Les techniques de microscopie qui incorporent l'éclairage infrarouge moyen (IR) sont extrêmement prometteuses dans une gamme d'applications biomédicales et industrielles en raison de sa spécificité biochimique unique. Cependant, la méthode est principalement limitée par la plage de détection, où les techniques existantes de détection dans l'infrarouge moyen (IR moyen) combinent souvent des méthodes inférieures qui sont également coûteuses. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Inna Kviatkovsky et une équipe de recherche en physique, recherche expérimentale et clinique, et la médecine moléculaire en Allemagne, ont découvert que l'interférométrie non linéaire avec lumière intriquée fournissait un outil puissant pour la microscopie IR moyen. La configuration expérimentale ne nécessitait qu'une détection proche infrarouge avec une caméra à base de silicium. Ils ont développé une expérience de preuve de principe pour montrer une imagerie à grand champ sur une large gamme de longueurs d'onde couvrant 3,4 à 4,3 micromètres (µm). La technique est adaptée pour acquérir des images microscopiques d'échantillons de tissus biologiques au milieu de l'IR. Ce travail constitue une approche originale avec une pertinence potentielle pour l'imagerie quantique en sciences de la vie.

Imagerie Mid-IR

La microscopie et l'imagerie IR moyen ont des applications très variées en biologie, Médicament, sciences de l'environnement et microfluidique. Par exemple, les chercheurs peuvent utiliser la lumière infrarouge moyenne pour détecter les modes de rotation et de vibration distincts de molécules spécifiques en tant qu'« empreinte spectrale, " pour surmonter le besoin de marquage. De telles techniques sans marquage et non invasives sont importantes pour les procédures de bio-imagerie dans des tissus vivants en grande partie non altérés. sur les sources et les détecteurs IR large bande. Les détecteurs IR sont, cependant, techniquement difficile, coûteux et nécessitent parfois un refroidissement cryogénique. Pour contourner le besoin de détecteurs IR, les chercheurs doivent développer des méthodes cohérentes de microscopie à diffusion Raman et anti-Stokes. Dans une approche très différente, ils ont utilisé l'interférence d'une paire de photons intriqués avec des longueurs d'onde très différentes qui ne nécessitent pas de sources laser ou de détecteurs à la longueur d'onde d'imagerie. Dans ce travail, Kviatkovski et al. a utilisé l'interférométrie non linéaire quantique hautement multimodale comme un outil puissant pour l'imagerie microscopique dans la région de l'infrarouge moyen avec seulement un laser visible de puissance moyenne et une caméra standard à semi-conducteur à oxyde métallique (CMOS). Ils ont dérivé des formules explicites pour le champ de vision et la résolution de l'imagerie à grand champ avec des paires de photons hautement non dégénérées.

Les scientifiques ont développé un interféromètre non linéaire en passant deux fois un cristal de phosphate de potassium titanyl (ppKTP) périodiquement polarisé dans une géométrie de Michelson pliée (un motif d'interférence). La pompe a fait passer le cristal deux fois pour générer une seule paire de photons de signal et de photons libres par conversion paramétrique spontanée (SPDC) - un processus optique non linéaire où un photon se divise spontanément en deux autres photons d'énergies inférieures dans un laboratoire d'optique. La méthode SPDC constitue la base de nombreuses expériences d'optique quantique dans les laboratoires à l'heure actuelle, allant de la cryptographie quantique, la métrologie quantique pour même faciliter le test des lois fondamentales de la mécanique quantique. Les modes signal et ralenti s'alignent après le premier passage du cristal pour se propager au second passage et se chevauchent parfaitement pour générer des biphotons. Kviatkovski et al. mesuré l'interférence en regardant les photons du signal avec une caméra CMOS, sans inclure des composants complexes ou coûteux pour réaliser une telle configuration. L'équipe a conçu le cristal non linéaire pour des signaux et des longueurs d'onde inactifs hautement non dégénérés et a sélectionné les longueurs d'onde inactives à l'aide d'une correspondance de phase à large bande. De cette façon, l'expérience a permis la récupération simultanée des informations de phase et d'amplitude résolues spatialement d'un échantillon et l'équipe a caractérisé les propriétés d'imagerie infrarouge moyen avec une caméra CMOS standard pour détecter et acquérir des images microscopiques d'un échantillon biologique.

