Development and applications of super-resolution photo-thermal imaging

Active photo-thermal imaging is a valuable tool for the nondestructive characterization of biological tissues and inorganic materials. Still, far-infrared thermography suffers from (i) typically limited spatial resolution in the ~0.1-1 mm range, due to both light diffraction and heat diffusion effects, and (ii) a difficult conversion of temperature images into quantitative maps of any thermal property (e.g., the thermal conductivity) of the imaged samples. Both these limitations have been tackled during my doctoral work. First, I have focused on the development of a novel super-resolution photo-thermal imaging method. The strategy exploits the automated sub-diffraction centroid localization of sparse temperature increments primed by modulated raster-scanned laser light. The super-resolution image of the light-absorbing centers in the sample is reconstructed by the localized centers and amplitudes of all the temperature peaks imaged by a thermal camera. Provided the fit localization precision is only limited by the shot-noise of thermal emission, the spatial resolution of the rendered image can in principle be tuned down to the ~1 μm diffraction-limited laser spot size at the excitation visible wavelength. Upon experimental validation on reference samples, the application of such an approach has been directed towards the label-free reconstruction of the spatial distribution of melanin pigments in murine melanoma biopsies. Temperature-based images of whole tissue sections have been converted into quantitative maps of the absolute molar concentration of melanin pigments based on the necessary theoretical framework that I have derived by the combination of finite-element simulations with the analytical/numerical solution of the 3D heat equation in the presence of modulated laser illumination. In parallel, the development of super-resolution thermography has been extended to the space-resolved quantification of absolute thermal conductivity values. Starting from Fourier’s law, I have surmised a universal dependence of the thermal response of a laser-irradiated sample on its thickness and thermal conductivity, irrespective of the thermal diffusivity. Such a dependence has been demonstrated over the conductivity decades 0.1-100 W/mK by finite-element simulations, and it has been exploited for proof-of-principle thermal conductivity measurements on thermally thick and thin solid samples. The feasibility of space-resolved measurements has been validated on eighteenth-century tin organ pipe fragments, where the product of the thermal conductivity times the sample thickness, imaged at 40-μm sub-diffraction resolution, has been pointed out as a relevant parameter for the non-destructive characterization of the sample conservation state. By coupling temperature maps with the extraction of thermal properties at high spatial resolution, the results significantly expand the capability of state-of-the-art infrared imaging technology in capturing the structural heterogeneity of the imaged materials.

L'imaging termico foto-attivato è una tecnica largamente impiegata per la caratterizzazione non invasiva di campioni sintetici e tessuti biologici. Tuttavia, la termografia nel lontano infrarosso risulta limitata da (i) risoluzione spaziale nell'intervallo ~0.1-1 mm, a causa della diffrazione della radiazione termica e agli effetti di diffusione del calore nel campione, e (ii) la difficoltà nel convertire il segnale di temperatura in mappe quantitative delle proprietà termiche (ad esempio, la conducibilità termica) dei campioni in esame. Il mio lavoro di dottorato è stato rivolto ad affrontare e risolvere entrambe queste limitazioni. In primo luogo, è stato sviluppato un nuovo metodo di imaging foto-termico in super risoluzione. La strategia proposta sfrutta la localizzazione automatizzata di incrementi di temperatura indotti sequenzialmente sul campione e rivelati da una convenzionale termocamera. Le variazioni di temperatura, indotte dall’assorbimento di luce laser modulata da parte del campione, vengono localizzate a posteriori mediante un fit gaussiano bidimensionale delle immagine termiche acquisite. L'immagine in super-risoluzione viene infine ricostruita a posteriori sfruttando le coordinate del centro e le ampiezze di tutti i picchi di temperatura rivelati. Poiché la precisione di localizzazione degli incrementi di temperatura risulta limitata solo dal rapporto segnale-rumore delle immagini termografiche, la risoluzione spaziale dell'immagine finale può essere ridotta fino a ~1 μm, corrispondente al limite diffrattivo per la dimensione dello spot laser di eccitazione con lunghezza d'onda visibile. A seguito della validazione sperimentale della tecnica su campioni di riferimento, l’imaging foto-termico in super-risoluzione è stato applicato alla ricostruzione, in modalità label-free, della distribuzione spaziale dei pigmenti di melanina in biopsie di melanoma murino. Le immagini termiche di intere sezioni di tessuto sono state convertite in mappe quantitative della concentrazione molare assoluta dei pigmenti di melanina sfruttando i risultati di simulazioni agli elementi finiti e la soluzione analitica/numerica dell’equazione del calore in tre dimensioni in presenza di illuminazione laser modulata. Parallelamente, lo sviluppo della termografia in super risoluzione è stato ulteriormente esteso alla quantificazione della conducibilità termica del campione. Partendo dalla legge di Fourier, ho dimostrato che la risposta termica di un campione sottoposto ad illuminazione laser modulata dipende esclusivamente dallo spessore e dalla conducibilità termica, indipendentemente dalla diffusività. Tale dipendenza è stata dimostrata su tre ordini di grandezza di conducibilità (0.1-100 W/mK) mediante simulazioni agli elementi finiti, ed è stata sfruttata per la misura della conducibilità termica di campioni di riferimento di spessore variabile. La possibilità di risalire a mappe spaziali della conducibilità è stata dimostrata poi su frammenti di canne d'organo in stagno del XVIII secolo, dove il prodotto della conducibilità termica e dello spessore del campione, quantificato con risoluzione sub-diffrattiva di 40 μm, è stato identificato come un parametro rilevante per la caratterizzazione non invasiva dello stato di conservazione del campione. Combinando le immagini in temperatura con l'estrazione di proprietà termiche ad alta risoluzione spaziale, i risultati di questo lavoro di tesi espandono significativamente le potenzialità delle attuali tecniche di termografia attivata nel caratterizzare quantitativamente l'eterogeneità strutturale e la composizione dei campioni in esame.