As técnicas de microscopia que incorporam iluminação infravermelha média (IR) são uma grande promessa em uma variedade de aplicações biomédicas e industriais devido à sua especificidade bioquímica única. Contudo, o método é limitado principalmente pela faixa de detecção, onde as técnicas existentes de detecção de infravermelho médio (infravermelho médio) geralmente combinam métodos inferiores que também são caros. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Inna Kviatkovsky e uma equipe de pesquisa em física, pesquisa experimental e clínica, e medicina molecular na Alemanha, descobriram que a interferometria não linear com luz emaranhada forneceu uma ferramenta poderosa para a microscopia de infravermelho médio. A configuração experimental exigia apenas detecção de infravermelho próximo com uma câmera baseada em silício. Eles desenvolveram um experimento de prova de princípio para mostrar imagens de campo amplo em uma ampla faixa de comprimento de onda cobrindo 3,4 a 4,3 micrômetros (µm). A técnica é adequada para adquirir imagens microscópicas de amostras de tecido biológico no infravermelho médio. Este trabalho constitui uma abordagem original com relevância potencial para imagens quânticas em ciências da vida.

Imagens Mid-IR

A microscopia e a imagem de infravermelho médio têm uma ampla variedade de aplicações em biologia, Medicina, ciências ambientais e microfluídica. Por exemplo, pesquisadores podem usar luz infravermelha média para detectar os modos distintos de rotação e vibração de moléculas específicas como uma "impressão digital espectral, "para superar a necessidade de rotulagem. Essas técnicas livres de rótulos e não invasivas são importantes para procedimentos de bioimagem em tecidos vivos praticamente inalterados. A imagem espectroscópica IV por transformada de Fourier é uma técnica de imagem IV mid-state-of-the-art que depende muito em fontes e detectores de infravermelho de banda larga. Os detectores de infravermelho são, Contudo, tecnicamente desafiador, caro e às vezes requer resfriamento criogênico. Para contornar a necessidade de detectores de infravermelho, os pesquisadores devem desenvolver métodos coerentes de microscopia de espalhamento Raman e anti-Stokes. Em uma abordagem marcadamente diferente, eles usaram a interferência de um par de fótons emaranhados com comprimentos de onda amplamente diferentes que não requerem fontes de laser ou detectores no comprimento de onda da imagem. Nesse trabalho, Kviatkovsky et al. usou interferometria quântica não linear altamente multimodal como uma ferramenta poderosa para imagens microscópicas na região do infravermelho médio com apenas um laser visível de potência média e uma câmera semicondutora de óxido metálico personalizado (CMOS) padrão. Eles derivaram fórmulas explícitas para o campo de visão e resolução de imagens de campo amplo com pares de fótons altamente não degenerados.

Os cientistas desenvolveram um interferômetro não linear através da passagem dupla de um cristal de fosfato de titanil potássio (ppKTP) em uma geometria de Michelson dobrada (um padrão de interferência). A bomba passou pelo cristal duas vezes para gerar um único par de sinal e fótons intermediários por meio de conversão paramétrica descendente (SPDC) - um processo óptico não linear em que um fóton se divide espontaneamente em dois outros fótons de energias mais baixas em um laboratório de óptica. O método SPDC constitui a base de muitos experimentos ópticos quânticos em laboratórios atualmente, abrangendo criptografia quântica, metrologia quântica para até mesmo facilitar o teste das leis fundamentais da mecânica quântica. Os modos de sinal e tensor alinhados após a primeira passagem do cristal se propagam de volta para a segunda passagem e se sobrepõem perfeitamente para gerar bifótons. Kviatkovsky et al. mediu a interferência olhando para os fótons de sinal com uma câmera CMOS, sem incluir componentes complexos ou de alto custo para realizar tal configuração. A equipe projetou o cristal não linear para sinais altamente não degenerados e comprimentos de onda do ralenti e selecionou os comprimentos de onda do ralenti usando correspondência de fase de banda larga. Desta maneira, o experimento permitiu a recuperação simultânea da fase espacialmente resolvida e informações de amplitude de uma amostra e a equipe caracterizou as propriedades de imagem de infravermelho médio com uma câmera CMOS de prateleira para detectar e adquirir imagens microscópicas de uma amostra biológica.

