Биофотоника

О спонтанном низкоуровневом излучении фотонов из живых тканей см. Биофотон .

Термин биофотоника обозначает сочетание биологии и фотоники , причем 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 оптоволокно, точно так же, как электроны в электронике.

Биофотонику также можно охарактеризовать как «разработку и применение оптических методов, особенно изображений, 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 общепринятым общим термином для всех методов, связанных с взаимодействием между биологическими объектами и фотонами. Это относится к излучению, обнаружению, поглощению, отражению, модификации и созданию излучения из биомолекул, клеток, тканей, организмов и биоматериалов. Области применения: науки о жизни , медицина , сельское хозяйство и экология .Подобно различию между « электричеством » и « электроникой », можно провести различие между такими приложениями, как терапия и хирургия , которые используют свет главным образом для передачи энергии, и такими приложениями, как диагностика , которые используют свет 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 электромагнитного излучения и биологических материалов, включая ткани, клетки, субклеточные структуры и молекулы в живых организмах.

Недавние исследования в области биофотоники создали новые приложения для клинической диагностики и терапии, включающие жидкости, клетки и ткани. Эти достижения открывают ученым и врачам возможности для превосходной неинвазивной диагностики сосудов и кровотока, а также инструментов для лучшего исследования поражений кожи. Помимо новых диагностических инструментов, достижения в области биофотоники позволили разработать новые фототермические, фотодинамические и тканевые методы лечения.

Диагностика на основе комбинационного рассеяния света и FT-IR

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

1. Выявление бактериальных и грибковых инфекций
2. тканей Оценка опухолей : 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 рака кожи включают визуальную оценку и биопсию, но новый метод лазерно-индуцированной флуоресцентной спектроскопии позволяет дерматологам сравнивать спектрограммы кожи пациента со спектрографами, которые, как известно, соответствуют злокачественной ткани. Это дает врачам более раннюю диагностику и варианты лечения.

«Среди оптических методов новая технология визуализации, основанная на лазерном сканировании, оптическая когерентная томография или ОКТ считается полезным инструментом для дифференциации здоровой ткани кожи от злокачественной». Информация доступна немедленно и исключает необходимость иссечения кожи. Это также устраняет необходимость обработки образцов кожи в лаборатории, что снижает трудозатраты и время обработки.

Кроме того, эти технологии оптической визуализации можно использовать во время традиционных хирургических процедур для определения границ поражений и обеспечения полного удаления пораженной ткани. Это достигается путем воздействия фотонов приемлемого света на наночастицы , окрашенные флуоресцентным веществом. Наночастицы, функционализированные флуоресцентными красителями и маркерными белками, будут собираться в выбранном типе ткани. Когда частицы подвергаются воздействию волн света, соответствующих флуоресцентному красителю, нездоровая ткань светится. Это позволяет лечащему хирургу быстро визуально определить границы между здоровыми и нездоровыми тканями, что приводит к сокращению времени пребывания на операционном столе и более быстрому выздоровлению пациента. «С помощью диэлектрофоретических микрочипов наночастицы и биомаркеры ДНК были быстро изолированы и сконцентрированы в определенных микроскопических местах, где их легко обнаружить с помощью эпифлуоресцентной микроскопии».

Оптические пинцеты

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 воздействия на образец небольшими силами. Этот метод позволяет организовывать и сортировать клетки, отслеживать движение бактерий и изменять структуру клеток.

Лазерный микроскальпель

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

Фотоакустическая микроскопия (ПАМ)

Фотоакустическая микроскопия (ПАМ) — это технология визуализации, в которой используются как лазерная технология, так и ультразвуковая технология. Этот метод двойной 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 неинвазивно дифференцировать раковые ткани от здоровых тканей путем наблюдения за такими показателями, как «содержание воды, уровень насыщения кислородом и концентрация гемоглобина». Исследователи также смогли использовать PAM для диагностики эндометриоза у крыс.

Показывает глубину проникновения света через кожу человека.

Лазерная терапия низкого уровня (НИЛТ)

Хотя эффективность низкоинтенсивной лазерной терапии (НИЛТ) несколько спорна, эту технологию можно использовать для лечения ран путем восстановления тканей и предотвращения их гибели. Однако более поздние исследования показывают, что НИЛТ более полезна для уменьшения воспаления и облегчения хронической боли в суставах. Кроме того, считается, что НИЛТ может оказаться полезным при лечении тяжелых черепно-мозговых травм или травм, 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 прыщей 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 возможность лечения рака глубоких тканей.

Наночастицы, введенные в опухоль для фототермической терапии

Фототермическая терапия

Фототермическая терапия чаще всего использует наночастицы из благородного металла для преобразования света в тепло. Наночастицы спроектированы так, чтобы поглощать свет в диапазоне 700–1000 нм, при котором 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 в организме.

ЛАДА

Резонансная передача энергии флуоресценции, также известная как резонансная передача энергии Фёрстера (FRET в обоих случаях), представляет собой термин, обозначающий процесс, в котором два возбужденных «флуорофора» передают энергию друг другу безызлучательно (т. е. без обмена фотоном). Тщательно выбирая возбуждение этих флуорофоров и обнаруживая излучение, FRET стал одним из наиболее широко используемых методов в области биофотоники, давая ученым возможность исследовать субклеточную среду.

