[논문 리뷰] Quantum correlations overcome the photodamage limits of light microscopy

Catxere A. Casacio, Lars S. Madsen외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 01.

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research참고 문헌 45인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고전적 현미경의 쇼트노이즈 한계를 초월하는 잡음 대비 신호 비율을 달성하기 위해 진폭 스que즈드 빛을 사용하여 생세포 영상에서 광손상 한계를 극복한 양자 향상된 코herent 라만 현미경을 보여준다. 이 기술은 나노스케일 생물학적 구조물—예를 들어 세포막대와 같은—을 해석할 수 있는 초해상도 및 양자 향상된 대trast를 가능하게 하여, 일반적으로 쇼트노이즈에 의해 가려지는 구조를 안전한, 손상이 없는 빛 강도에서도 해소한다.

ABSTRACT

State-of-the-art microscopes use intense lasers that can severely disturb biological processes, function and viability. This introduces hard limits on performance that only quantum photon correlations can overcome. Here we demonstrate this absolute quantum advantage, achieving signal-to-noise beyond the photodamage-free capacity of conventional microscopy. We achieve this in a coherent Raman microscope, which we use to image molecular bonds within a cell with both quantum-enhanced contrast and sub-wavelength resolution. This allows the observation of nanoscale biological structures that would otherwise not be resolved. Coherent Raman microscopes allow highly selective biomolecular finger-printing in unlabelled specimens, but photodamage is a major roadblock for many applications. By showing that this roadblock can be overcome, our work provides a path towards order-of-magnitude improvements in both sensitivity and imaging speed.

연구 동기 및 목표

• 생세포 광현미경에서 감도, 해상도 및 영상 속도를 제한하는 기본적인 광손상 장벽을 극복하기 위해.
• 빛의 양자 상관관계가 코herent 라만 현미경에서 신호 대비 노이즈와 생물학적 손상 사이의 상충관계를 깨뜨릴 수 있음을 입증하기 위해.
• 표지 없는 생물학적 시료에서 손상 유도 없이 양자 향상된 대비 및 초해상도를 달성하기 위해.
• 생물학적으로 관련된 빛 강도에서 양자 인식이 고전적 인식보다 절대적인 이점을 제공하는지 검증하기 위해.
• 이전에는 쇼트노이즈로 인해 해상되지 못했던 세포 구조물—예를 들어 세포막대와 같은—의 나노스케일 영상 가능성을 제공하기 위해.

제안 방법

• 주기적으로 도핑된 KTiOPO4 결정에서 광학적 비선형 주기성 진동과 전기광학 조절을 통해 생성된 진폭 스케즈드 스트로크스 빛을 사용하였다.
• 생세포 내 분자의 진동을 탐지하기 위해 양자상관 빛을 사용하는 코herent 라만 산란(SRS) 현미경을 적용하였다.
• 고전적 방법이 쇼트노이즈로 제한되는 광손상 임계값 이하의 강도에서 양자 향상된 조명을 적용하였다.
• 표본을 집중된 빛 빔을 통해 래스터 스캔하여 대비가 향상된 2차원 라만 영상을 생성하였다.
• 동시에 CCD와 LED를 통한 밝은 영역 영상 촬영을 통해 양자 향상된 영상 중 구조적 기준을 확보하였다.
• 실제로 노이즈를 증가시켜 쇼트노이즈 한계 영상과 비교함으로써 성능을 정량화하였으며, 양자적 이점을 고립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빛의 양자 상관관계가 코herent 라만 현미경에서 광손상 한계를 극복하여 생물학적 손상 없이 더 높은 신호 대비 노이즈를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 고전적 쇼트노이즈 한계 영상에 비해 양자 향상된 조명이 생세포 영상에서 해상도와 대비를 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 양자 상관관계가 기존에 쇼트노이즈에 묻혀 있던 나노스케일 생물학적 특징—예를 들어 세포막대와 같은—을 시각화할 수 있는가?
• RQ4 생물학적으로 관련된 영상 조건 하에서 양자적 이점이 측정 가능하고 안정적인가?
• RQ5 양자 상관 빛의 사용이 고전적 방법이 이미 명백한 세포 손상을 유발하는 강도에서의 영상 가능성을 제공하는가?

주요 결과

• 양자 향상된 현미경은 쇼트노이즈 한계 영상 대비 세포막대의 해상 가능한 길이를 40% 더 늘렸으며, 이는 총 막 길이의 23% 대비 16%에 해당한다.
• 낮은 신호 대비 노이즈 영역에서는 유일하게 양자 향상된 영상만 막대를 해상하였으며, 이는 신호 대비 노이즈 비율이 1을 초과한 반면, 쇼트노이즈 한계 영상은 이 임계값 이하로 떨어졌다.
• 빛 유도 손상으로 인해 라만 신호가 최대 40 dB 증가했으며, 이는 손상이 직접 관측 가능하고 고전적 영상에서 강도의 경계로 작용한다는 것을 시사한다.
• 양자 향상된 영상 이후 30분 후에 촬영한 실험적 쇼트노이즈 한계 영상은 해상도 저하를 보였으며, 이는 샘플 이동으로 인한 것으로 추정되었고, 양자 이점의 손실로 인한 것은 아니었다.
• 양자 상관관계는 낮은 신호 대비 노이즈 조건에서도 고전적 영상보다 훨씬 더 잘 해상된 반원형 막 구조를 가능하게 하였다.
• 고전적 방법이 이미 광손상으로 제한되는 강도에서 작동함으로써 절대적인 양자 이점을 입증하였으며, 생물학적으로 관련된 조건에서 양자 상관관계가 고전적 성능 한계를 초월할 수 있음을 보여주었다.