Τεχνολογικό ορόσημο: Κβαντικό μικροσκόπιο απεικονίζει ζωντανά κύτταρα χωρίς να τα καταστρέφει!

Σύνοψη

• Ανάπτυξη οπτικού μικροσκοπίου κβαντικής ενίσχυσης από το Πανεπιστήμιο της Βιέννης.
• Χρήση πεπλεγμένων φωτονίων και συμπιεσμένου φωτός για την υπέρβαση των κλασικών ορίων ανάλυσης.
• Παρατήρηση ευαίσθητων βιολογικών δειγμάτων χωρίς την προκλούμενη φωτοτοξικότητα των ισχυρών λέιζερ.
• Άμεσες προοπτικές αξιοποίησης στη φαρμακολογία, την κυτταρική βιολογία και τη διαγνωστική μικροηλεκτρονική.

Η εξέλιξη της οπτικής μικροσκοπίας υπήρξε ιστορικά συνδεδεμένη με έναν θεμελιώδη συμβιβασμό ανάμεσα στην ανάλυση της εικόνας και την ακεραιότητα του παρατηρούμενου δείγματος. Όσο αυξάνεται η ένταση του φωτός προκειμένου να καταστεί δυνατή η παρατήρηση μικρότερων δομών, τόσο αυξάνεται η θερμική ενέργεια που μεταφέρεται στο στόχο. Στην περίπτωση των ζωντανών βιολογικών οργανισμών, η έκθεση σε υψηλές εντάσεις ακτινοβολίας προκαλεί κυτταρική αλλοίωση ή ολοκληρωτική καταστροφή. Η ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου της Βιέννης παρουσίασε μια πρωτοποριακή διάταξη κβαντικού μικροσκοπίου, η οποία παρακάμπτει αυτό το φυσικό εμπόδιο αξιοποιώντας τις εγγενείς ιδιότητες της κβαντικής φυσικής.

Η νέα τεχνολογία βασίζεται στη χρήση πεπλεγμένων φωτονίων και ειδικά διαμορφωμένων καταστάσεων συμπιεσμένου φωτός. Στα συμβατικά μικροσκόπια, η ακρίβεια της μέτρησης περιορίζεται από το όριο θορύβου βολής, το οποίο οφείλεται στη τυχαία κατανομή των φωτονίων κατά την εκπομπή τους. Αυτό σημαίνει ότι για να ληφθεί μια καθαρή εικόνα με υψηλό λόγο σήματος προς θόρυβο, απαιτείται η αποστολή δισεκατομμυρίων φωτονίων ανά δευτερόλεπτο πάνω στο δείγμα. Η κβαντική διάταξη της Βιέννης καταφέρνει να συντονίσει τα φωτόνια με τέτοιο τρόπο ώστε οι διακυμάνσεις του θορύβου να μειώνονται κάτω από το λεγόμενο Standard Quantum Limit, επιτρέποντας την εξαγωγή εξαιρετικά λεπτομερών πληροφοριών με ένα μόνο κλάσμα της φωτεινής ενέργειας που θα απαιτούνταν υπό κανονικές συνθήκες.

Η διαδικασία αυτή καθιστά εφικτή τη μελέτη ζωντανών κυττάρων και δυναμικών βιολογικών διεργασιών σε πραγματικό χρόνο, χωρίς να διαταράσσεται η φυσιολογική τους λειτουργία. Η παρατήρηση της εσωτερικής δομής των πρωτεϊνών, της μεταφοράς μορίων διαμέσου των κυτταρικών μεμβρανών και των πρώιμων σταδίων ιογενών λοιμώξεων πραγματοποιείται πλέον με επίπεδα λεπτομέρειας που προηγουμένως ήταν προσβάσιμα μόνο μέσω ηλεκτρονικών μικροσκοπίων. Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια απαιτούν την τοποθέτηση των δειγμάτων σε συνθήκες υψηλού κενού αέρος και τη χημική τους επεξεργασία, διαδικασία που θανατώνει ακαριαία κάθε ζωντανό οργανισμό, στερώντας από τους επιστήμονες τη δυνατότητα παρακολούθησης της ζωντανής κυτταρικής δραστηριότητας.

Πέρα από τις εφαρμογές στη βιοϊατρική και τη φαρμακευτική έρευνα, η συγκεκριμένη κβαντική διάταξη προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα στον τομέα της επιστήμης των υλικών και της μικροηλεκτρονικής. Η κατασκευή ημιαγωγών σε κλίμακες λίγων νανομέτρων απαιτεί εργαλεία επιθεώρησης που μπορούν να εντοπίζουν ατέλειες στη δομή του πυριτίου ή των νέων δισδιάστατων υλικών, όπως το γραφένιο. Τα κλασικά οπτικά συστήματα αδυνατούν να προσφέρουν την απαιτούμενη διακριτική ικανότητα, ενώ οι δέσμες σωματιδίων ενδέχεται να προκαλέσουν δομικές βλάβες στα ευαίσθητα υποστρώματα. Το κβαντικό μικροσκόπιο παρέχει τη δυνατότητα μη καταστροφικού ελέγχου ποιότητας, ανοίγοντας το δρόμο για πιο αξιόπιστες διαδικασίες παραγωγής στην βιομηχανία των επεξεργαστών.

Η υλοποίηση του εγχειρήματος εντάσσεται στο ευρύτερο πλαίσιο των ευρωπαϊκών επενδύσεων στις κβαντικές τεχνολογίες, όπου η Ευρωπαϊκή Ένωση επιδιώκει να διατηρήσει ηγετική θέση έναντι του παγκόσμιου ανταγωνισμού. Τα αποτελέσματα της ερευνητικής ομάδας της Βιέννης επιβεβαιώνουν ότι οι κβαντικές ιδιότητες ξεφεύγουν πλέον από τη σφαίρα των θεωρητικών υπολογισμών ή των πρωτοτύπων κβαντικών υπολογιστών και μεταφράζονται σε πρακτικά εργαλεία μέτρησης με άμεση βιομηχανική και επιστημονική αξία. Η ενσωμάτωση αλγορίθμων τεχνητής νοημοσύνης για την ταχύτατη επεξεργασία των κβαντικών σημάτων συμβάλλει ακόμη περισσότερο στη μείωση του χρόνου που απαιτείται για τη σύνθεση της τελικής εικόνας.