Биофлуоресценция

Биофлуоресценция описывает поглощение ультрафиолетового или видимого света и последующую эмиссию фотонов на более низком энергетическом уровне (возбужденное состояние S_1 релаксирует до основного состояния S_0) собственными флуоресцентными белками или синтетическими флуоресцентными молекулами, ковалентно связанными с интересующим биомаркером. Биомаркеры представляют собой молекулы, указывающие на заболевание или дистресс, и их обычно контролируют 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, или мокрота. Стимулирующий свет возбуждает электрон, поднимая энергию до нестабильного уровня. Эта нестабильность неблагоприятна, поэтому возбужденный электрон возвращается в стабильное состояние почти так же сразу, как он становится нестабильным. Временная задержка между возбуждением и повторным излучением, возникающая при возвращении 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, испускаемый фотон имеет более короткую длину волны). как это регулируется Отношение Планка-Эйнштейна $E={\frac {hc}{\lambda }}$), чем поглощенный возбуждающий свет. Этот возврат к стабильности соответствует высвобождению избыточной энергии в виде флуоресцентного света. Это излучение света можно наблюдать 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. Биофлуоресценцию часто путают со следующими формами биотического света: биолюминесценцией и биофосфоресценцией.

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 природной среды.

Биофосфоресценция

Биофосфоресценция похожа на биофлуоресценцию тем, что ей требуется свет определенной длины волны в качестве источника энергии возбуждения. Разница здесь заключается в относительной стабильности заряженного электрона. В отличие от биофлуоресценции, здесь электрон сохраняет стабильность в запрещенном триплетном состоянии (неспаренные спины) с более длительной задержкой в ​​излучении света, в результате чего он продолжает «светиться в темноте» даже 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 опирается на лазерный свет, а интеграция с биологическими системами рассматривается как многообещающий путь к совершенствованию методов зондирования и визуализации. Биолазеры, как и любые лазеры, требуют трех компонентов: усиливающей среды, структуры оптической обратной связи и источника накачки. В качестве усиливающей среды в различных лазерных структурах можно использовать различные флуоресцентные белки природного происхождения. Заключение структуры оптической обратной связи в клетке было продемонстрировано с использованием клеточных вакуолей. а также использование полностью закрытых лазерных систем, таких как полимерные микросферы, легированные красителями, или полупроводниковые нанодисковые лазеры.

Источники света

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

Лазеры

Лазеры играют все более важную роль в биофотонике. Их уникальные 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 широкого круга поставщиков.

Газовые лазеры

Основные газовые лазеры, используемые в биофотонике, и их наиболее важные длины волн:

- Аргоно-ионный лазер : 457,8 нм, 476,5 нм, 488,0 нм, 496,5 нм, 501,7 нм, 514,5 нм (возможна многолинейная работа)

- 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 (CO ₂ ), монооксиде углерода, азоте, кислороде, ксенон-ионах, эксимерных лазерах 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, идеальное качество луча и низкая ширина линии/высокая когерентность. Лазеры на ионах аргона также могут работать в многолинейном режиме. Основными недостатками являются высокое энергопотребление, генерация механического шума из-за вентиляторного охлаждения 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 в диодных лазерах в биофотонике, основаны на полупроводниковом материале GaN или GaAs. GaN охватывает спектр длин волн от 375 до 488 нм (недавно были анонсированы коммерческие продукты с длиной волны 515 нм), тогда как GaAs охватывает 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 классах:

- Односторонний излучатель/широкая полоса/широкая площадь

- Поверхностный излучатель/VCSEL

- Краевой излучатель/гребневый волновод

- Стабилизированная решетка (FDB, DBR, ECDL)

В биофотонных приложениях наиболее часто используемыми лазерными диодами являются краевые/гребневые волноводные диоды, которые имеют одну поперечную моду и могут быть оптимизированы для получения почти идеального качества луча TEM00. Благодаря небольшому размеру резонатора цифровая модуляция может быть очень быстрой (до 500 МГц). Длина когерентности низкая (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 увеличится до нескольких метров, тогда как ширина линии упадет значительно ниже пикометров (пм). Биофотонные приложения, в которых используются эти характеристики, - это рамановская спектроскопия (требуется ширина линии ниже см-1) и спектроскопическое определение 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, их часто не включают в термин «твердотельные лазеры».) Ионно-легированные твердотельные лазеры (также иногда называемые лазерами на легированных изоляторах) могут быть изготовлены в виде объемных лазеров. лазеры, волоконные лазеры или другие типы волноводных лазеров. Твердотельные лазеры могут генерировать выходную мощность от нескольких милливатт до (в мощных версиях) многих киловатт.

Ультрахромные лазеры

Многие передовые приложения в биофотонике требуют индивидуально выбираемого света на нескольких длинах волн. В результате был внедрен ряд новых лазерных технологий, которым сейчас требуется точная формулировка.

Наиболее часто используемая терминология — лазеры суперконтинуума , которые одновременно излучают видимый свет в широком спектре. Затем этот свет фильтруется, например, с помощью акустооптических модуляторов (AOM, AOTF) на одну или до восьми различных длин волн. Типичными поставщиками этой технологии были NKT Photonics или Fianium. Недавно NKT Photonics купила Фианиум, оставаясь основным поставщиком технологий 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 автофокусировки и имеет спектральную чистоту без фона.

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

Охваченные источники

Источники с качающейся частотой предназначены для непрерывного изменения («развертки») частоты излучаемого света во времени. Обычно они непрерывно проходят через заранее определенный диапазон частот (например, 800 +/- 50 нм). Продемонстрированы качающиеся источники в терагерцовом режиме. Типичным применением качающихся источников в биофотонике является визуализация оптической когерентной томографии (ОКТ) .

ТГц источники

Колебательная спектроскопия в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот, 0,1–10 ТГц, представляет собой быстро развивающийся метод определения 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, отличающиеся от источников когерентного света (лазеров) и источников теплового света (таких как лампы накаливания и ртутные лампы), которые излучают свет в виде отдельных частиц или фотонов.