Биофотоника - Biophotonics

Термин биофотоника обозначает комбинацию биологии и фотоники , при этом фотоника - это наука и технология генерации, манипулирования и обнаружения фотонов , квантовых единиц света . Фотоника связана с электроникой и фотонами . Фотоны играют центральную роль в информационных технологиях, таких как волоконная оптика, точно так же , как электроны в электронике.

Биофотонику можно также описать как «развитие и применение оптических методов, в частности визуализации, для изучения биологических молекул, клеток и тканей». Одним из основных преимуществ использования оптических методов, составляющих биофотонику, является то, что они сохраняют целостность исследуемых биологических клеток.

Таким образом, биофотоника стала общепризнанным общим термином для всех методов, которые имеют дело с взаимодействием между биологическими объектами и фотонами. Это относится к излучению, обнаружению, поглощению, отражению, модификации и созданию излучения от биомолекул, клеток, тканей, организмов и биоматериалов. Области применения: биологические науки , медицина , сельское хозяйство и экология . Подобно различию между « электрическими » и « электронными », можно провести различие между такими приложениями, как терапия и хирургия , в которых свет используется в основном для передачи энергии, и такими приложениями, как диагностика , в которых свет используется для возбуждения материи и передачи информации. обратно к оператору. В большинстве случаев термин биофотоника относится к последнему типу применения.

Приложения

Биофотоника - это междисциплинарная область, включающая взаимодействие между электромагнитным излучением и биологическими материалами, включая ткани, клетки, субклеточные структуры и молекулы в живых организмах.

Недавние исследования в области биофотоники открыли новые возможности для клинической диагностики и лечения с использованием жидкостей, клеток и тканей. Эти достижения предоставляют ученым и врачам возможности для превосходной неинвазивной диагностики сосудов и кровотока, а также инструменты для более качественного исследования кожных повреждений. В дополнение к новым диагностическим инструментам достижения в области биофотонических исследований предоставили новые методы фототермической, фотодинамической и тканевой терапии.

Диагностика на основе комбинационного рассеяния света и FT-IR

Рамановская спектроскопия и ИК-Фурье спектроскопия могут применяться по-разному для улучшения диагностики. Например:

1. Выявление бактериальных и грибковых инфекций
2. Оценка опухоли тканей : кожи , печени , костей , мочевого пузыря и т. Д.
3. Выявление устойчивости к антибиотикам

Другие приложения

Дерматология

Наблюдая за многочисленными и сложными взаимодействиями между светом и биологическими материалами, область биофотоники представляет уникальный набор диагностических методов, которые могут использовать практикующие врачи. Биофотонная визуализация обеспечивает дерматологию единственным неинвазивным методом диагностики рака кожи. Традиционные диагностические процедуры для рака кожи включают визуальную оценку и биопсию, но новый метод лазерно-индуцированной флуоресцентной спектроскопии позволяет дерматологам сравнивать спектрографы кожи пациента со спектрографами, которые, как известно, соответствуют злокачественной ткани. Это предоставляет врачам более ранний диагноз и варианты лечения.

«Среди оптических методов, появляющаяся технология визуализации, основанная на лазерном сканировании, оптическая когерентная томография или ОКТ-визуализация, считается полезным инструментом для дифференциации здоровой ткани кожи от злокачественной». Информация сразу доступна и устраняет необходимость в иссечении кожи. Это также избавляет от необходимости обрабатывать образцы кожи в лаборатории, что снижает трудозатраты и время обработки.

Кроме того, эти технологии оптической визуализации могут использоваться во время традиционных хирургических процедур для определения границ поражений, чтобы гарантировать полное удаление пораженной ткани. Это достигается путем воздействия на наночастицы , окрашенные флуоресцентным веществом, приемлемыми фотонами света. Наночастицы, функционализированные флуоресцентными красителями и белками-маркерами, будут собираться в выбранном типе ткани. Когда на частицы воздействуют светом с длиной волны, соответствующей флуоресцентному красителю, нездоровая ткань начинает светиться. Это позволяет лечащему хирургу быстро визуально определять границы между здоровой и нездоровой тканью, что сокращает время нахождения на операционном столе и более быстрое восстановление пациента. «Используя диэлектрофорезные микроматрицы, наночастицы и биомаркеры ДНК были быстро изолированы и сконцентрированы в определенных микроскопических местах, где они были легко обнаружены с помощью эпифлуоресцентной микроскопии».

Оптический пинцет

Оптические пинцеты (или ловушки) - это научные инструменты, используемые для перемещения микроскопических частиц, таких как атомы, ДНК, бактерии, вирусы и другие типы наночастиц. Они используют импульс света для приложения малых сил к образцу. Этот метод позволяет организовывать и сортировать клетки, отслеживать перемещение бактерий и изменять структуру клеток.

Лазерный микро-скальпель

Лазерные микроскальпели представляют собой комбинацию флуоресцентной микроскопии и фемтосекундного лазера, «способного проникать в ткань на глубину до 250 микрометров и нацеливаться на отдельные клетки в трехмерном пространстве». Технология, запатентованная исследователями из Техасского университета в Остине, означает, что хирурги могут вырезать больные или поврежденные клетки, не беспокоя и не повреждая здоровые окружающие клетки, в деликатных операциях, затрагивающих такие области, как глаза и голосовые связки.

Фотоакустическая микроскопия (ФАМ)

Фотоакустическая микроскопия (PAM) - это технология визуализации, в которой используются как лазерные, так и ультразвуковые технологии. Этот двойной метод визуализации намного превосходит предыдущие технологии визуализации при визуализации глубоких тканей и сосудистых тканей. Улучшение разрешения обеспечивает более качественные изображения глубоких тканей и сосудистых систем, позволяя неинвазивным способом дифференцировать раковые ткани от здоровых тканей, наблюдая такие параметры, как «содержание воды, уровень насыщения кислородом и концентрация гемоглобина». Исследователи также смогли использовать PAM для диагностики эндометриоза у крыс.

Лазерная терапия низкого уровня (НИЛТ)

Хотя эффективность низкоуровневой лазерной терапии (НИЛИ) несколько противоречива, эту технологию можно использовать для лечения ран путем восстановления тканей и предотвращения их гибели. Однако более поздние исследования показывают, что НИЛИ более полезны для уменьшения воспаления и снятия хронической боли в суставах. Кроме того, считается, что НИЛИ может оказаться полезной при лечении тяжелых травм или травм головного мозга, инсульта и дегенеративных неврологических заболеваний.

Фотодинамическая терапия (ФТ)

Фотодинамическая терапия (ФТ) использует фотосинтезирующие химические вещества и кислород, чтобы вызвать клеточную реакцию на свет. Его можно использовать для уничтожения раковых клеток, лечения акне и уменьшения рубцов. PT также может убивать бактерии, вирусы и грибки. Эта технология обеспечивает лечение практически без долгосрочных побочных эффектов, менее инвазивна, чем хирургическое вмешательство, и может повторяться чаще, чем облучение. Однако лечение ограничивается поверхностями и органами, которые могут подвергаться воздействию света, что исключает лечение рака глубоких тканей.

Фототермическая терапия

В фототермической терапии чаще всего используются наночастицы из благородного металла для преобразования света в тепло. Наночастицы созданы для поглощения света в диапазоне 700–1000 нм, где человеческое тело оптически прозрачно . Когда на частицы попадает свет, они нагреваются, разрушая или разрушая окружающие клетки посредством гипертермии. Поскольку используемый свет не взаимодействует напрямую с тканями, фототермическая терапия имеет мало долгосрочных побочных эффектов и может использоваться для лечения рака глубоко внутри тела.

FRET

Флуоресцентный резонансный перенос энергии, также известный как резонансный перенос энергии Фёрстера (FRET в обоих случаях) - это термин, обозначающий процесс, при котором два возбужденных «флуорофора» передают энергию друг другу без излучения (то есть без обмена фотоном). Благодаря тщательному выбору возбуждения этих флурофоров и обнаружению излучения FRET стал одним из наиболее широко используемых методов в области биофотоники, что дает ученым возможность исследовать субклеточные среды.

Биофлуоресценция

Биофлуоресценция описывает поглощение ультрафиолетового или видимого света и субпоследовательное излучение фотонов на более низком энергетическом уровне (возбужденное состояние S_1 релаксирует до основного состояния S_0) собственно флуоресцентными белками или синтетическими флуоресцентными молекулами, ковалентно прикрепленными к интересующему биомаркеру. Биомаркеры представляют собой молекулы, указывающие на заболевание или дистресс, и обычно за ними наблюдают системно в живом организме или с использованием образца ткани ex vivo для микроскопии или in vitro : в крови, моче, поте, слюне, интерстициальной жидкости, водянистой влаге и т. Д. или мокрота. Стимулирующий свет возбуждает электрон, повышая энергию до нестабильного уровня. Эта нестабильность неблагоприятна, поэтому заряженный электрон почти сразу же возвращается в стабильное состояние, когда становится нестабильным. Задержка по времени между возбуждением и повторным излучением, которая возникает при возврате в стабильное основное состояние, приводит к тому, что повторно излучаемый фотон приобретает другой цвет (т.е. он релаксирует до более низкой энергии, и, таким образом, излучаемый фотон имеет более короткую длину волны, как регулируется соотношением Планка-Эйнштейна ), чем поглощенный возбуждающий свет. Это возвращение к стабильности соответствует высвобождению избыточной энергии в виде флуоресцентного света. Это излучение света наблюдается только тогда, когда возбуждающий свет все еще передает фотоны флуоресцентной молекуле и обычно возбуждается синим или зеленым светом и излучает фиолетовый, желтый, оранжевый, зеленый, голубой или красный цвет. Биофлуоресценцию часто путают со следующими формами биотического света: биолюминесценцией и биофосфоресценцией. ${\ displaystyle E = {\ frac {hc} {\ lambda}}}$

Биолюминесценция

Биолюминесценция отличается от биофлуоресценции тем, что это естественное производство света в результате химических реакций внутри организма, тогда как биофлуоресценция и биофосфоресценция представляют собой поглощение и переизлучение света из окружающей среды.

Биофосфоресценция

Биофосфоресценция похожа на биофлуоресценцию в том, что она требует света определенной длины волны в качестве источника энергии возбуждения. Разница здесь заключается в относительной стабильности электрона под напряжением. В отличие от биофлуоресценции, здесь электрон сохраняет стабильность в запрещенном триплетном состоянии (неспаренные спины) с более длительной задержкой излучения света, в результате чего он продолжает «светиться в темноте» даже спустя долгое время после воздействия стимулирующего источника света. был удален.

Биолазинг

Биолазер - это когда лазерный свет генерируется живой клеткой или изнутри нее. Визуализация в биофотонике часто зависит от лазерного света, и интеграция с биологическими системами рассматривается как многообещающий путь к совершенствованию методов зондирования и визуализации. Биолазеры, как и любая лазерная система, требуют трехкомпонентной усиливающей среды, структуры оптической обратной связи и источника накачки. В качестве усиливающей среды в различных лазерных структурах можно использовать множество естественных флуоресцентных белков. Заключение структуры оптической обратной связи в ячейку было продемонстрировано с использованием вакуолей ячейки, а также с использованием полностью закрытых лазерных систем, таких как полимерные микросферы, легированные красителем, или лазеры на полупроводниковых нанодисках.

Источники света

Преимущественно используемые источники света - это лучи . Светодиоды и суперлюминесцентные диоды также играют важную роль. Типичные длины волн, используемые в биофотонике, составляют от 600 нм (видимый) до 3000 нм (ближний ИК ).

Лазеры

Лазеры играют все более важную роль в биофотонике. Их уникальные внутренние свойства, такие как точный выбор длины волны, самый широкий диапазон длин волн, высочайшая фокусируемость и, следовательно, лучшее спектральное разрешение, высокая плотность мощности и широкий спектр периодов возбуждения, делают их наиболее универсальным световым инструментом для широкого спектра применений. Как следствие, сегодня на рынке можно найти множество различных лазерных технологий от большого числа поставщиков.

Газовые лазеры

Основные газовые лазеры, используемые для биофотоники, и их наиболее важные длины волн:

- Ионный аргоновый лазер : 457,8 нм, 476,5 нм, 488,0 нм, 496,5 нм, 501,7 нм, 514,5 нм (возможна работа в несколько линий)

- Криптон-ионный лазер : 350,7 нм, 356,4 нм, 476,2 нм, 482,5 нм, 520,6 нм, 530,9 нм, 568,2 нм, 647,1 нм, 676,4 нм, 752,5 нм, 799,3 нм

- Гелий-неоновый лазер : 632,8 нм (543,5 нм, 594,1 нм, 611,9 нм)

- HeCd-лазеры : 325 нм, 442 нм

Другие коммерческие газовые лазеры, такие как лазеры на диоксиде углерода (CO2), монооксиде углерода, азоте, кислороде, ксенон-ионах, эксимерах или лазерах на парах металлов, не имеют или имеют очень незначительное значение в биофотонике. Основным преимуществом газовых лазеров в биофотонике является их фиксированная длина волны, отличное качество луча и низкая ширина линии / высокая когерентность. Лазеры на ионах аргона также могут работать в многополосном режиме. Основным недостатком является высокое энергопотребление, возникновение механического шума из-за охлаждения вентилятора и ограниченная мощность лазера. Ключевыми поставщиками являются Coherent, CVI / Melles Griot, JDSU, Lasos, LTB и Newport / Spectra Physics.

Диодные лазеры

Наиболее часто интегрированные лазерные диоды , которые используются для диодных лазеров в биофотонике, основаны на полупроводниковом материале GaN или GaAs. GaN покрывает спектр длин волн от 375 до 488 нм (недавно были объявлены коммерческие продукты на 515 нм), тогда как GaAs покрывает спектр длин волн, начиная с 635 нм.

Наиболее часто используемые длины волн диодных лазеров в биофотонике: 375, 405, 445, 473, 488, 515, 640, 643, 660, 675, 785 нм.

Лазерные диоды доступны в 4-х классах:

- Односторонний излучатель / широкая полоса / широкая область

- Поверхностный излучатель / VCSEL

- Краевой излучатель / коньковый волновод

- Решетка стабилизированная (FDB, DBR, ECDL)

Для биофотонных приложений наиболее часто используются лазерные диоды с краевым излучением / ребристыми волноводными диодами, которые работают с одной поперечной модой и могут быть оптимизированы для получения почти идеального качества луча TEM00. Из-за небольшого размера резонатора цифровая модуляция может быть очень быстрой (до 500 МГц). Длина когерентности мала (обычно <1 мм), а типичная ширина линии находится в диапазоне нм. Типичные уровни мощности составляют около 100 мВт (в зависимости от длины волны и поставщика). Ключевые поставщики: Coherent , Melles Griot, Omicron, Toptica , JDSU, Newport , Oxxius, Power Technology. Диодные лазеры со стабилизированной решеткой имеют либо встроенную литографическую решетку (DFB, DBR), либо внешнюю решетку (ECDL). В результате длина когерентности возрастет до нескольких метров, а ширина линии упадет значительно ниже пикометров (пм). Биофотонные приложения, в которых используются эти характеристики, включают рамановскую спектроскопию (требуется ширина линии ниже см-1) и спектроскопическое зондирование газа.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры - это лазеры на основе твердотельных усиливающих сред, таких как кристаллы или стекла, легированные ионами редкоземельных или переходных металлов, или полупроводниковые лазеры. (Хотя полупроводниковые лазеры, конечно, также являются твердотельными устройствами, они часто не включаются в термин твердотельные лазеры.) Ионно-легированные твердотельные лазеры (также иногда называемые лазерами на легированных изоляторах) могут быть выполнены в виде объемных лазеров. лазеры, волоконные лазеры или другие типы волноводных лазеров. Твердотельные лазеры могут генерировать выходную мощность от нескольких милливатт до (в версиях высокой мощности) многих киловатт.

Ультрахромные лазеры

Многие передовые приложения в биофотонике требуют индивидуального выбора света на нескольких длинах волн. Как следствие, был представлен ряд новых лазерных технологий, которые в настоящее время требуют точных формулировок.

Наиболее часто используемая терминология - это лазеры суперконтинуума , которые одновременно излучают видимый свет в широком спектре. Затем этот свет фильтруется, например, с помощью акустооптических модуляторов (AOM, AOTF) на 1 или до 8 различных длин волн. Типичными поставщиками этой технологии были NKT Photonics или Fianium. Недавно компания NKT Photonics купила Fianium, оставаясь основным поставщиком технологии суперконтинуума на рынке.

В другом подходе (Toptica / iChrome) суперконтинуум генерируется в инфракрасном диапазоне, а затем преобразуется на одной выбираемой длине волны в видимый режим. Этот подход не требует использования AOTF и имеет бесфоновую спектральную чистоту.

Поскольку обе концепции имеют большое значение для биофотоники, часто используется общий термин «ультрахромные лазеры».

Искаженные источники

Источники с разверткой предназначены для непрерывного изменения («развертки») частоты излучаемого света во времени. Обычно они непрерывно проходят через заранее определенный диапазон частот (например, 800 +/- 50 нм). Продемонстрированы свечные источники в терагерцовом режиме. Типичное применение развернутых источников в биофотонике - визуализация оптической когерентной томографии (ОКТ) .

Источники ТГц

Колебательная спектроскопия в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот 0,1–10 ТГц - быстро развивающийся метод для снятия отпечатков пальцев биологических молекул и видов. На протяжении более 20 лет теоретические исследования предсказывали множественные резонансы в спектрах поглощения (или пропускания) биологических молекул в этом диапазоне. ТГц излучение взаимодействует с низкочастотными внутренними колебаниями молекул, возбуждая эти колебания.

Источники одиночных фотонов

Источники одиночных фотонов - это новые типы источников света, отличные от источников когерентного света (лазеры) и тепловых источников света (например, ламп накаливания и ртутных ламп), которые излучают свет в виде отдельных частиц или фотонов.

использованная литература