Rivelatori a basso rumore basati su nanofili per acquisire informazioni quantistiche con un dettaglio senza precedenti
Dalla sua invenzione nel 1673, la microscopia ottica ha migliorato notevolmente la nostra comprensione della biologia. Tuttavia, le sue prestazioni e la sua utilità nel settore della biomedicina sono limitate in modo significativo dalla diffusione della luce. L’importanza di questa limitazione si rivela cruciale nel caso in cui si stiano affrontando questioni profonde nel campo della biologia dei sistemi. Ad esempio, in che modo le strutture e le dinamiche delle reti neurali influenzano il funzionamento del cervello? Per rispondere a questa domanda, i ricercatori devono rilevare le dinamiche biologiche di grandi popolazioni cellulari con un’alta risoluzione temporale in un’ampia gamma spettrale. «Non si tratta di un’impresa da poco, poiché comporta l’acquisizione di immagini dei neuroni in vaste aree cerebrali con una profondità irraggiungibile dalle tecnologie esistenti», osserva Sander Dorenbos, coordinatore del progetto progetto Brainiaqs, finanziato dall’UE, e amministratore delegato dell’impresa Single Quantum. Dorenbos sottolinea che la profondità e la risoluzione di imaging attualmente praticabili nella microscopia ottica sono limitate a causa delle basse specifiche che caratterizzano i rivelatori di luce. «I nanofili superconduttori multipixel costituiscono una potenziale soluzione in tal senso, promettendo di raddoppiare sia la profondità che la risoluzione delle immagini», afferma Dorenbos. Brainiaqs si è proposto di inserire la tecnologia di rilevamento quantistico nelle innovazioni delle scienze della vita, sempre alla ricerca di nuove tecniche di imaging biologico che consentano di realizzare una diagnostica precisa e non invasiva.
Imaging con serie di sensori quantistici
Il primo risultato di Brainiaqs è giunto con lo sviluppo di una serie multipixel di sensori quantistici basati su rivelatori monofotonici a nanofili superconduttori. Questi rivelatori, che offrono un’elevata efficienza di rilevamento, una risoluzione temporale ultrarapida e un basso tempo morto, possono individuare singoli fotoni nella gamma di lunghezza d’onda compresa tra 1 500 e 2 500 nm. L’innovativa serie di sensori quantistici è stata abbinata a un criostato ottico e alcuni componenti elettronici scalabili, formando una soluzione che ha preso il nome di SQCam. SQCam ha prodotto risultati notevoli. «Ha raggiunto un’efficienza di oltre il 60 % e un tasso di oscurità fino a 1000 cps. Grazie alla sua altissima risoluzione temporale, inferiore a 50 ps, la soluzione supera le prestazioni dei rivelatori tradizionali sia nello spettro visibile che in quello vicino all’infrarosso», osserva Dorenbos. «Siamo riusciti ad ampliare la risoluzione dei rivelatori a 24 pixel, con un’area attiva di circa 2 500 m2.» I componenti elettronici di lettura, destinati all’individuazione e all’amplificazione del segnale di rilevamento dei fotoni, sono fattori importanti che influiscono sulle caratteristiche complessive del rivelatore, come l’incertezza temporale (jitter), il tempo di ripristino e la velocità massima di conteggio. I membri del progetto hanno progettato e implementato i primi amplificatori a basso rumore basati su SiGe in grado di funzionare compatibilmente con i rivelatori monofotonici a nanofili superconduttori. Questi amplificatori criogenici migliorano significativamente il rapporto segnale/rumore dell’estremamente debole segnale di uscita di questi rilevatori, riducendo così al minimo il jitter.
Microscopia multifotonica avanzata a integrazione delle serie di sensori
I ricercatori hanno implementato la soluzione SQCam in un microscopio multifotonico per poi condurre alcuni esperimenti di bioimaging in vitro e in vivo. Questi esperimenti, effettuati in collaborazione con il Laboratorio europeo di biologia molecolare (EMBL), hanno permesso al team di perfezionare ulteriormente i parametri di prestazione del microscopio, in modo da ottenere il miglior risultato possibile in termini di praticità e impatto. Il sistema del microscopio multifotonico è stato progettato specificamente allo scopo di essere combinato con cromofori che assorbono la luce del vicino infrarosso, espandendo l’area di rilevamento a 1 mm2. In definitiva, i ricercatori hanno utilizzato questo sistema per visualizzare in modo non invasivo le funzioni biologiche nel cervello di un topo con una profondità millimetrica, il che ha rappresentato un miglioramento significativo rispetto alle possibilità offerte dalle tecnologie di imaging esistenti. Il progresso tecnologico dimostrato da Brainiaqs offrirà alla comunità dell’imaging multifotonico un vantaggio significativo. «Tuttavia, le applicazioni del rivelatore vanno oltre il settore delle neuroscienze: abbiamo già venduto il rivelatore finale all’Agenzia Spaziale Europea (ESA) per finalità di comunicazioni spaziali», conclude Dorenbos.
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