Os pesquisadores da Texas A&M University conseguiram o que antes era considerado impossível – eles criaram um dispositivo capaz de espremer as flutuações quânticas da luz em um caminho direcionado e o usaram para melhorar as imagens de contraste.
Esta "lanterna" única foi construída para aumentar a relação sinal-ruído presente em medições espectroscópicas de microscopia de Brillouin que registram visualmente as propriedades mecânicas de estruturas dentro de células e tecidos vivos. Os resultados dos testes revelam que a nova fonte aumenta significativamente a clareza e a precisão da imagem.

"Esta é uma nova avenida na pesquisa", disse o Dr. Vladislav Yakovlev, professor universitário do Departamento de Engenharia Biomédica da Faculdade de Engenharia. "Estamos especialmente projetando a luz de forma que ela possa melhorar o contraste."

"É um novo marco nas capacidades da microscopia e imagem de Brillouin amplamente utilizada para sistemas biológicos", disse o Dr. Girish Agarwal, Professor Ilustre da Universidade do Departamento de Engenharia Biológica e Agrícola da Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida. "E se torna parte de um esforço internacional para desenvolver sensores quânticos para diversas aplicações, como imagens cerebrais, mapeamento de estruturas de biomoléculas e exploração de fontes subterrâneas de petróleo e água, criando gravímetros supersensíveis".

Um artigo detalhando o trabalho foi publicado na Optica .

Todos os instrumentos capazes de capturar uma imagem ou imagem também capturam distorções de sinal, ou ruído, no processo. As distorções podem resultar de muita ou pouca luz e até mesmo problemas de brilho ou cor do ambiente ao redor do assunto. A maior parte do ruído passa despercebida até que a imagem seja ampliada o suficiente para que a olho nu veja claramente os pixels indesejados.

A microscopia de Brillouin é o limite fundamental da imagem de medição em escala reduzida atualmente possível. O processo aponta lasers para objetos sólidos e mede as ondas ou sinais de vibração feitos pelos átomos e estruturas em movimento dentro do material visivelmente imóvel.

O ruído produzido nesta escala pode obscurecer severamente os sinais recebidos, criando imagens turvas que são difíceis de interpretar. Atualmente, todos os sistemas de espectroscopia a laser, como a microscopia de Brillouin, sofrem com as distorções de sinal naturais e técnicas associadas à luz laser, razão pela qual são necessárias novas fontes de luz.

Seis anos atrás, Yakovlev tentou melhorar a relação sinal-ruído na microscopia de Brillouin usando fontes de luz intensa. Infelizmente, a superexposição à luz danificou as células que ele estava imaginando.

Yakovlev pesquisou respostas na literatura e encontrou uma teoria da década de 1980 que postulava que a luz quântica poderia resolver o problema, embora não mencionasse como. Agarwal, um especialista em física quântica, surgiu com uma maneira possível. O Dr. Tian Li, então pesquisador de pós-doutorado da Universidade de Maryland, foi contratado para criar o primeiro laboratório de luz quântica no Texas A&M. O espaço do laboratório foi fornecido pelo Dr. Marlan Scully, diretor do Instituto de Ciência e Engenharia Quântica.

A equipe enfrentou dois desafios significativos:encontrar financiamento para uma ideia tão louca e encontrar estudantes de pós-graduação e pesquisadores de pós-doutorado para ajudá-los – aqueles que estavam dispostos a abranger os campos da biologia e da física quântica.

Após quase dois anos de explorações vigorosas, o dispositivo se transformou em uma engenhoca do tamanho de uma mesa de configurações ópticas complexas e instrumentos de medição que permitiram aos pesquisadores ajustar, direcionar e manipular e detectar luz com eficiência. Durante esse tempo, Li ganhou uma melhor compreensão da biologia, e Yakovlev e Agarwal desenvolveram um mecanismo para criar o estado adequado e a matéria de luz necessária para a redução de ruído sem danificar as células vivas.

Embora o dispositivo de compressão de luz possa ser adotado para outras medidas espectroscópicas, como espalhamento Raman, Yakovlev e Agarwal estão aprimorando as capacidades da microscopia de Brillouin para identificar os materiais viscosos ou elásticos em sistemas biológicos. Esses sistemas controlam as propriedades físicas das células e estruturas celulares e definem tudo, desde o desenvolvimento celular até a progressão do câncer.

Ver detalhes claramente faz uma enorme diferença nos avanços biomédicos.

“Cada vez que você pega um novo telescópio ou algo como astronomia de ondas gravitacionais, descobre coisas novas que não pode ver sem ele”, disse Yakovlev. "A mesma coisa funciona na biologia. Antes da invenção do microscópio, não sabíamos que consistíamos em células individuais."

Até agora, apenas o contraste das imagens de espectroscopia foi melhorado, mas Yakovlev e Agarwal já estão trabalhando na teoria de Agarwal para melhorar a resolução espacial ou os menores detalhes possíveis. E se a tarefa levar à criação de outro dispositivo complexo que ultrapasse os limites da tecnologia atual, os pesquisadores estão prontos e dispostos a fazer isso acontecer.

"Adoro esses tipos de projetos em que as pessoas dizem que algo nunca funcionará e funciona", disse Yakovlev. "Adoro desafios." + Explorar mais

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