Một tế bào cảm quang hình que lấy từ mắt ếch đã được xử lí thành một máy dò cực nhạy có khả năng đếm từng photon một và xác định sự kết hợp của những xung ánh sáng cực yếu. Được sáng tạo bởi các nhà nghiên cứu ở Singapore, nghiên cứu trên có thể đưa đến những máy dò ánh sáng lai tích hợp những tế bào sống.
Mắt người và những sinh vật sống khác là những máy dò ánh sáng cực nhạy và linh hoạt, chúng thường có thể hoạt động hiệu quả hơn các dụng cụ nhân tạo. Thật vậy, một tế bào cảm quang hình que trong võng mạc người sẽ chỉ phản ứng với một photon – công việc chỉ có những máy dò nhân tạo nhạy nhất mới có khả năng thực hiện.
Nghiên cứu mắt không những biết được cách chế tạo những máy dò ánh sáng tốt hơn, mà việc hiểu rõ hơn chức năng của nó có thể đưa đến sự phát triển của các dụng cụ “sinh lượng tử” (bioquantum) kết hợp với bộ phận sinh học và bộ phận nhân tạo để nghiên cứu các phương diện của quang học lượng tử ví dụ như ánh sáng “nén”.
Trong nghiên cứu mới nhất này, Leonid Krivitsky và các đồng sự tại Cơ quan Khoa học, Công nghệ và Nghiên cứu ở Singapore tập trung vào những tế bào hình que lấy từ mắt của con Ếch Chân vuốt châu Phi (Xenopus laevis), một loài đã được nghiên cứu nhiều bởi các nhà sinh học.
Ếch chân vuốt châu Phi (Xenopus laevis) (Ảnh: Shutterstock)
Chặn dòng
Mỗi tế bào hình que có một đoạn ngoài (OS – outer segment) chứa quang sắc tố rhodopsin – một chất bị biến đổi hóa học khi phơi sáng. Khi ở trong tối, một dòng không đổi gồm những ion natrium, kalium và calcium chảy vào và chảy ra khỏi tế bào đó. Tuy nhiên, khi một photon đi tới rhodopsin, nó kích hoạt một chuỗi phản ứng hóa học làm tắt nghẽn một số kênh truyền ion. Kết quả là gây ra sự phân cực điện của tế bào, mang lại một tín hiệu điện được hệ thần kinh thu nhận và phản hồi lên não.
Từng tế bào hình que dài khoảng 50 μm và có đường kính khoảng 5 μm. Thí nghiệm bắt đầu với một tế bào hình que được hút vào trong một ống pipett nhỏ xíu và giữ sống bằng cách dìm trong một dung dịch đặc biệt tương tự như dịch chất có trong mắt. Ống micropipett còn tác dụng như một điện cực, cho phép dòng ion được phát hiện ra bằng một bộ khuếch đại mức nhiễu-thấp.
Đội khoa học đã sử dụng ánh sáng laser xanh (bước sóng 532 nm) để nghiên cứu phản ứng quang học của từng tế bào hình que. Đội khoa học đã chiếu vài loại khác nhau của xung laser vào các tế bào hình que và đo lấy phản ứng. Trước khi một xung sáng đi tới tế bào hình que, ánh sáng bị chia tách vào hai đường. Một đường tiếp tục đi tới tế bào hình que và đường kia đi tới một quang diode thác lở (APD) – một máy dò sáng cực nhạy có khả năng nhìn thấy từng photon độc thân. Bố trí quang học này được sử dụng như một giao thoa kế Hanbury–Brown–Twiss, cho phép đội khoa học xác định sự kết hợp của ánh sáng tới tại tế bào hình que.
Đếm photon
Trong một thí nghiệm, đội khoa học đã đo dòng quang điện tạo ra bởi tế bào hình que trong khi thay đổi số lượng photon trung bình trên mỗi xung từ 30 lên 16.000. Như trông đợi, dòng quang điện tăng theo dạng là một hàm của số photon rồi bão hòa ở giá trị khoảng 1000 photon. Đội nghiên cứu còn khảo sát cách tế bào hình que phản ứng với những loại khác nhau của xung ánh sáng – những xung ánh sáng laser kết hợp và những xung “giả nhiệt”. Xung giả nhiệt là những xung laser tập trung lên một cái đĩa đang quay tròn đã bị làm cho xù xì bằng cách chà giấy nhám. Ánh sáng lốm đốm thu được khi đó được gửi qua một màn chắn và hiện ra dưới dạng một xung ít kết hợp.
Các xung kết hợp và xung giả nhiệt có phân bố thống kê số photon khác nhau, và đội khoa học đã có thể sử dụng các tế bào hình que để phát hiện ra sự khác biệt đó. Theo các nhà nghiên cứu, điều này có nghĩa là các tế bào hình que có thể dùng làm những máy dò thống kê photon có độ nhạy cao. Kết hợp toàn bộ những phép đo lại, đội khoa học còn có thể kết luận rằng mỗi photon trong xung đó tương tác với chỉ một phân tử rhodopsin.
Mặc dù đội khoa học sử dụng các nguồn sáng cổ điển, nhưng thực tế các tế bào hình que có thể phân biệt giữa những xung kết hợp và xung giả nhiệt cho thấy chúng có thể được sử dụng trong quang học lượng tử và truyền thông lượng tử. Thật vậy, đội khoa học đã có kế hoạch nghiên cứu phản ứng của các tế bào hình que với ánh sáng hai photon tương quan.
Tham khảo: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i11/e113601
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
