Описываемая ими в работе, опубликованной в журнале Science, технология позволяет использовать рассеивание света для улучшения разрешения изображения в 10 раз по сравнению с существующими системами.

Возможности обычных микроскопов ограничивает дифракционный предел, не позволяющий выполнять фокусировку точнее определённого разрешения. Новая технология позволяет получать снимки с «оптическим сверхразрешением», преодолевающим это ограничение.

Её можно использовать для улучшения биомедицинских изображений, к примеру, точнее концентрируясь на раковых клетках ткани. Её также можно комбинировать с оптогенетическими технологиями для возбуждения определённых клеток мозга. Её даже можно использовать в квантовых вычислениях, как заявляет Дунгу Ким, аспирант, инженер-механик из MIT, ведущий автор работы.

Впервые исследователи предложили этот метод в 2007 году – формируя световую волну перед отправкой её в ткань особым образом, можно добиться обращения процесса рассеяния, и фокусировки света в одной точке. Однако долгое время воспользоваться преимуществами этого метода не удавалось из-за сложности сбора информации о рассеивании света в таких сложных материалах, как биологические ткани.

Для получения этой информации исследователи разработали различные технологии для создания «путеводных звёзд», или сигналов обратной связи, исходящих от определённых точек ткани, которые позволяют корректно концентрировать свет. Но пока что эти подходы давали разрешение, не дотягивающее до дифракционного предела, говорит Ким.

Чтобы улучшить разрешение, Ким и соавтор работы Дёрк Инглунд, адъюнкт-профессор из департамента электротехники и информатики MIT и исследовательской лаборатории электроники разработали нечто под названием «опорных квантовых маяков» (ОКМ) [quantum reference beacons, QRB].

ОКМ создаются при помощи азото-замещённых вакансий в алмазе (NV-центров). Эти крохотные молекулярные дефекты кристаллической решётки алмазов обладают естественной флуоресценцией, то есть, испускают свет при возбуждении лазерным лучом.

Более того, при воздействии на ОКМ магнитным полем каждый из них резонирует на своей определённой частоте. Отправляя в образец ткани микроволновой сигнал той же резонансной частоты, какая наблюдается у определённого ОКМ, исследователи могут выборочно изменять его флуоресценцию.

«Представьте себе лоцмана, пытающегося провести судно ночью к точке назначения, — говорит Ким. – Если он увидит три маяка, дающих им сигнал, он может запутаться. Но если один из маяков будет специально мигать, он сориентируется», — говорит он.

В этом смысле NV-центры работают в качестве маяков, испуская флуоресцентный свет. Модулируя флуоресценцию определённого маяка, исследователи создают сигнал «вкл/выкл» и могут определить расположение этого маяка в ткани. «Мы можем считать местоположение, откуда исходит свет, и на основе этого понять, как свет рассеивается в сложных материалах», — говорит Ким.

Затем исследователи комбинируют информацию, полученную со всех ОКМ, и создают точный профиль картины рассеивания в ткани. Используя эту картину с пространственным модулятором света – устройством, используемым для получения голограмм через манипулирование светом – можно заранее придать лазерному лучу определённую форму для компенсации рассеивания, происходящего внутри ткани. Затем лазер сможет фокусироваться со сверхразрешением на точке внутри ткани.

В применении к задачам биологии исследователи предполагают, что в ткань можно будет вводить взвешенные наноалмазы, которые будут играть роль контрастного вещества, использующегося в некоторых способах получения изображений тканей. Или же молекулярные метки, присоединённые к наночастицам алмаза, могут доставлять их в определённые типы клеток.

ОКМ также можно использовать как кубиты для квантовых датчиков и квантовой обработки информации, говорит Ким. «ОКМ можно использовать как квантовые биты для хранения квантовой информации, благодаря чему мы можем заниматься квантовыми вычислениями», — говорит она.

Получение изображений со сверхразрешением в среде со сложным рассеиванием ранее было затруднено нехваткой «путеводных звёзд», которые бы выдавали своё расположение с субдифракционной точностью, как говорит Воншик Чой, профессор физики из Корейского университета, не связанный с этим исследованием.

«Исследователи разработали элегантный метод эксплуатации ОКМ на основе NV-центров в наноалмазах в качестве таких путеводных звёзд, — говорит он. – Эта работа открывает новые возможности для получения изображений глубоких слоёв тканей со сверхразрешением и квантовой обработки информации в наноустройствах размером меньше длины волны».

Теперь исследователи надеются изучить возможность использования квантовой запутанности и других типов полупроводников в качестве ОКМ, говорит Ким.