Биофотоника - Biophotonics

Для спонтанного низкоуровневого излучения фотонов из живых тканей см. Биофотон.

Период, термин биофотоника^[1] обозначает комбинацию биология и фотоника, при этом фотоника - это наука и технология генерации, манипулирования и обнаружения фотоны, квант единицы свет. Фотоника связана с электроника и фотоны. Фотоны играют центральную роль в информационных технологиях, таких как волоконная оптика. электроны делать в электронике.

Биофотонику также можно охарактеризовать как «развитие и применение оптических методов, в частности визуализации, для изучения биологических молекул, клеток и тканей».^[2] Одним из основных преимуществ использования оптических методов, составляющих биофотонику, является то, что они сохраняют целостность исследуемых биологических клеток.^[3][4]

Таким образом, биофотоника стала общепризнанным общим термином для всех методов, связанных 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: наука о жизни, лекарство, сельское хозяйство, и наука об окружающей среде. Похоже на различие между "электрический " и "электроника, "можно различать такие приложения, как терапия и хирургия, которые используют свет в основном для передачи энергии, и такие приложения, как диагностика, которые используют свет для возбуждения вещества и передачи информации обратно 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.^[5]

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.^[6]

Рамановская и FT-IR диагностика

Пример использования комбинационного рассеяния для идентификации бактерий

Раман и FTIR Спектроскопия может применяться по-разному для улучшения диагностики.^[7][8] Например:

1. Определение бактериальных и грибковых инфекции
2. Ткань опухоль оценка в: кожа, печень, кости, мочевой пузырь и Т. Д.
3. Идентификация устойчивость 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 дает возможность дерматология с помощью единственного доступного неинвазивного метода диагностики рака кожи. Традиционные диагностические процедуры рака кожи включают визуальную оценку и биопсию, но новые лазерно-индуцированная флуоресценция метод спектроскопии позволяет дерматологам сравнивать спектрографы кожи пациента с помощью спектрографов, которые, как известно, соответствуют злокачественной ткани. Это предоставляет врачам более ранний диагноз и варианты лечения.^[5]

"Среди оптических методов новая технология визуализации, основанная на лазерном сканировании, оптической когерентной томографии или ОКТ-визуализация считается полезным инструментом для дифференциации здоровой ткани кожи от злокачественной ».^{[необходима атрибуция ]} Информация сразу доступна и устраняет необходимость в иссечении кожи.^[5] Это также устраняет необходимость обработки образцов 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 выставления наночастицы которые были окрашены флуоресцентным веществом на приемлемые световые фотоны.^[6] Наночастицы, функционализированные флуоресцентными красителями и белками-маркерами, будут собираться в выбранном типе ткани. Когда частицы подвергаются воздействию света 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 диэлектрофоретические микроматрицы, наночастицы и биомаркеры ДНК были быстро изолированы и сконцентрированы в определенных микроскопических местах, где они были легко обнаружены эпифлуоресцентной микроскопией».^{[необходима атрибуция ][5]}

Оптический пинцет

Оптический пинцет (или ловушки) - это научные инструменты, используемые для управления микроскопическими частицами, такими 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.^[9]

Лазерный микро-скальпель

Лазерные микроскальпели представляют собой комбинацию флуоресцентной микроскопии и фемтосекундного лазера, «способного проникать в ткань на глубину до 250 микрометров и воздействовать на отдельные клетки в трехмерном пространстве».^[10] Технология, запатентованная исследователями из Техасского университета в Остине, означает, что хирурги могут вырезать больные или поврежденные клетки, не нарушая и не повреждая здоровые окружающие клетки, в деликатных операциях, затрагивающих такие области, как глаза и голосовые связки.^[10]

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».^[11] Исследователи также смогли использовать PAM для диагностики эндометриоза у крыс.^[6]

Показывает глубину проникновения света через кожу человека.

Лазерная терапия низкого уровня (НИЛТ)

Несмотря на то что низкоинтенсивная лазерная терапия (LLLT) эффективность несколько спорна, технология может использоваться 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.^[12]

Фотодинамическая терапия (ФТ)

Фотодинамическая терапия (PT) 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 операция, и может повторяться чаще, чем облучение. Однако лечение ограничивается поверхностями и органами, которые могут подвергаться воздействию света, что исключает лечение рака глубоких тканей.^[13]

Наночастицы, введенные в опухоль для фототермической терапии

Фототермическая терапия

Фототермическая терапия Чаще всего для преобразования света в тепло используются наночастицы из благородного металла. Наночастицы разработаны для поглощения света в диапазоне 700-1000 нм, в котором находится человеческое тело. оптически прозрачный. Когда на частицы попадает свет, они нагреваются, разрушая или разрушая окружающие клетки посредством гипертермии. Поскольку используемый свет не взаимодействует с тканями напрямую, фототермическая терапия имеет мало долгосрочных побочных эффектов и может использоваться для лечения рака глубоко внутри тела.^[14]

