Il progetto HÈRMES (High-speed timE Resolved fluorescence iMaging with no pilE-up diStortion) mira a stabilire una nuova metodologia per l'imaging risolto in tempo mediante la tecnica di Time Correlated Single Photon Counting (TCSPC).

Fin dal suo debutto in letteratura, il potenziale della TCSPC come strumento di imaging non invasivo, ultrasensibile ed estremamente preciso è stato manifesto. Numerose applicazioni ne hanno finora beneficiato ma una limitazione fondamentale ne impedisce ancora un ampio utilizzo in molte altre applicazioni cruciali: la velocità di una catena di acquisizione TCSPC deve essere mantenuta bassa per evitare distorsioni dovute al cosiddetto fenomeno del pile-up. Finora i ricercatori in questo campo hanno cercato di aggirare questo limite principalmente sviluppando sistemi multicanale. Tuttavia, questo approccio presenta ancora oggi importanti limitazioni dovute principalmente all'efficienza dei rivelatori, al loro fill factor, alla precisione, alla linearità e alla complessità di lettura dei dati da sistemi densamente integrati.

Il progetto HÈRMES mira a rivoluzionare il modo di concepire i sistemi TCSPC e di effettuare le misurazioni risolte nel tempo. La radice del progetto si basa sullo sviluppo di un modello matematico completo che mostri come la distorsione da pile-up possa essere evitata con qualsiasi combinazione di rivelatore di fotoni singoli e potenza di eccitazione del laser, a condizione che siano disponibili informazioni aggiuntive con precisione del picosecondo sullo stato del sistema in ciascun intervallo di tempo. Spingere la velocità della TCSPC ben oltre i limiti attuali apre la strada allo sviluppo di un'elettronica ultraveloce per consentire l’utilizzo dei rivelatori di singoli fotoni nelle applicazioni più avanzate.

Lo sfruttamento del pieno potenziale dei sistemi TCSPC ultraveloci sarà infine reso possibile dallo sviluppo di un innovativo framework di imaging computazionale, aprendo la strada all’acquisizione in tempo reale di immagini multidimensionali. I sistemi TCSPC di prossima generazione basati sulla metodologia sviluppata nel progetto HÈRMES consentiranno lo sfruttamento di questo potente strumento in applicazioni cruciali come, per esempio, l'imaging intraoperatorio e neuronale, dove è necessaria un'acquisizione ultraveloce ma comunque lineare per consentire operazioni complesse come la chirurgia assistita da imaging in tempo reale e l’analisi degli spike dei neuroni.

Il progetto è finanziato dallo European Research Council, ERC-STG 2023.