Niskoszumowe czujniki nanodrutowe rejestrują niezwykle szczegółowe informacje kwantowe
Dzięki mikroskopii optycznej – wynalazkowi z 1673 roku – możemy badać zjawiska biologiczne na niespotykanym dotychczas poziomie. Zjawisko rozpraszania światła powoduje jednak, że wykorzystanie tej rozwijanej na przestrzeni stuleci technologii w biomedycynie nastręcza wielu trudności. Te ograniczenia stają się kluczowe, gdy naukowcy poszukują odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące biologii systemów, poświęcone między innymi strukturom i dynamice sieci neuronowych oraz ich wpływowi na funkcjonowanie mózgu. Znalezienie rozwiązania wymaga od badaczy analizy dynamiki procesów biologicznych w dużych skupiskach komórkowych z wysoką rozdzielczością czasową w szerokim zakresie spektralnym. „To ogromne wyzwanie – wymaga bowiem obrazowania neuronów w dużych obszarach mózgu i na głębokościach, do których nie jesteśmy w stanie dotrzeć przy pomocy istniejących technologii”, zauważa Sander Dorenbos, koordynator finansowanego przez UE projektu Brainiaqs i dyrektor generalny spółki Single Quantum. Jak zauważa Dorenbos, głębokość i rozdzielczość obrazowania w mikroskopii świetlnej są ograniczone ze względu na niskie osiągi czujników światła. „Wielopikselowe nanodruty nadprzewodnikowe mogą stanowić potencjalne rozwiązanie tego problemu, gdyż ich zastosowanie może pozwolić na podwojenie głębokości i rozdzielczości obrazowania”, wyjaśnia. Głównym celem projektu Brainiaqs było innowacyjne wykorzystanie technologii czujników kwantowych w naukach przyrodniczych – dziedzinie, która nieustannie poszukują nowych technik obrazowania umożliwiających precyzyjną i nieinwazyjną diagnostykę.
Obrazowanie dzięki matrycom czujników kwantowych
Pierwszym osiągnięciem zespołu projektu Brainiaqs było opracowanie wielopikselowej matrycy czujników kwantowych opartych na czujnikach pojedynczych fotonów wykonanych z nadprzewodzących nanodrutów. Czujniki te charakteryzują się doskonałymi osiągami w zakresie wykrywania, wyjątkowo precyzyjną rozdzielczością czasową oraz wyjątkowymi parametrami dotyczącymi martwego czasu. Co więcej, mogą zliczać pojedyncze fotony w zakresie długości fal od 1 500 do 2 500 nm. Badacze nadali opracowanej przez siebie innowacyjnej matrycy czujników kwantowych, połączonej z kriostatem optycznym i skalowalną elektroniką nazwę SQCam. Rozwiązanie SQCam szybko pokazało, na co je stać. „Udało nam się osiągnąć sprawność na poziomie przekraczającym 60 % i liczbę fałszywych wyników dodatnich na niskim poziomie 1 000/s. Dzięki wyjątkowo wysokiej szybkości i rozdzielczości czasowej wynoszącej mniej niż 50 pikosekund, nasze rozwiązanie przewyższa osiągami istniejące czujniki zarówno w zakresie widzialnym, jak i bliskiej podczerwieni”, zauważa Dorenbos. „W ramach prac udało nam się zbudować czujniki o powierzchni 24 pikseli, z aktywnym obszarem wynoszącym około 2 500 m2.” Urządzenia elektroniczne odczytujące sygnały i wzmacniające je stanowią ważny element wpływający na ogólną charakterystykę i osiągi rozwiązania, w tym fluktuacje w czasie, czas resetowania i maksymalna szybkość zliczania fotonów. Członkowie projektu zaprojektowali i wdrożyli pierwsze wzmacniacze o niskim poziomie szumów oparte na układach krzemowo-germanowych, które pozwalają na obsługę czujników nanodrutowych. Te kriogeniczne wzmacniacze znacząco poprawiają stosunek sygnału do szumu niezwykle słabego sygnału wyjściowego opracowanych czujników, minimalizując tym samym zakłócenia czasowe.
Zaawansowana mikroskopia wielofotonowa dzięki matrycom czujników
Naukowcy połączyli rozwiązanie SQCam z mikroskopem wielofotonowym, a następnie przeprowadzili doświadczenia związane z bioobrazowaniem in vitro i in vivo. Badania, które zostały zrealizowane we współpracy z Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL), pozwoliły zespołowi na dalsze udoskonalenie osiągów mikroskopu w celu uzyskania maksymalnej użyteczności rozwiązania. Nowy mikroskop wielofotonowy został zaprojektowany z myślą o pracy z chromoforami absorbującymi światło o długości fal z zakresu bliskiej podczerwieni, co pozwoliło na poszerzenie obszaru wykrywania do 1 mm2. Badacze wykorzystali następnie swoje rozwiązanie w celu nieinwazyjnego obrazowania funkcji biologicznych w mózgu myszy na głębokości milimetra, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z istniejącymi technologiami. Nowatorskie rozwiązania opracowane w ramach projektu Brainiaqs zapewnią badaczom wykorzystującym obrazowanie wielotofonowe znaczące korzyści. „Zakres zastosowań naszych czujników wykracza poza granic neuronauki. Jednym z naszych klientów jest Europejska Agencja Kosmiczna (ESA), która zamierza wykorzystać go na potrzeby komunikacji w przestrzeni kosmicznej”, dodaje Dorenbos.
Słowa kluczowe
Brainiaqs, obrazowanie, rozdzielczość, głębia, mózg, czujniki kwantowe, mikroskop wielofotonowy, nadprzewodzące nanodruty, czujniki pojedynczych fotonów
