Кіріспе

тірі тіндерден фотондардың спонтанды, төмен деңгейдегі эмиссиясы. Биофотоника термині биология мен фотониканың үйлесімін білдіреді, фотоника – фотондардың, жарықтың кванттық бірліктерінің генерациясы, манипуляциясы және анықталуының ғылымы және технологиясы. Фотоника электроникамен және фотондармен байланысты. Фотондар, электрондар сияқты, талшықты оптика сияқты ақпараттық технологияларда орталық рөл атқарады. Биофотониканы «биологиялық молекулаларды, жасушаларды және тіндерді зерттеу үшін оптикалық техникаларды, әсіресе бейнелеуді дамыту және қолдану» деп сипаттауға болады. Биофотониканы құрайтын оптикалық техникаларды қолданудың басты артықшылығы – зерттеліп жатқан биологиялық жасушалардың қалыпты күйін сақтау. Сондықтан биофотоника биологиялық нысандар мен фотондардың өзара әрекеттесуімен айналысатын барлық техникалар үшін орнықты, жалпы термин болып табылады. Бұл биомолекулалық, жасушалық, тіндік, организмдік және биоматериалдық сәулеленудің эмиссиясы, анықталуы, сіңірілуі, шағылысуы, модификациясы және жасалуын қамтиды. Қолданылу салалары: өмір ғылымдары, медицина, ауыл шаруашылығы және экологиялық ғылымдар. «Электр» және «электроника» арасындағы айырмашылыққа ұқсас, энергияны беру үшін жарықты қолданатын терапия және хирургия сияқты қолданыстар мен затты қоздыру және операторға ақпарат беру үшін жарықты қолданатын диагностика сияқты қолданыстар арасында айырма жасауға болады. Көп жағдайда биофотоника термині соңғы қолданыс түріне қатысты.

Қолданбалар

Биофотоника – тірі организмдердегі тіндер, жасушалар, жасуша ішіндегі құрылымдар және молекулалар сияқты биологиялық материалдар мен электромагниттік сәулеленудің өзара әрекеттесуін зерттейтін салааралық ғылым. Биофотониканың соңғы зерттеулері сұйықтықтар, жасушалар және тіндерді қолданатын клиникалық диагностика және емдеудің жаңа тәсілдерін жасады. Бұл жетістіктер ғалымдар мен дәрігерлерге қан тамырлары мен қан ағынының жақсырақ, инвазивті емес диагностикасын жүргізуге, сондай-ақ тері зақымдануларын тиімді тексеруге мүмкіндік береді. Жаңа диагностикалық құралдармен қатар, биофотоника зерттеулерінің нәтижесінде жаңа фототермиялық, фотодинамикалық және тіндік терапия түрлері пайда болды.

Дерматология

Жарық пен биологиялық материалдардың көптеген және күрделі өзара әрекеттесулерін бақылау арқылы биофотоника саласы медицина қызметкерлері қолдана алатын ерекше диагностикалық техникалар жиынтығын ұсынады. Биофотоникалық бейнелеу дерматология саласына тері қатерлі ісігін диагностикалау үшін қолжетімді жалғыз инвазивті емес техниканы ұсынады. Тері қатерлі ісігін диагностикалаудың дәстүрлі әдістері көру арқылы бағалау және биопсияны қамтиды, бірақ жаңа лазерлік флуоресценциялық спектроскопия техникасы дерматологтарға пациенттің терісінің спектрограммаларын қатерлі тіндерге сәйкес спектрограммалармен салыстыруға мүмкіндік береді. Бұл дәрігерлерге ертерек диагноз қою және емдеу мүмкіндіктерін ұсынады.

Лазерлік микроскальпель

Лазерлік микроскальпель – флуоресценциялық микроскопия мен фемтосекундтық лазердің үйлесімі. Остиндегі Техас университетінің зерттеушілері патент алған бұл технология, хирургтарға көзге және дауыс жолдары сияқты сезімтал аймақтардағы күрделі операцияларда, айналадағы сау жасушаларды бұзбастан немесе зақымдамай, ауру немесе зақымдалған жасушаларды алып тастауға мүмкіндік береді. Зерттеушілер сонымен қатар, егеуқұйрықтарда эндометриозды диагностикалау үшін ПАМ-ды пайдаланды.

Фотодинамикалық терапия (ФТ)

Фотодинамикалық терапия (ФДТ) фотосинтездеуші химиялық заттар мен оттегіні пайдаланып, жасушаның жарыққа реакциясын тудырады. Оны қатерлі ісік жасушаларын өлтіруге, акнемен күресуге және іздерді азайтуға болады. ФДТ бактерияларды, вирустарды және көмекей саңырауқұлақтарын да жоя алады. Бұл технология ұзақ мерзімді жағымсыз әсерлері жоқ немесе азырақ ем беруге мүмкіндік береді, хирургиялық араласудан гөрі аз инвазивті және сәулеленуге қарағанда жиі қайталауға болады. Дегенмен, емдеу тек жарыққа ұшырауы мүмкін беткейлер мен мүшелерге ғана шектеледі, бұл терең тіндердегі қатерлі ісіктерді емдеуге кедерес келтіреді.

