Quantenlicht für die biomedizinische Bildgebung
Die Multiphotonenmikroskopie gehört zu den effizientesten biologischen Bildgebungsverfahren, da sie strukturelle und funktionelle 3D-Daten aus biologischen Proben liefern kann. Das Bildgebungsverfahren arbeitet mit Zwei-Photonen-Absorption (two-photon absorption, TPA), bei dem nicht verschränkte Photonen mit lebenden Zellen interagieren. Da diese Interaktion jedoch sehr gering ist, sind für TPA große Lichtintensitäten nötig, die wiederum sensible Zellen und Gewebe schädigen können. Um diesen Nachteil zu überwinden, untersuchte das EU-finanzierte Projekt QUANTUM4BIO (Quantum optics tools for biomedical imaging) verschränkte Photonen, die durch spontane parametrische Fluoreszenz (SPDC) erzeugt werden. Durch Energie-Zeit-Korrelation verschränkter Photonenpaare kann die Absorptionseffizienz um ein Vielfaches erhöht werden. Die Forscher entwickelten und implementierten eine Breitbandquelle verschränkter SPDC-Photonen mit einer optischen Leistung von bis zu 0,2 Mikrowatt und einer Kohärenzzeit von etwa 18 Femtosekunden. Mit den neuen Lichtquellen konnte die Zweiphotonenanregung verschiedener fluoreszierender Moleküle unter verschiedenen Bedingungen untersucht werden. QUANTUM4BIO forschte auch an einer anderen SPDC-Quelle, um die Interaktion zwischen Einzelphotonen aus der Quelle und Biomolekülen zu ermitteln. Die effiziente Erzeugung und Detektion von Zeit-Energie-verschränktem SPDC-Licht bietet die Möglichkeit, die Fock-Zustände, d.h. Quantenzustände mit einer vorbestimmten Anzahl von Teilchen, zu definieren. Im Gegensatz zu den Quantenzuständen bei klassischem Laserlicht geben Fock-Zustände Aufschluss über den genauen Zeitpunkt und die Interaktionsmechanismen lichtempfindlicher Biomoleküle. Durch Kombination von Quantenoptik und Zwei-Photonen-Fluoreszenzmikroskopie ebnete QUANTUM4BIO den Weg für neuartige Bildgebungs- und Spektroskopiewerkzeuge auf Basis verschränkter Photonen. Mit den neuen Photonenquellen konnten ideale Moleküle identifiziert werden, die sich als Marker und fluoreszierende Proteine zur Analyse biologischer Proben eignen.
Schlüsselbegriffe
Quantenlicht, biomedizinische Bildgebung, verschränkte Photonen, Fluoreszenz-Bildgebung, Zweiphotonenanregung
