Imagine que acaba de tragar una pastilla que contiene una cámara en miniatura que ayudaría a su médico a recopilar imágenes para diagnosticar una afección con la que ha estado luchando durante años. No, no es algo sacado de las últimas películas de ciencia ficción o de Marvel Comics, es una tecnología llamada bioimagen.

Si bien los métodos tradicionales de bioimagen como la resonancia magnética, las tomografías computarizadas o los rayos X son más populares, el uso de dispositivos a nanoescala es cada vez más popular. Son menos invasivos y brindan a los profesionales de la salud una mirada más cercana al interior de los tejidos.

Investigadores de Virginia Tech Facultad de Ingeniería Y facultad de ciencias Están utilizando su experiencia en fotónica cuántica y nanotecnología junto con la financiación de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y la Fundación Nacional de Ciencias para desarrollar un innovador nanodispositivo que puede convertir luz de baja energía en luz de alta energía en un amplio espectro. Al mejorar las interacciones entre la luz y la materia a nanoescala, estos dispositivos tienen una mayor versatilidad y son mucho más sensibles a los eventos físicos que ocurren en la superficie del dispositivo en comparación con los que se usan actualmente en la industria médica.

Pequeño pero poderoso

El equipo de investigación, que incluye al profesor Wei Zhou del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Bradley y al profesor Giti Khodabarast del Departamento de Física, ha revelado los principios clave de la mecánica cuántica que inspiraron un nuevo diseño para mejorar el rendimiento de estos nanointerruptores fotónicos.

“La parte realmente emocionante de nuestra investigación es el potencial de estos dispositivos para lograr grandes avances en bioimágenes y biodetección”, dijo Zhou. “Permite a los investigadores recopilar simultáneamente una variedad de información en la intersección de los sistemas biológicos y a nanoescala utilizando diferentes longitudes de onda de la luz emitida”.

Los investigadores podrán ver qué sucede en la interacción entre los sistemas biológicos y los nanodispositivos, como cambios de voltaje en las actividades cerebrales o cambios en la concentración de biomoléculas. Al transmitir luz de mayor energía que luz de menor energía, estos nanotransductores pueden capturar imágenes más claras para ayudar a mejorar nuestra comprensión y diagnóstico de diversas enfermedades y afecciones.

Tecnología que salva vidas

Además de Zhou y Khodaparast, los estudiantes graduados del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y del Departamento de Física han desempeñado un papel importante en esta investigación de vanguardia y han transferido ese conocimiento a su trabajo actual.

Syed Ali Safiabadi Tali tiene un Ph.D. en ingeniería eléctrica en 2020, y desde entonces ha trabajado como ingeniero fotónico en Quantum-Si.

“Es increíble pensar que el trabajo que hacemos puede mejorar la vida de las personas”, dijo Safiyabadee Tali. Esta nueva tecnología podría hacer que la bioimagen sea más clara y permitir a los médicos detectar enfermedades antes. La detección temprana significa un tratamiento temprano que es fundamental para muchas enfermedades crónicas”.

Como ingeniera fotónica en Quantum-Si, Safiabadi Tali está trabajando con un equipo multidisciplinario de científicos para desarrollar una plataforma de secuenciación de proteínas de una sola molécula que pueda transformar la comprensión de la comunidad científica sobre la proteína humana, desbloqueando conocimientos sin precedentes sobre el cuerpo humano. La investigación de Safiabadi Tali en óptica cuántica, fotónica y biodetección en Virginia Tech lo ha preparado para continuar con la innovación en el espacio de trabajo interdisciplinario de Quantum-Si.

La graduada en física Rathsara Hirath, que también trabajó en el proyecto, está utilizando su experiencia adquirida en la caracterización de materiales avanzados en su función actual como Unidad de Desarrollo Técnico e Ingeniera de Integración de Retorno en Intel.

“Aprendí mucho de este proyecto en lo que respecta a la bioimagen”, dijo Herath. “La configuración de nuestros instrumentos en el laboratorio tenía que ser muy precisa para obtener datos precisos. También teníamos que asegurarnos de no dañar los materiales con los sistemas láser de alta potencia que usamos, lo que requirió mucho tiempo y paciencia para obtenerlos”. la información correcta.”

Más allá de la atención médica

Aunque este nuevo dispositivo fotónico es nanoscópico, su potencial para futuras aplicaciones es enorme.

“Las ramificaciones de este avance se extienden mucho más allá del campo de la atención médica”, dijo Zhu. “Estos nanodispositivos flexibles están hechos de materiales altamente estables, diseñados para durar períodos prolongados y ser prácticamente resistentes a los daños. Al integrar sensores avanzados de nanofotones en los sistemas fotónicos y de semiconductores existentes, podemos mejorar en gran medida el rendimiento de los equipos biomédicos y más”.

Las aplicaciones futuras incluyen el monitoreo de entornos acuáticos en tiempo real, el diagnóstico de fugas en oleoductos y gasoductos y la detección de explosivos o armas químicas.