Światło kwantowe w służbie obrazowania biomedycznego
Jako jedno z najpotężniejszych narzędzi obrazowania w biologii, mikroskopia dwufotonowa umożliwia przestrzenne (3D) i funkcjonalne obrazowanie próbek pochodzenia biologicznego. Ta technika obrazowania wykorzystuje proces absorpcji dwufotonowej (TPA), w którym nieskorelowane fotony oddziałują z żywymi komórkami. Ze względu na niską siłę oddziaływania TPA wymaga światła o dużej intensywności, które może uszkadzać wrażliwe komórki i tkanki. Aby obejść tę przeszkodę i dokładniej poznać TPA splątanych fotonów, w ramach finansowanego z budżetu UE projektu QUANTUM4BIO (Quantum optics tools for biomedical imaging) wykorzystano splątane fotony wytworzone dzięki fluorescencji parametrycznej (SPDC). Korelacja między czasem i energią par fotonów splątanych nasila wydajność absorpcji o wiele rzędów wielkości. Bazując na procesie SPDC, badacze zaprojektowali i wyregulowali szerokopasmowe źródło skorelowanych fotonów, o mocy optycznej dochodzącej do 0,2 mikrowata i czasie koherencji wynoszącym około 18 femtosekund. Wykorzystując te innowacyjne źródła światła, naukowcy zbadali w różnych warunkach stan wzbudzenia dwufotonowego różnych fluorescencyjnych cząsteczek. W ramach projektu QUANTUM4BIO prowadzono również prace nad zbudowaniem innego źródła opartego na procesie SPDC, aby zbadać interakcje pojedynczych fotonów pochodzących z tego źródła z biocząsteczkami. Skuteczna generacja i wykrywanie zależności czasu od energii dla światła splątanego SPDC daje możliwość zdefiniowania stanów Focka — stanów kwantowych z dobrze określoną liczbą cząstek. W odróżnieniu od stanów kwantowych klasycznego światła laserowego, stany Focka rzucają światło na dokładny czas i mechanizm interakcji biocząsteczek wrażliwych na światło. Dzięki połączeniu optyki kwantowej i mikroskopii dwufotonowej projekt QUANTUM4BIO przetarł szlaki dla nowych, opartych na zjawisku splątania narzędziach obrazowania biologicznego i spektroskopii. Opracowane w ramach projektu źródła splątanych fotonów umożliwiły identyfikację cząsteczek idealnych, które mogą być stosowane w charakterze znaczników i białek fluorescencyjnych w próbkach biologicznych.
Słowa kluczowe
Światło kwantowe, obrazowanie biomedyczne, splątane fotony, obrazowanie fluorescencyjne, wzbudzenie dwufotonowe