FRET

Флуоресцентный резонансный перенос энергии, также известный как Фёрстеровский резонансный перенос энергии (FRET в обоих случаях) - это термин, обозначающий процесс, при котором два возбужденных «флуорофора» передают энергию один другому без излучения (то есть без обмена фотоном). Благодаря тщательному выбору возбуждения этих флурофоров и регистрации 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 последующее испускание 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 - это молекулы, указывающие на заболевание или дистресс, и обычно они контролируются системно в живом организме или с помощью ex vivo образец ткани для микроскопии, или in vitro: в крови, моче, поте, слюне, интерстициальной жидкости, водянистой влаге или мокроте. Стимулирующий свет возбуждает электрон, повышая энергию до нестабильного уровня. Эта нестабильность неблагоприятна, поэтому электрон под напряжением возвращается в стабильное состояние почти сразу же, как и становится нестабильным. Временная задержка между возбуждением и повторным излучением, которая возникает 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, излучаемый фотон имеет более короткую длину волны, как регулируется Соотношение Планка-Эйнштейна${\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}}$), чем поглощенный возбуждающий свет. Этот возврат 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.

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 аналогична биофлуоресценции 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 среды усиления, структуры оптической обратной связи и источника накачки. В качестве усиливающей среды в различных лазерных структурах можно использовать множество естественных флуоресцентных белков.^[15] Заключение структуры оптической обратной связи в клетку было продемонстрировано с использованием клеточных вакуолей,^[16] а также использование полностью закрытых лазерных систем, таких как полимерные микросферы, легированные красителем,^[17] или лазеры на полупроводниковых нанодисках. ^[18]

Источники света

Преимущественно используемые источники света: луч света. Светодиоды и суперлюминесцентные диоды также играют важную роль. Типичные длины волн, используемые в биофотонике, составляют от 600 нм (видимый) до 3000 нм (близкий к ИК ).

Лазеры

Лазеры играют все более важную роль в биофотонике. Их уникальные внутренние свойства, такие как точный выбор длины волны, широчайший 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:

- Аргоновый ионный лазер: 457,8 нм, 476,5 нм, 488,0 нм, 496,5 нм, 501,7 нм, 514,5 нм (возможна многострочная 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 (CO2), монооксиде углерода, азоте, кислороде, ксенон-ионах, эксимерных лазерах или на парах металлов, не имеют или имеют очень незначительное значение в биофотонике. Основным преимуществом газовых лазеров в биофотонике является их фиксированная длина волны, их отличное качество луча и их малая ширина линии / высокая когерентность. Лазеры на ионах аргона также могут работать в многолинейном режиме. Основным недостатком является высокое энергопотребление, возникновение механического шума из-за охлаждения вентилятора и ограниченная мощность лазера. Основными поставщиками являются Coherent, CVI / Melles Griot, JDSU, Lasos, LTB и Newport / Spectra Physics.

Диодные лазеры

Наиболее часто интегрируемые лазерные диоды, которые используются для диодные лазеры в биофотонике - на основе полупроводникового материала 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 классах:

- Односторонний излучатель / широкая полоса / широкая область

- Поверхностный излучатель / VCSEL

- Краевой излучатель / гребневидный волновод

- Решетка стабилизированная (FDB, DBR, ECDL)

Для биофотонных приложений чаще всего 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). Основные поставщики: Последовательный, Меллес Грио, Омикрон, Toptica, JDSU, Ньюпорт, Oxxius, Power Technology. Решетчатые стабилизированные диодные лазеры имеют встроенную литографическую решетку (DFB, DBR) или 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 представляют собой 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 массивных лазеры, волоконные лазеры или другие типы волноводных лазеров. Твердотельные лазеры могут генерировать выходную мощность от нескольких милливатт до (в версиях с высокой мощностью) многих киловатт.

Ультрахромные лазеры

Многие передовые приложения в биофотонике требуют индивидуально выбираемого света с несколькими длинами волн. Как следствие, был представлен ряд новых лазерных технологий, которые в настоящее время требуют точных формулировок.

Наиболее часто используемая терминология: суперконтинуум лазеры, которые одновременно излучают видимый свет в широком спектре. Затем этот свет фильтруется, например, через акустооптические модуляторы (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,^[19] оставаясь основным поставщиком суперконтинуум технологии 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: оптическая когерентная томография (ОКТ) визуализация.

Источники ТГц

Колебательная спектроскопия в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот, 0,1–10 ТГц, является быстро развивающейся техникой 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 представляют собой новые типы источников света, отличные от источников когерентного света (лазеров) и тепловых источников света (например, ламп накаливания и ртутных ламп), которые излучают свет в виде отдельных частиц или фотонов.

