Rauscharme Nanodrahtdetektoren erfassen Quanteninformationen so detailliert wie nie zuvor
Seit ihrer Erfindung im Jahr 1673 hat die optische Mikroskopie unser Biologieverständnis erheblich vergrößert. Ihre Leistung und ihr Nutzen in der Biomedizin werden jedoch durch die Lichtstreuung erheblich eingeschränkt. Diese Einschränkung ist bedeutsam, wenn es darum geht, tiefgreifende Fragen der Systembiologie zu beantworten. Wie wirken sich zum Beispiel die Strukturen und die Dynamik neuronaler Netze auf die Gehirnfunktion aus? Zur Beantwortung dieser Frage müssen Forschende die biologische Dynamik großer Zellpopulationen mit hoher Zeitauflösung über einen breiten Spektralbereich erfassen. „Das ist kein leichtes Unterfangen, denn es geht darum, Neuronen in großen Hirnregionen und in Tiefen abzubilden, die mit den derzeitigen Technologien nicht erreicht werden können“, erklärt Sander Dorenbos, Koordinator des EU-finanzierten Projekts Brainiaqs und Geschäftsführer von Single Quantum. Dorenbos weist darauf hin, dass die derzeitige Tiefen- und Bildauflösung in der Lichtmikroskopie wegen der geringen Spezifikationen der Lichtdetektoren begrenzt ist. „Supraleitende Mehrfachpixel-Nanodrähte bieten eine potenzielle Lösung und versprechen eine Verdoppelung sowohl der Abbildungstiefe als auch der Auflösung“, so Dorenbos. Ziel von Brainiaqs war es, die Quantensensortechnologie in die Innovationen der Biowissenschaften einzubringen. In diesem Bereich wird ständig nach neuen biologischen Bildgebungsverfahren gesucht, die zu einer präzisen und nicht-invasiven Diagnose verhelfen.
Bildgebung mit Quantensensoranordnungen
Die erste Errungenschaft im Rahmen von Brainiaqs bestand in der Entwicklung eines Mehrfachpixel-Arrays von Quantensensoren auf der Grundlage von supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektoren. Diese Detektoren bieten eine hohe Erkennungseffizienz, ultraschnelle Zeitauflösung und geringe Totzeit und können einzelne Photonen im Wellenlängenbereich von 1 500-2 500 nm zählen. Die innovative Quantensensoranordnung, die mit einem optischen Kryostaten und skalierbarer Elektronik gekoppelt ist, wurde SQCam genannt. SQCam weist bemerkenswerte Ergebnisse auf. „Es wurde eine Effizienz von über 60 % und eine Dunkelzählrate von nur 1 000 cps erreicht. Mit einer ultrahohen Zeitauflösung von weniger als 50 ps übertrifft sie herkömmliche Detektoren sowohl im sichtbaren Bereich als auch im Nahinfrarotspektrum“, bemerkt Dorenbos. „Wir haben die Detektoren erfolgreich auf 24 Pixel mit einer aktiven Fläche von etwa 2 500 m2 hochskaliert.“ Die Ausleseelektronik, die das Photonendetektionssignal abtastet und verstärkt, ist eine wichtige Komponente, die sich auf die Gesamteigenschaften des Detektors auswirkt, wie z. B. Jitter, Rückstellzeit und maximale Zählrate. Die Projektmitglieder haben die ersten rauscharmen Verstärker auf SiGe-Basis für den Betrieb mit supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonendetektoren entworfen und implementiert. Diese kryogenen Verstärker verbessern das Signal-Rausch-Verhältnis des extrem schwachen Ausgangssignals erheblich und minimieren so den Jitter.
Fortgeschrittene Mehrphotonenmikroskopie integriert Sensoranordnungen
Die Forschenden bauten die SQCam in ein Mehrphotonenmikroskop ein und führten in vitro und in vivo Experimente zur Biobildgebung durch. Durch diese Experimente, die in Zusammenarbeit mit dem Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) durchgeführt wurden, konnte das Team die Leistungsparameter des Mikroskops weiter verfeinern, um ein Maximum an Praktikabilität und Wirkung zu erzielen. Das Mehrphotonenmikroskopsystem wurde speziell für die Arbeit mit Chromophoren entwickelt, die das Licht im nahen Infrarot absorbieren, und erweitert den Erfassungsbereich auf 1 mm2. Schließlich nutzten die Forschenden dieses System, um biologische Funktionen in einem Mäusegehirn nichtinvasiv in Millimetertiefe abzubilden, was eine erhebliche Verbesserung gegenüber den bisherigen Bildgebungsverfahren darstellt. Der von Brainiaqs demonstrierte technologische Fortschritt wird der Gemeinschaft der Mehrphotonenbildgebung einen bedeutenden Vorsprung verschaffen. „Die Anwendungen des Detektors gehen jedoch über die Neurowissenschaften hinaus. Wir haben bereits den kompletten Detektor für Weltraumkommunikationszwecke an die Europäische Weltraumorganisation (ESA) verkauft“, schließt Dorenbos.
Schlüsselbegriffe
Brainiaqs, Bildgebung, Auflösung, Tiefe, Gehirn, Quantensensoren, Mehrphotonenmikroskop, supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren
