La luce quantistica per l’imaging biomedico
Uno degli strumenti più potenti dell’imaging biologico, il microscopio con eccitazione a due fotoni permette l’imaging funzionale e strutturale 3D dei campioni biologici. Questa tecnica di imaging si basa sul processo di assorbimento a due fotoni (Two-photon absorption, TPA), in cui fotoni non correlati interagiscono con le cellule viventi. A causa delle piccole forze che interagiscono, il TPA richiede però forti intensità di luce che possono danneggiare le cellule e i tessuti sensibili. Per ovviare a questo inconveniente, il progetto QUANTUM4BIO (Quantum optics tools for biomedical imaging), finanziato dall’UE, ha utilizzato i fotoni entangled generati dalla conversione parametrica spontanea (Spontaneous parametric down-conversion, SPDC) per studiare il TPA entangled. La correlazione energia-tempo delle coppie di fotoni entangled aumenta l’efficienza di assorbimento di molti ordini di grandezza. I ricercatori hanno progettato e configurato una fonte a banda larga di fotoni correlati basata su SPDC, con potenza ottica fino a 0,2 microwatt e tempo di coerenza di circa 18 femtosecondi. Utilizzando queste nuove fonti luminose, hanno investigato l’eccitazione a due fotoni di diverse molecole fluorescenti in varie condizioni. Il team QUANTUM4BIO ha inoltre lavorato per creare un’altra fonte basata su SPDC per studiare l’interazione con le biomolecole di singoli fotoni provenienti dalla fonte. La generazione e la rilevazione efficienti di luce SPDC con entanglement tempo-energia offre la possibilità di definire gli stati di Fock, stati quantistici con un numero di particelle ben definito. A differenza degli stati quantistici della luce laser classica, gli stati di Fock hanno permesso di chiarire i tempi esatti e i meccanismi di interazione delle biomolecole sensibili alla luce. Grazie alla combinazione di ottica quantistica e di microscopia con fluorescenza a due fotoni, il progetto QUANTUM4BIO ha aperto la via a nuovi strumenti di spettroscopia e all’imaging biologico basati su entanglement. Le fonti di fotoni entangled sviluppate hanno permesso di identificare le molecole ideali da utilizzare come marcatori e come proteine fluorescenti nei campioni biologici.
Parole chiave
Luce quantistica, imaging biomedico, entanglement di fotoni, imaging a fluorescenza, eccitazione a due fotoni