Рекомендации

1. Попп, Юрген; Тучин, Валерий; Чиу, Артур; Хайнеманн, Стефан Х. (редакторы) (2011), Справочник по биофотонике. Том 1: Основы и методы, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, стр. 686, г. ISBN  978-3-527-41047-7
2. Года, Кейсуке (2019). «Биофотоника и не только». APL Photonics. 4 (5): 050401. Bibcode:2019APLP .... 4e0401G. Дои:10.1063/1.5100614. ISSN  2378-0967.
3. Лондонский центр биофотоники Королевского колледжа
4. SPIE (2015). «Пленарное заседание Габриэля Попеску: Соединение молекулярной и клеточной биологии с оптикой». Отдел новостей SPIE. Дои:10.1117/2.3201503.18.
5. Дрейшу, Таня; Гатева, Санька; Даскалова, Албена; Серафетинидес, Александрос, ред. (2017-01-05). Биофотоника для визуализации и манипуляции с клетками: quo vadis?. 19-я Международная конференция и школа по квантовой электронике: лазерная физика и приложения. 10226. Международное общество оптики и фотоники. п. 1022613. Дои:10.1117/12.2263036. S2CID  136053006.
6. Краффт, Кристоф (2016). «Современные тенденции в биофотонике для клинической диагностики и терапии для решения неудовлетворенных клинических потребностей». Журнал биофотоники. 9 (11–12): 1362–1375. Дои:10.1002 / jbio.201600290. PMID  27943650.
7. B, Лоренц; C, Wichmann; S, Штёкель; P, Rösch; Дж. Попп (май 2017 г.). "Рамановские спектроскопические исследования бактерий без культивирования". Тенденции в микробиологии. 25 (5): 413–424. Дои:10.1016 / j.tim.2017.01.002. PMID  28188076.
8. S, Пахлоу; К. Вебер; J, Попп; Br, дерево; К, Кочан; А, Рютер; D, Перес-Гуайта; P, Heraud; N, Stone (сентябрь 2018 г.). «Применение вибрационной спектроскопии и визуализации в медицине в местах оказания медицинской помощи: обзор». Прикладная спектроскопия. 72 (1_suppl): 52–84. Дои:10.1177/0003702818791939 (неактивно 01.09.2020). ЧВК  6524782. PMID  30265133.
9. «Block lab - Оптический пинцет». blocklab.stanford.edu. Получено 2017-12-05.
10. «BioTechniques - НОВОСТИ: Новый лазерный микроскальпель для нацеливания на больные клетки». biotechniques.com. Архивировано из оригинал на 2017-12-06. Получено 2017-12-05.
11. Яо, Цзюньцзе; Ван, Лихонг В. (2014-06-01). «Чувствительность фотоакустической микроскопии». Фотоакустика. 2 (2): 87–101. Дои:10.1016 / j.pacs.2014.04.002. ЧВК  4182819. PMID  25302158.
12. Чанг, Хун; Дай, Тяньхун; Sharma, Sulbha K .; Хуан Инь-Инь; Кэрролл, Джеймс Д .; Хэмблин, Майкл Р. (февраль 2012 г.). "Гайки и гайки низкоуровневой лазерной (световой) терапии". Анналы биомедицинской инженерии. 40 (2): 516–533. Дои:10.1007 / s10439-011-0454-7. ISSN  0090-6964. ЧВК  3288797. PMID  22045511.
13. «Фотодинамическая терапия». Cancer.org. Получено 2017-12-05.
14. Ли, Цзин-Лян (июль – август 2010 г.). "Фототермическая терапия рака с применением наночастиц золота". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 16 (4): 989–996. Bibcode:2010IJSTQ..16..989L. Дои:10.1109 / JSTQE.2009.2030340. HDL:1959.3/74995. S2CID  27216810.
15. Собери, Malte C .; Юн, Сок Хён (12 июня 2011 г.). «Биологические одноклеточные лазеры». Природа Фотоника. 5 (7): 406–410. Bibcode:2011НаФо ... 5..406Г. Дои:10.1038 / НПХОТОН.2011.99.
16. Хумар, Матяж; Хён Юн, Сок (27 июля 2015 г.). «Внутриклеточные микролазеры». Природа Фотоника. 9 (9): 572–576. Bibcode:2015НаФо ... 9..572H. Дои:10.1038 / НПХОТОН.2015.129. ЧВК  4583142. PMID  26417383.
17. Шуберт, Марсель; Steude, Anja; Лием, Филипп; Кроненберг, Нильс М .; Карл, Маркус; Кэмпбелл, Элейн С.; Powis, Simon J .; Собери, Мальте К. (21 июля 2015 г.). "Лазерная генерация в живых клетках, содержащих внутриклеточные оптические микрорезонаторы для маркировки и отслеживания клеток по типу штрих-кода" (PDF). Нано буквы. 15 (8): 5647–5652. Bibcode:2015NanoL..15.5647S. Дои:10.1021 / acs.nanolett.5b02491. HDL:10023/9152. PMID  26186167.
18. Fikouras, Alasdair H .; Шуберт, Марсель; Карл, Маркус; Kumar, Jothi D .; Powis, Simon J .; Ди Фалько, Андреа; Собери, Мальте К. (16 ноября 2018 г.). «Необструктивные внутриклеточные нанолазеры». Nature Communications. 9 (1): 4817. arXiv:1806.03366. Bibcode:2018НатКо ... 9.4817F. Дои:10.1038 / s41467-018-07248-0. ЧВК  6240115. PMID  30446665.
19. «НКТ Фотоникс приобретает Fianium». НКТ Фотоника. 31 марта 2016 г. Архивировано с оригинал на 2016-07-07. Получено 2016-07-04.