Detectores de nanocables de bajo ruido captan información cuántica con un nivel de detalle sin precedentes
Desde su invención en 1673, la microscopía óptica ha mejorado enormemente nuestra comprensión de la biología. Sin embargo, su rendimiento y utilidad en el campo de la biomedicina se ven significativamente condicionados por el fenómeno de dispersión de la luz. Esta limitación resulta crucial cuando se intenta abordar interrogantes profundos relacionados con la biología de sistemas. Por ejemplo, ¿cómo afectan las estructuras y la dinámica de las redes neuronales al funcionamiento del cerebro? Para responder a esta pregunta, los investigadores deben captar la dinámica biológica de grandes poblaciones celulares con una alta resolución temporal y un amplio rango espectral. «El asunto es peliagudo, ya que implica obtener imágenes de neuronas situadas en grandes áreas cerebrales y a profundidades que la tecnología actual no puede alcanzar», señala Sander Dorenbos, coordinador del proyecto Brainiaqs, financiado con fondos europeos, y director general del proyecto Single Quantum. Dorenbos señala que la profundidad y la resolución de imagen actuales en microscopía óptica se ven limitadas por las bajas especificaciones propias de los detectores lumínicos. «Los nanocables superconductores multipíxel son una posible solución a este problema, pues permiten duplicar el nivel de profundidad y resolución de las imágenes captadas», apunta Dorenbos. El propósito de Brainiaqs era utilizar la tecnología de detección cuántica para innovar en el campo de las ciencias de la vida, que buscan continuamente dotarse de nuevas técnicas para la obtención de imágenes biológicas que permitan efectuar diagnósticos precisos y no invasivos.
Obtención de imágenes con matrices de sensores cuánticos
El primer logro de Brainiaqs consistió en el desarrollo de una matriz multipíxel de sensores cuánticos basados en detectores de fotón único de nanocables superconductores (SNSPD, por sus siglas en inglés). Estos dispositivos ofrecen una detección muy eficaz, una resolución temporal ultrarrápida y una reducción de los periodos de inactividad; además, son capaces de contar fotones individuales en la gama de longitudes de onda comprendida entre 1500 y 2500 nm. La innovadora matriz de sensores cuánticos, junto con un criostato óptico y una electrónica ampliable, recibió el nombre de SQCam. La SQCam ha arrojado unos resultados notables. «Demostró una eficacia superior al 60 % y produjo conteos de oscuridad tan bajos como 1000 cps. Gracias a su resolución temporal ultralta, inferior a 50 ps, esta matriz supera a los detectores tradicionales tanto en el espectro visible como en el infrarrojo cercano», apunta Dorenbos. «Hemos conseguido ampliar los detectores hasta 24 píxeles, con un área activa de unos 2500 m2». La electrónica de lectura que detecta y amplifica la señal de detección de fotones es un componente importante que afecta a algunas características generales del detector, como la fluctuación de tiempo, el periodo de restablecimiento y la velocidad máxima de recuento. Los miembros del proyecto han diseñado e implantado los primeros amplificadores de bajo ruido basados en la aleación SiGe para su funcionamiento con SNSPD. Estos amplificadores criogénicos mejoran significativamente la relación señal-ruido de la señal de salida procedente de los SNSPD, extremadamente débil, minimizando así las fluctuaciones de temporización.
Microscopía multifotónica avanzada integrada en las matrices de sensores
Los investigadores utilizaron la matriz SQCam en un microscopio multifotónico y realizaron experimentos de obtención de imágenes biológicas in vitro e in vivo. Estos experimentos, desarrollados en colaboración con el Laboratorio Europeo de Biología Molecular (EMBL, por sus siglas en inglés), permitieron al equipo perfeccionar aún más los parámetros de funcionamiento del microscopio con el fin de alcanzar la máxima practicidad e impacto posibles. El mencionado sistema de microscopía multifotónica se ha diseñado, en concreto, para su uso con cromóforos capaces de absorber la luz infrarroja cercana, lo que permite ampliar el área de detección a 1 mm2. En última instancia, los investigadores utilizaron este sistema para obtener imágenes no invasivas de las funciones biológicas asociadas al cerebro de un ratón para una profundidad milimétrica, lo que supone una mejora significativa con respecto a la tecnología actual de obtención de imágenes. El avance tecnológico alcanzado por Brainiaqs brindará una ventaja significativa en el sector de la obtención de imágenes multifotónica. «Sin embargo, las aplicaciones de nuestro detector van mucho más allá de la neurociencia. De hecho, la Agencia Espacial Europea (ESA, por sus siglas en inglés) ya ha adquirido el detector completo para utilizarlo en el marco de las comunicaciones espaciales», concluye Dorenbos.
Palabras clave
Brainiaqs, obtención de imágenes, resolución, profundidad, cerebro, sensores cuánticos, microscopio multifotónico, detectores de fotón único de nanocables superconductores