Caracterização experimental e prova de conceito

Durante a caracterização inicial da técnica de imagem, Kviatkovsky et al. coloque os dois espelhos do interferômetro no campo distante do cristal e, em seguida, coloque a amostra a ser visualizada no espelho intermediário. A configuração não ampliada forneceu um processo direto para caracterizar a capacidade de imagem do sistema, embora com resolução limitada. Os cientistas iluminaram um alvo de resolução de caminho claro da Força Aérea dos EUA (USAF), onde os valores resultantes foram consistentes com uma estrutura teórica generalizada a partir de imagens fantasmas. Eles combinaram a natureza de banda larga da fonte de conversão descendente com estreitas correlações de energia compartilhadas entre o sinal e o polidor para permitir facilmente a imagem hiperespectral. Durante as demonstrações de prova de conceito, eles usaram um filtro de interferência ajustável com largura de banda de 3,5 nm imediatamente antes da detecção e alcançaram resolução espectral aprimorada com filtragem mais estreita.

Usando o método para bioimagem

A equipe mostrou o potencial do método para investigar amostras biológicas usando uma amostra histológica não corada de um coração de camundongo. Eles obtiveram imagens de infravermelho médio por varredura axial do deslocamento do interferômetro dentro do comprimento de coerência e extraíram a visibilidade e a fase do sinal de interferência para cada pixel. Os resultados eliminaram qualquer ambigüidade entre perda e interferência destrutiva que poderia surgir em uma medição de disparo único. O trabalho permitiu a reconstrução direta das imagens de contraste de fase de campo amplo. As imagens resultantes mostraram uma porção do endocárdio, a camada mais interna que reveste os ventrículos do coração em roxo escuro para indicar alta absorção de fótons. A camada separou o ventrículo e o miocárdio; o músculo cardíaco que consiste na maior parte do tecido cardíaco. A clareza da imagem destacou a alta tolerância do método de imagem apresentado para superar perdas e espalhamento.

Desta maneira, Inna Kviatkovsky, e colegas mostraram como a imagem de infravermelho médio com interferometria não linear desempenhou um papel significativo nas tarefas de imagem do mundo real que requerem componentes de baixo custo para a ciência econômica. A equipe conseguiu um recurso de imagem na escala de 35 mícrons, onde a imagem hiperespectral estendida não era complicada devido ao uso de uma estratégia de conversão paramétrica descendente (SPDC) de banda larga espontânea. A equipe mostrou a promessa do mundo real deste novo método por meio de detecção biológica não destrutiva enquanto visualizava uma amostra biológica úmida com baixa iluminação de amostra. A estratégia permitiu que qualquer informação transportada por um fóton livre fosse perfeitamente transferida para o fóton sinal. Embora a resolução espacial deste trabalho ainda fosse maior do que a prevista para os sistemas de infravermelho intermediários de última geração, extensões para obter maiores recursos de imagem eram diretas.

A equipe mostrou interferometria não linear com fótons experimentalmente emaranhados para fornecer um método poderoso e econômico para microscopia na região do infravermelho médio. O trabalho aproveitou a maturidade da tecnologia de detecção de infravermelho próximo baseada em silício para imagens de infravermelho médio com iluminação de nível de luz excepcionalmente baixa. O trabalho pode ser estendido para imagens hiperespectrais em microescala. Como prova de conceito, os cientistas fizeram imagens de uma amostra biológica usando luz quântica para revelar características morfológicas com alta resolução. Os resultados abrirão caminho para a banda larga, espectroscopia hiperespectral de infravermelho médio com imagem de campo amplo para aplicações variadas em biologia e engenharia biomédica.

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