Caractérisation expérimentale et preuve de concept

Lors de la caractérisation initiale de la technique d'imagerie, Kviatkovski et al. placé les deux miroirs de l'interféromètre dans le champ lointain du cristal, puis placé l'échantillon à imager sur le miroir libre. La configuration non agrandie a fourni un processus simple pour caractériser la capacité d'imagerie du système, bien qu'avec une résolution limitée. Les scientifiques ont illuminé une cible de résolution de trajectoire claire de l'U.S. Air Force (USAF), où les valeurs résultantes étaient cohérentes avec un cadre théorique généralisé à partir de l'imagerie fantôme. Ils ont combiné la nature très large bande de la source de conversion descendante avec des corrélations énergétiques étroites partagées entre le signal et l'oisif pour permettre facilement l'imagerie hyperspectrale. Lors des démonstrations de validation de principe, ils ont utilisé un filtre d'interférence accordable avec une bande passante de 3,5 nm juste avant la détection et ont obtenu une résolution spectrale améliorée avec un filtrage plus étroit.

Utilisation de la méthode de bio-imagerie

L'équipe a montré le potentiel de la méthode pour étudier des échantillons biologiques en utilisant un échantillon histologique non coloré d'un cœur de souris. Ils ont obtenu des images mid-IR en balayant axialement le déplacement de l'interféromètre à l'intérieur de la longueur de cohérence et extrait la visibilité et la phase du signal d'interférence pour chaque pixel. Les résultats ont éliminé toute ambiguïté entre les pertes et les interférences destructrices pouvant survenir lors d'une mesure à un seul coup. Le travail a permis une reconstruction simple des images à contraste de phase à grand champ. Les images résultantes ont montré une partie de l'endocarde, la couche la plus interne tapissant les ventricules cardiaques en violet foncé pour indiquer une absorption photonique élevée. La couche séparait le ventricule et le myocarde; le muscle cardiaque qui constitue la majeure partie du tissu cardiaque. La clarté de l'imagerie a mis en évidence la haute tolérance de la méthode d'imagerie présentée pour surmonter la perte et la diffusion.

De cette façon, Inna Kviatkovski, et ses collègues ont montré comment l'imagerie infrarouge moyenne avec interférométrie non linéaire a joué un rôle important dans les tâches d'imagerie du monde réel qui nécessitent des composants rentables pour la science frugale. L'équipe a réalisé une fonction d'imagerie à l'échelle de 35 microns, où l'imagerie hyperspectrale étendue n'était pas compliquée en raison de l'utilisation d'une stratégie de down-conversion paramétrique spontanée à large bande (SPDC). L'équipe a montré la promesse du monde réel de cette nouvelle méthode grâce à la détection biologique non destructive tout en imageant un échantillon biologique humide avec un faible éclairage de l'échantillon. La stratégie a permis à toute information portée par un photon libre d'être parfaitement transférée au photon de signal. Bien que la résolution spatiale de ce travail soit encore plus élevée que celle prévue pour les systèmes mid-IR de pointe, les extensions pour accomplir des capacités d'imagerie accrues étaient simples.

L'équipe a montré une interférométrie non linéaire avec des photons intriqués expérimentalement pour fournir une méthode puissante et rentable pour la microscopie dans la région de l'IR moyen. Le travail a exploité la maturité de la technologie de détection proche infrarouge à base de silicium pour l'imagerie à infrarouge moyen avec un niveau d'éclairage exceptionnellement faible. Les travaux peuvent être étendus à l'imagerie hyperspectrale à l'échelle microscopique. Comme preuve de concept, les scientifiques ont imagé un échantillon biologique à l'aide de la lumière quantique pour révéler des caractéristiques morphologiques à haute résolution. Les résultats ouvriront la voie au haut débit, spectroscopie hyperspectrale mi-IR avec imagerie à grand champ pour diverses applications en biologie et en génie biomédical.

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