биофотоника что это такое
Биофотоника
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]
Содержание
Приложения [ править ]
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 диагностика и диагностика на основе FT-IR [ править ]
Рамановская спектроскопия и ИК-Фурье спектроскопия могут применяться по-разному для улучшения диагностики. [7] [8] Например:
Другие приложения [ править ]
Дерматология [ править ]
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 единственной неинвазивной техникой, доступной для 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. [5]
«Среди оптических методов, новая технология визуализации, основанная на лазерном сканировании, оптическая когерентная томография или ОКТ-визуализация, считается полезным инструментом для дифференциации здоровой ткани кожи от злокачественной». [ требуется указание авторства ] Информация становится доступной сразу и исключает необходимость иссечения кожи. [5] Это также устраняет необходимость обработки образцов кожи в лаборатории, что снижает затраты на рабочую силу и время обработки.
Оптический пинцет [ править ]
Лазерный микроскальпель [ править ]
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 сложных операциях, затрагивающих такие области, как глаза и голосовые связки. [10]
Фотоакустическая микроскопия (PAM) [ править ]
Лазерная терапия низкого уровня (LLLT) [ править ]
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. [12]
Фотодинамическая терапия (ФТ) [ править ]
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. 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]
Фототермическая терапия [ править ]
FRET [ править ]
Биофлуоресценция [ править ]
Биолюминесценция [ править ]
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 [ править ]
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 [ править ]
Источники света [ править ]
Лазеры [ править ]
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 [ править ]
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 (СО2), 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, отличное качество луча и низкая 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 [ править ]
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 Твердотельные лазеры [ править ]
Ультрахромные лазеры [ править ]
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.
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».