[论文解读] Quantum correlations overcome the photodamage limits of light microscopy

Catxere A. Casacio, Lars S. Madsen+6 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Spectroscopy Techniques in Biomedical and Chemical Research参考文献 45被引用 7

一句话总结

该论文展示了一种量子增强的相干拉曼显微镜，通过使用振幅压缩光，突破了活细胞成像中的光毒性限制，实现了超越传统显微镜散粒噪声极限的信噪比。该技术实现了亚波长分辨率和量子增强对比度，能够分辨纳米尺度的生物结构（如细胞膜），这些结构在常规方法中因散粒噪声而被掩盖，即使在安全、无损伤的光强下亦可实现。

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.

研究动机与目标

• 克服活细胞光学生物显微镜中限制灵敏度、分辨率和成像速度的根本性光毒性障碍。
• 证明光的量子关联可打破相干拉曼显微镜中信噪比与生物损伤之间的权衡。
• 在不引起光诱导损伤的情况下，实现未标记生物样本的量子增强对比度与亚波长分辨率。
• 验证在生物相关光强下，量子照明相对于经典照明具有绝对优势。
• 实现对以往因散粒噪声而无法分辨的细胞结构（如细胞膜）的纳米级成像。

提出的方法

• 利用周期性极化 KTiOPO4 晶体通过光学参量振荡和电光调制产生振幅压缩的斯托克斯光。
• 采用相干斯托克斯反斯托克斯光谱（SRS）显微镜，利用具有量子关联的照明探测活细胞中的分子振动。
• 在低于光毒性阈值的光强下应用量子增强照明，此时经典方法受制于散粒噪声。
• 通过将样品在聚焦光束下进行光栅扫描，生成对比度增强的二维拉曼图像。
• 同时使用CCD和LED进行明场成像，以在量子增强成像过程中提供结构参考。
• 通过将量子增强图像与人为增加噪声后生成的散粒噪声限制图像进行比较，量化性能，从而隔离出量子优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 光的量子关联是否能够克服相干拉曼显微镜中的光毒性限制，实现在无生物损伤情况下的更高信噪比？
• RQ2 与经典散粒噪声限制照明相比，量子增强照明在活细胞成像中的分辨率和对比度提升程度如何？
• RQ3 量子关联是否能够使原本被散粒噪声掩盖的纳米尺度生物特征（如细胞膜）得以可视化？
• RQ4 在生物相关成像条件下，信噪比的量子优势是否可测量且稳定？
• RQ5 使用量子关联光是否能够在经典方法已造成明显细胞损伤的光强下实现成像？

主要发现

• 量子增强显微镜实现的细胞膜可分辨长度比散粒噪声限制成像高出40%，分别对应总膜长的23%与16%。
• 在信噪比较低的区域，仅量子增强图像能分辨膜结构，其信噪比高于1，而散粒噪声限制图像则低于该阈值。
• 光诱导损伤后，拉曼信号最大提升了40 dB，表明损伤可直接观测，并构成经典成像的硬性强度限制。
• 在量子增强图像拍摄后30分钟拍摄的实验性散粒噪声限制图像显示出分辨率退化，归因于样品漂移，而非量子优势的丧失。
• 量子关联使半圆形膜结构特征的可视化显著优于经典成像，即使在低信噪比条件下亦然。
• 该研究通过在经典方法已受光毒性限制的光强下运行，证明了量子关联可超越经典性能极限，实现了绝对的量子优势。