在生物组织深处成像一直是一项重大挑战。这是因为光往往被复杂的介质如生物组织散射，在内部反弹，直到它以各种不同的角度再次出现。这扭曲了光学显微镜的焦点，降低了它们的分辨率和成像深度。使用较长波长的光可以帮助避免这种散射，但它也会降低成像分辨率。
现在，麻省理工学院的研究人员不再试图避免散射，而是开发了一种技术来利用这种效应。他们在“ 科学 ”杂志上发表的一篇论文中描述了这项新技术，它 允许他们使用光散射将成像分辨率提高10倍于现有系统。
实际上，虽然传统的显微镜受到所谓的衍射屏障的限制，这会阻止它们聚焦超过给定的分辨率，但新技术允许以“光学超分辨率”或超出此衍射极限进行成像。
该技术可用于改善生物医学成像，例如，通过允许更精确地靶向组织内的癌细胞。它还可以与光遗传学技术相结合，以激发特定的脑细胞。根据麻省理工学院机械工程研究生和该论文的第一作者Donggyu Kim的说法，它甚至可以用于量子计算。
2007年，研究人员首先提出，通过在将光波发送到组织之前对其进行整形，可以逆转散射过程，将光线聚焦在一个点上。然而，长期以来，由于难以获得关于光如何在诸如生物组织的复杂介质中散射的充分信息，利用这种效应一直受到阻碍。
为了获得这些信息，研究人员开发了许多技术来创建“引导星”，或从组织内的点反馈信号，使光能够正确聚焦。但Kim表示，到目前为止，这些方法的成像分辨率远高于衍射极限。
为了提高分辨率，Kim和共同作者，麻省理工学院电气工程与计算机科学系和电子研究实验室的副教授Dirk Englund开发了一种他们称之为量子参考信标(QRBs)的东西。
这些QRB是使用钻石内的氮空位(NV)中心制造的。钻石晶格中的这些微小分子缺陷是天然荧光的，这意味着它们在被激光束激发时会发光。
更重要的是，当磁场施加到QRB时，它们各自以它们自己的特定频率共振。通过使用与特定QRB具有相同共振频率的微波信号来靶向组织样本，研究人员可以选择性地改变其荧光。
“想象一下导航员试图让他们的船只在晚上到达目的地，”金说。“如果他们看到三个信标，所有信标都发光，他们就会感到困惑。但是，如果其中一个信标故意闪烁以产生信号，他们就会知道目的地在哪里，“他说。
以这种方式，NV中心充当信标，每个信标发射荧光。通过调制特定信标的荧光来创建开/关信号，研究人员可以确定信标在组织内的位置。
“我们可以读出这光来自哪里，从中我们也可以了解光线如何在复杂的媒体内散射，”金说。
然后，研究人员将来自每个QRB的信息组合起来，以创建组织内散射模式的精确轮廓。
通过使用空间光调制器(用于通过操纵光产生全息图的装置)显示该图案，可以预先成形激光束以补偿将在组织内发生的散射。然后激光能够以超分辨率聚焦在组织内的一点上。
在生物学应用中，研究人员设想纳米金刚石的悬浮液可以注入组织，就像在一些现有的成像系统中已经使用了造影剂一样。或者，附着在金刚石纳米颗粒上的分子标签可以将它们引导到特定类型的细胞。
Kim说，QRB也可以用作量子传感和量子信息处理的量子比特。“QRB可用作量子比特来存储量子信息，我们可以利用它来进行量子计算，”他说。
韩国大学物理学教授Wonshik Choi表示，复杂的散射介质中的超分辨率成像受到导向恒星缺乏的影响，这些指导明星以子衍射精度报告它们的位置，他没有参与这项研究。
“研究人员开发了一种优雅的方法，利用纳米金刚石中的氮空位中心制作的量子参考信标作为导星，”他说。“这项工作为亚波长纳米器件中的深层组织超分辨率成像和量子信息处理开辟了新的场所。”
