《Nature》創新「量子糾纏」拉曼顯微鏡 突破光學限制 清晰度高35%

2021/06/11
《Nature》創新「量子糾纏」拉曼顯微鏡 突破光學限制 清晰度高35%
近(9)日,澳洲昆士蘭大學(University of Queensland)的科學家,開發出一種利用量子原理,可提升顯微鏡35%清晰度的技術;在不用化學標記處理下,就能觀察到小至細胞內特定化學鍵的結

(9)日,澳洲昆士蘭大學(University of Queensland)的科學家,開發出一種利用量子原理,可提升顯微鏡35%清晰度的技術;在不用化學標記處理下,就能觀察到小至細胞內特定化學鍵的結構,大幅突破過去顯微技術的限制。研究論文登於頂尖《Nature》。

進行顯微成像時,物體發出的訊號與圖像背景值的隨機光線波動(light fluctuations)不易分辨,是一項常見問題。過去科學家透過「增加光源強度」來解決此問題,像是運用亮度極高的雷射光提供光源;不過強光的能量,可能導致生物樣本在觀察過程中受到影響。

因此,這組由昆士蘭大學物理教授Warwick Bowen領導的團隊,透過量子技術來減少圖像中的隨機光線波動,其原理涉及愛因斯坦所提出、近年熱門的物理研究領域「量子糾纏」(quantum entanglement )

該顯微鏡運用光子間相互關聯性(photon correlations)觀察微小物體,實驗證實,該技術可讓訊噪比(signal-to-noise ratio)高於傳統顯微鏡所造成的光損傷極限(photodamage limit)

研究人員表示,這項創新型的「相干拉曼顯微鏡」(coherent Raman microscope)技術,比起傳統顯微鏡,訊噪比可提高35%,相當於提高14%的靈敏度。可研究細胞內的分子「震動」,讓科學家觀察到細胞內特定的化學鍵,該技術也已被證實可區分癌細胞和健康細胞。

相干拉曼顯微鏡已是目前被廣泛應用的技術,觀察的樣本無需先標記或染色處理是主要特色;不過,運用強光提升訊噪比時可能造成樣本的光損傷,也成為相干拉曼顯微鏡最大的應用限制。如今,Bowen團隊的研究,則證實了如何跨越這項限制。

不過,未參與此研究的雪梨科技大學(University of Technology Sydney)教授(Dayong Jin)表示,如同2014獲諾貝爾化學獎的奈米顯微技術,最早在1990年代初就開發出來,但經過十多年才被世界各地的實驗室採用,這項量子顯微鏡的應用仍需要些時間。

參考資料:

1.論文原文:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03528-w

2.https://www.theguardian.com/science/2021/jun/10/quantum-leap-for-medical-research-as-microscope-zooms-in-on-tiny-structures

(編譯/巫芝岳)