弗吉尼亚理工大学的研究人员利用量子光子学增强生物成像和传感

想象一下，您刚刚吞下一颗含有微型摄像头的药丸，它将帮助您的医生收集图像来诊断您多年来一直在挣扎的疾病。不，这不是最新的科幻小说或漫威漫画电影中的东西——它是一种称为生物成像的技术。

虽然 MRI、CT 扫描或 X 射线等传统生物成像方法更为人所熟知，但纳米设备的使用正变得越来越流行。它们侵入性较小，可以让医疗保健专业人员更仔细地观察组织深处。

弗吉尼亚理工大学 工程学院 和 理学院 的研究人员正在利用他们在量子光子学和纳米技术方面的专业知识，以及 空军科学研究办公室 和 国家科学基金会的资助 ，开发一种突破性的纳米器件，可以将低能光转化为高能光。 - 宽光谱的能量光。通过在纳米尺度上增强光与物质之间的相互作用，这些设备增加了多功能性，并且与医疗行业目前使用的设备相比，对设备表面发生的身体事件更加敏感。

小而强大

该研究团队包括 布拉德利电气与计算机工程系的 Wei Zhou 教授和物理系的 Giti Khodaparast 教授 ，他们发现了量子力学的基本原理，这些原理启发了 一种新颖的设计 来优化这些光学纳米传感器的性能。

“我们研究中真正令人兴奋的部分是这些设备在生物成像和生物传感方面取得重大进展的潜力，”周说。“它们使研究人员能够使用不同波长的发射光同时收集纳米和生物系统交叉点的各种信息。”

研究人员将能够看到生物系统和纳米设备之间的界面发生了什么，例如大脑活动的电压变化或生物分子浓度的变化。通过从低能光转移高能光，这些纳米传感器可以捕获更清晰的图像，以帮助提高我们对各种疾病和状况的理解和诊断。

救生技术

除了周和科达帕拉斯特之外，来自电气和计算机工程系以及物理系的研究生在这项前沿研究中发挥了关键作用，并将这些知识转移到了他们当前的工作中。

Seied Ali Safiabadi Tali 获得博士学位。2020 年获得电气工程博士学位，此后一直在Quantum-Si担任光子工程师 。

“想到我们正在做的工作能够让人们的生活变得更好，真是令人惊奇，”萨菲亚巴迪·塔利 (Safiabadi Tali) 说。“这项新技术可能会使生物成像更加清晰，让医生能够更早地发现疾病。早期发现意味着早期治疗，这对于许多绝症来说至关重要。”

作为 Quantum-Si 的光子工程师，Safiabadi Tali 与多学科科学家团队合作开发单分子蛋白质测序平台，该平台可以改变科学界对人类蛋白质组的理解，解锁对人体前所未有的 见解。Safiabadi Tali 在弗吉尼亚理工大学的量子光学、光子学和生物传感方面的研究 为他在 Quantum-Si 的多学科工作空间中继续创新做好了准备。

物理系校友 Rathsara Herath 也参与了该项目，目前在英特尔担任技术开发模块和集成良率工程师，她一直在利用自己在先进材料表征方面获得的专业知识。

“在生物成像方面，我从这个项目中学到了很多东西，”赫拉斯说。“我们实验室设备的设置需要非常精确才能获得准确的数据。我们还必须确保我们使用的高功率激光系统不会损坏材料，这需要花费大量时间和耐心才能做到正确。”

超越医疗保健

尽管这种新颖的光子器件是纳米级的，但其未来应用的潜力是巨大的。

“我们的突破的影响远远超出了医疗保健领域，”周说。“这些弹性纳米设备由高度稳定的材料制成，旨在延长使用寿命，并且几乎不会损坏。通过将我们先进的纳米光子传感器整合到现有的半导体和光子系统中，我们可以大大提高生物医学设备等的性能。 ”

未来的应用包括实时监测水环境、诊断石油和天然气管道的泄漏以及检测爆炸物或化学武器。