用于生物医学成像的量子灯

通常，当我们拍摄一个物体时，我们依靠的是由相机传感器直接捕捉到的来自太阳的可见光。然而，在观察细胞和组织样本时，通常使用红外光更好。柏林洪堡大学的Inna Kviatkovsky和Sven Ramelow博士，以及他们在柏林Max Delbruck分子医学中心的合作者，正在开发新的量子成像中红外显微技术，以克服与这些波长的光相关的一些挑战。

当物体反射的光到达我们的眼睛并开始一系列复杂的化学过程时，我们就能看到物体。为了触发这些过程，我们眼睛中有两种主要类型的受体帮助我们看东西——视锥和视杆。杆状细胞对光线非常敏感，但不能处理任何有关颜色的信息，而锥体细胞对不同波长的光有不同的反应，这使我们能够看到颜色。

无论是看到对象的轮廓还是锻炼它的颜色模式，我们的视觉都完全依赖于物体反射的光中所含的信息。我们经常将光线视为由光子制成，小型的光能，我们可以转换为我们需要看到的化学信息。例如，某种颜色的对象将吸收某种能量的光子。我们看到了一个物体的颜色，因为在反射过程中，一些光子将像物体吸收一样“缺失”。我们看到的颜色只是反射的光子，使其成为我们的眼睛。

照相机的工作方式与人眼非常相似。每个相机都由一个传感器和一系列的镜子和透镜组成，这些镜子和透镜可以塑造和聚焦光线，所以光线以一种特定的方式到达传感器。这些光学元件有助于确保记录的图像在焦点上，甚至有助于在较暗的环境条件下拍照时最大限度地增加到达传感器的光量。

虽然显微镜看起来可能不像照相机，但它有许多相同的部件，甚至可能使用与标准照相机完全相同类型的传感器。然而，使用这些红外波长的传感器来检测组织样本通常有一些技术限制。柏林洪堡大学的Inna Kviatkovsky和Sven Ramelow博士，以及柏林Max Delbruck分子医学中心的合作者，并不是简单地设计更好的传感器，通过展示一种利用光的量子特性在中红外进行显微镜观察的新方法，完全避免了现有传感器技术的问题。

丰富多彩的照片往往是那些用中红外光线拍摄和检测的照片。

传感器限制
相机中使用的图像传感器主要有两种：电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器。它们都将入射光转换为电信号，但对产生的电荷的处理方式略有不同。这些传感器是由硅制成的，当它们吸收光时，会释放出移动产生电流的电子。该电流可提供电信号，该电信号可转换为包含传感器“看到”的图像的所有信息的数字信号。

不同的材料在不同波长的光下工作得最好，硅被证明是一种非常受欢迎的材料，因为它在大量入射波长或光子能量下工作得相当好。虽然用人眼看不见的光波拍摄照片似乎很奇怪，但对于生物系统来说，信息最丰富的照片往往是用中红外光拍摄和检测的照片。在这里，生物分子在吸收过程中有许多独特的特征，这些特征作为其独特识别的“指纹”。

问题是，难以找到利用大量中红外光照亮样品的好方法。许多中红外传感器变得非常嘈杂，并且在这范围的波长范围内表现不佳。这就是为什么Kviatkovsky和ramelow博士试图找到一种使用光子使用标准中红外源和传感器以完全不同的方式使用光子的方式。

光量子
该团队的新方法涉及将可见光从激光闪耀到晶体中。具有特定非线性性质的某些晶体材料可用于将光子分成较低能量的两个光子中。

为了建造他们的量子成像显微镜，克维亚特科夫斯基和拉梅洛博士首先将标准激光聚焦到非线性晶体中，以产生光子对。光子穿过晶体两次。在每一次行程中，都有可能在第一次或第二次行程中产生光子对。这些光子对彼此无法区分；因此，无法判断这些对是在第一次还是第二次穿过晶体时产生的。

通过对晶体进行工程设计，可以产生不同波长的光子，比如中红外光子和较短波长的可见光光子。一旦光子对从晶体中产生，研究小组让中红外光子通过感兴趣的样品，但不包括可见光。然后它们通过晶体返回，可见光子被发送到CMOS探测器。

该过程创造的是在可能发生的两个不同可能的过程之间的非直观的量子干扰集：光子对在第一次通过晶体上产生光子对的概率，但也是未产生该对的可能性在第一次通过，而是在第二次通过晶体。如果中红外光子与样品相互作用后以任何方式变化，则会导致干扰效应，这也影响可见光膜。虽然可见光膜从未看过该物体，但是对物体组合物的信息从未检测到的红外光子转移到其上。

该设置是一种检测唯一指纹信息的方法，该信息只能在红外区域检索，而无需检测红外光子。CCD和CMOS传感器，特别是在弱光条件下，在探测可见光子方面更为有效，因此，克维亚特科夫斯基和拉梅洛找到了一种利用量子光的能量改进中红外显微镜工作方式的方法。

可见光子永远不会看到物体，关于物体组成的信息是从未被探测到的红外光子传递给它的。

看清
虽然它看起来比直接测量样品的中红外光的吸收更复杂，但Kviatkovsky和Ramelow提出的成像方案的关键优势之一是它不依赖于昂贵的宽带中红外光源和可以使用易于可用的可见光探测器，其具有比其中红外对应物更好的信噪比。

该团队已经能够利用他们的新装置成功地从老鼠心脏中采集组织样本的图像。被测样品也未染色，不需要添加任何标签或生物标记物——这是显微镜中的一种常见做法，用于尝试增强可从样品中检测到的信号强度。

这种新方法的另一个优点是，它在可用于它的光的颜色上也具有高度的灵活性——打开了在对样品进行成像时具有“彩色视觉”的可能性。这极大地提高了可以从样品的形状和光谱特征上恢复的信息量，使成像技术更加强大。