Фототермиялық терапия

Фототермиялық терапия көбінесе жарықты жылуға айналдыру үшін асыл металдан жасалған нанобөлшектерді пайдаланады. Нанобөлшектер адам денесінің оптикалық түрде мөлдір болатын 700-1000 нм диапазонындағы жарықты сіңіруге қалыптастырылған. Бөлшектерге жарық түскен кезде олар қызып, гипертермия арқылы қоршаған жасушаларды бұзады немесе жояды. Қолданылатын жарық тіндермен тікелей әрекеттеспейтіндіктен, фототермиялық терапияның ұзақ мерзімді қосымша әсерлері азырақ және оны денедегі терең орналасқан қатерлі ісіктерді емдеу үшін қолдануға болады.

ЖЕКТІК

Флуоресценттік резонанстық энергияны беру, сондай-ақ Фёрстер резонанстық энергияны беру (екеуі де FRET деп аталады) – екі қоздырылған "флуорофордың" бір-біріне сәуле шығармай (яғни, фотон алмастырмай) энергияны беру процесін білдіреді. Бұл флуорофорларды қоздыруды мұқият таңдап және олардың эмиссиясын анықтау арқылы FRET биофотоника саласында ең көп қолданылатын техникалардың біріне айналды, ғалымдарға жасуша ішіндегі ортаны зерттеуге мүмкіндік береді.

Биофлуоресценция

Биофлуоресценция – ультракүлгін немесе көрінетін жарықтың сіңірілуі және ішкі флуоресцентті ақуыздар немесе қызығушылық тудыратын биомаркерге ковалентті байланысқан синтетикалық флуоресцентті молекулалар арқылы төменгі энергетикалық деңгейде фотондардың шығарылуын (S1 қозған күйі S0 негізгі күйіне дейін) сипаттайды. Биомаркерлер – ауруды немесе стресті көрсететін молекулалар және әдетте тірі организмде жүйелі түрде, немесе микроскопия үшін ex vivo тіндік үлгі арқылы, немесе in vitro: қанда, зәрде, терде, сілекейде, интерстициалдық сұйықтықта, көздің сулы юморында немесе қақырықта бақыланады. Қоздырғыш жарық электронды қоздырып, энергияны тұрақсыз деңгейге көтереді. Бұл тұрақсыздық қолайсыз болғандықтан, энергия алған электрон тұрақсыз болғаннан кейін дерлік бірден тұрақты күйге оралады. Тұрақты негізгі күйге оралған кезде болатын қозу мен қайта шығару арасындағы уақыт кешіктірілуі, қайта шығарылған фотонның түсін өзгеше етеді (яғни, ол төменгі энергияға дейін демалады, сондықтан шығарылған фотон Планк-Эйнштейн қатынасына сәйкес қысқа толқын ұзындығында болады) сіңірілген қоздырғыш жарықтан. Бұл тұрақтылыққа оралу флуоресценттік жарық түрінде артық энергияның босатылуымен сәйкес келеді. Бұл жарық эмиссиясы тек қоздырғыш жарық флуоресцентті молекулаға фотондарды жеткізіп тұрғанда ғана байқалады және әдетте көк немесе жасыл жарықпен қоздырылып, күлгін, сары, қызғылт сары, жасыл, көк немесе қызыл түстерде шығарады. Биофлуоресценция жиі биотикалық жарықтың келесі түрлерімен шатастырылады: биолюминесценция және биофосфоресценция.

Биолюминесценция

Биолюминесценция биофлуоресценциядан айырмашылығы, ол организм ішіндегі химиялық реакциялар арқылы жарықтың табиғи өндірісі болып табылады, ал биофлуоресценция мен биофосфоресценция – табиғи ортадан жарықты сіңіріп, қайта сәулелендіру.

Биофосфоресценция

Биофосфоресценция биофлуоресценцияға ұқсас, себебі қоздыру энергиясын жеткізу үшін белгілі бір толқын ұзындығындағы жарық қажет. Айырмашылық энергия алған электронның салыстырмалы тұрақтылығында. Биофлуоресценциядан өзгеше, мұнда электрон тыйым салынған үштік күйде (жұп спиндері жоқ) тұрақты болады, нәтижесінде жарық шығару кешігіп, стимуляциялық жарық көзі алынып тасталған соң да "қараңғыда жарқырау" жалғасады.

Биолазерлеу

Биолазер – лазерлік сәуле тірі жасуша арқылы немесе оның ішінде туындайтын құбылыс. Биофотоникадағы бейнелеу көбінесе лазерлік сәулеге негізделеді, ал биологиялық жүйелермен интеграциялау сенсорлық және бейнелеу техникаларын жетілдірудің үміт беретін жолы деп есептеледі. Биолазерлер, кез келген лазер сияқты, үш компонентті қажет етеді: күшейткіш орта, оптикалық кері байланыс құрылымы және сорғы көзі. Күшейткіш орта ретінде әртүрлі табиғи флуоресцентті ақуыздарды әртүрлі лазерлік құрылымдарда пайдалануға болады. Оптикалық кері байланыс құрылымын жасуша ішінде жасушалық вакуольдерді пайдалану арқылы, сондай-ақ бояу қосылған полимерлік микросфералар немесе жартылай өткізгіш нанодискілер сияқты толық жабық лазерлік жүйелерді қолдану арқылы орнату мүмкіндігі көрсетілді.

Жарық көздері

Ең көп қолданылатын жарық көздері – сәулелі шамдар. Жарықдиодтар (LED) және суперлюминесцентті диодтар да маңызды рөл атқарады. Биофотоникада қолданылатын әдеттегі толқын ұзындығы 600 нм (көрінетін) және 3000 нм (жақын инфрақызыл) аралығында болады.

Лазерлер

Лазерлер биофотоникадағы маңыздылығын арттырып келеді. Олардың өзіне тән ерекше қасиеттері – нақты толқын ұзындығын таңдау мүмкіндігі, ең кең толқын ұзындығы диапазоны, ең жоғары фокусталу қабілеті және осының нәтижесінде ең жақсы спектрлік ажыратымдылық, жоғары қуат тығыздығы және кең қоздыру уақыттарының спектрі – оларды көптеген қолданыстар үшін ең әмбебап жарық құралына айналдырады. Осының салдарынан, бүгінде нарықта көптеген жеткізушіден әртүрлі лазерлік технологияларды кездестіруге болады.

Қатты күйдегі лазерлер

Қатты күйдегі лазерлер – сирек жер элементтерімен немесе өтпелі металл иондары қосылған кристалдар немесе шынылар сияқты қатты күйдегі күшейткіш ортаға негізделген лазерлер, немесе жартылай өткізгіш лазерлер. (Жартылай өткізгіш лазерлер, әрине, қатты күйдегі құрылғылар болғанымен, олар көбінесе "қатты күйдегі лазерлер" терминіне кірмейді.) Иондармен қосылған қатты күйдегі лазерлер (кейде қосылған изоляторлы лазерлер деп те аталады) массивтік лазерлер, талшықты лазерлер немесе басқа да толқын жетекші лазерлер түрінде жасалуы мүмкін. Қатты күйдегі лазерлер бірнеше милливатттан (құатты нұсқаларында) көптеген киловаттқа дейін шығыс қуатын тудыра алады.

Ультрахромды лазерлер

Биофотониканың көптеген озық қолданбалары бірнеше толқын ұзындығында жеке таңдалатын жарықты қажет етеді. Осының салдарынан, дәл терминологияны іздеп табу қажеттілігі туындаған бірқатар жаңа лазерлік технологиялар енгізілді. Көбінесе қолданылатын терминология – кең спектрде бір мезгілде көрінетін жарық шығаратын суперконтинуумды лазерлер. Бұл жарық, мысалы, акусто-оптикалық модуляторлар (AOM, AOTF) арқылы 1-ден 8 түрлі толқын ұзындығына дейін сүзіледі. Бұл технологияны жеткізушілердің бірі NKT Photonics немесе Fianium болды. Жақында NKT Photonics компаниясы Fianium компаниясын сатып алды, нәтижесінде нарықтағы суперконтинуум технологиясының басты жеткізушісі болып қала берді. Тағы бір тәсіл бойынша суперконтинуум инфрақызыл сәулеленуде жасалады, содан кейін бір таңдалыныс толқын ұзындығында көрінетін режимге түрлендіріледі. Бұл тәсілге AOTF қажет емес және спектрлік тазалығы фондық бұзылыстарсыз болады. Екі концепция да биофотоника үшін маңызды болғандықтан, "ультрахромды лазерлер" деген жалпы термин жиі қолданылады.

Таралған көздер

Жылжымалы көздер шығарылатын жарық жиілігін уақыт бойынша үздіксіз өзгертуге ('шолуға') арналған. Олар әдетте алдын ала белгіленген жиілік диапазонында (мысалы, 800 ± 50 нм) үздіксіз айналады. Терагерц диапазонындағы жылжымалы көздер көрсетілген. Биофотоникада жылжымалы көздердің кең таралған қолданысы – оптикалық когерентті томография (ОКТ) бейнелеуі.

ТГц көздері

Терагерц (THz) жиілік диапазонындағы тербеліс спектроскопиясы, 0.1–10 THz, биологиялық молекулалар мен түрлерді анықтау үшін жылдам дамып келе жатқан әдіс. 20 жылдан астам уақыттан бері теориялық зерттеулер осы диапазондағы биологиялық молекулалардың жұтылу (немесе өту) спектрлерінде көптеген резонанстар болатынын болжады. ТГц сәулеленуі төмен жиілікті ішкі молекулалық тербелістермен әрекеттеседі, осы тербелістерді қозады.

Бір фотондар көздері

Бір фотондық көздер – жарық көздерінің жаңа түрі, олар когерентті жарық көздерінен (лазерлерден) және жылулық жарық көздерінен (мысалы, шамдар мен сынап бу шамдарынан) ерекшеленеді, бұл көздер жарықты жеке бөлшектер немесе фотондар түрінде шығарады.