فوتونیک راه را برای دریافت جایزه نوبل هموار می کند

فوتونیک راه را برای دریافت جایزه نوبل هموار می کند

وقتی موچین های نوری با زیست شناسی آشنا شدند

شیفتگی طولانی مدت آرتور اشکین به فشار نور، بینش جدیدی را در مورد نیروهای مکانیکی حاکم بر مولکول ها و سلول های بیولوژیکی ایجاد کرد.

ادامه دارد ...

دونا استریکلند

دونا استریکلند، برنده جایزه نوبل فیزیک 2018، یک فیبر نوری را در آزمایشگاه خود در روچستر در سال 1985 تراز کرد. استریکلند همچنین یکی از اعضای OSA و رئیس OSA در سال 2013 است. [دانشگاه روچستر]

جایزه نوبل 2018 در فیزیک

دونا استریکلند

برای اختراعات پیشگامانه در زمینه فیزیک لیزر

برای روش آنها برای تولید پالس های نوری با شدت بالا و فوق کوتاه

سهام جایزه 2018: نیمی به طور مشترک به دونا استریکلند (1/4) و جرارد مورو (1/4) و نیمی دیگر به آرتور اشکین (1/2) اهدا شد.

[درباره جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۸ بیشتر بخوانید]

زندگی: دونا استریکلند متولد 1959، گوئلف، کانادا، یک فیزیکدان نوری کانادایی است.

[درباره دونا استریکلند بیشتر بخوانید]

جایزه نوبل فیزیک 2018

اطلاعیه آکادمی سلطنتی علوم سوئد:

جایزه نوبل فیزیک 2018

آکادمی سلطنتی علوم سوئد تصمیم گرفت جایزه نوبل فیزیک 2018 را اعطا کند

"برای اختراعات پیشگامانه در زمینه فیزیک لیزر"

با یک نیمه به

آرتور اشکین، آزمایشگاه بل، هلمدل، ایالات متحده، "برای موچین های نوری و کاربرد آنها در سیستم های بیولوژیکی"

و نیمی دیگر به طور مشترک به

جرارد مورو، اکول پلی تکنیک، کاخ، فرانسه، دانشگاه میشیگان، آن آربور، ایالات متحده آمریکا

دونا استریکلند، دانشگاه واترلو، کانادا

"به دلیل روش تولید پالس های نوری با شدت بالا و فوق کوتاه"

ابزار ساخته شده از نور

اختراعاتی که امسال مورد تقدیر قرار گرفتند، فیزیک لیزر را متحول کردند. اجسام بسیار کوچک و فرآیندهای فوق العاده سریع اکنون در نور جدیدی دیده می شوند. ابزار دقیق پیشرفته زمینه های تحقیقاتی ناشناخته و بسیاری از کاربردهای صنعتی و پزشکی را باز می کند. آرتور اشکین موچین های نوری را اختراع کرد که ذرات، اتم ها، ویروس ها و سایر سلول های زنده را با انگشتان پرتو لیزر خود می گیرند. این ابزار جدید به اشکین اجازه داد تا یک رویای قدیمی از داستان های علمی تخیلی را تحقق بخشد - استفاده از فشار تابش نور برای حرکت دادن اجسام فیزیکی. او موفق شد نور لیزر را برای فشار دادن ذرات کوچک به سمت مرکز پرتو و نگه داشتن آنها در آنجا بدست آورد. موچین های نوری اختراع شده بود. یک پیشرفت بزرگ در سال 1987 رخ داد، زمانی که اشکین از موچین برای گرفتن باکتری های زنده بدون آسیب رساندن به آنها استفاده کرد. او بلافاصله شروع به مطالعه سیستم‌های بیولوژیکی کرد و موچین‌های نوری اکنون به طور گسترده برای بررسی ماشین‌های زندگی استفاده می‌شوند. جرارد مورو و دونا استریکلند راه را برای کوتاه‌ترین و شدیدترین پالس‌های لیزری که تا به حال توسط بشر ایجاد شده است هموار کردند. مقاله انقلابی آنها در سال 1985 منتشر شد و پایه تز دکترای استریکلند بود. آنها با استفاده از روشی مبتکرانه موفق به ایجاد پالس های لیزری فوق کوتاه با شدت بالا بدون تخریب شدند.

مواد تقویت کننده ابتدا پالس های لیزر را به موقع کشاندند تا حداکثر توان آنها را کاهش دهند، سپس آنها را تقویت کردند و در نهایت آنها را فشرده کردند. اگر یک پالس در زمان فشرده شود و کوتاه‌تر شود، نور بیشتری در همان فضای کوچک جمع می‌شود - شدت پالس به‌طور چشمگیری افزایش می‌یابد. تکنیک تازه اختراع شده استریکلند و مورو، به نام تقویت پالس چیرپ، CPA، به زودی برای لیزرهای با شدت بالا بعدی استاندارد شد. کاربردهای آن شامل میلیون ها عمل جراحی اصلاحی چشم است که هر ساله با استفاده از تیزترین پرتوهای لیزر انجام می شود. حوزه های بی شماری از کاربرد هنوز به طور کامل کشف نشده اند. با این حال، حتی اکنون نیز این اختراعات مشهور به ما اجازه می‌دهند تا با بهترین روحیه آلفرد نوبل در جهان خرد بگردیم - برای بیشترین سود برای نوع بشر.

جایزه نوبل فیزیک 2018

پالس های نوری چیست؟

دانشمندان همیشه برای ایجاد لیزرهای قوی‌تر تلاش می‌کردند، اما در اواسط دهه 1980 به دیوار برخورد کردند: آنها نمی‌توانستند بدون از بین بردن چیزی که پرتو را تقویت می‌کرد، قدرت را افزایش دهند.

سپس دونا استریکلند از کانادا و جرارد مورو فرانسوی، که جایزه نوبل روز سه‌شنبه را نیز به اشتراک گذاشتند، تکنیکی به نام تقویت پالس صدای جیک را ابداع کردند که به دانشمندان اجازه می‌دهد در عین حفظ شدت شدت، به تقویت قدرت ادامه دهند.

این کار با کشش یک پالس لیزر فوق کوتاه در زمان، تقویت آن و فشرده کردن مجدد آن به هم کار می‌کند و کوتاه‌ترین و شدیدترین پالس‌های لیزری را ایجاد می‌کند که جهان تاکنون دیده است.

متداول ترین استفاده ای که از این پیشرفت حاصل شده است - تا کنون - جراحی اصلاحی چشم است.

ماسگریو گفت، اما همچنین راه را برای دانشمندان باز کرد تا مرزهای قدرت لیزر را ادامه دهند و به آنها اجازه داد تا شرایط شدیدی را برای درک چگونگی تولید میدان های مغناطیسی در فضا و چگونگی آن در هسته یک سیاره ایجاد کنند.

پالس ها نیز اکنون بسیار سریع هستند - به سرعت صد آتوثانیه، یک میلیاردم یک میلیاردم ثانیه - آنها اسرار الکترون ها را فاش کرده اند.

بعدش چی؟

Mourou برنده نوبل قدرت لیزر را تقویت نکرده است. او توسعه زیرساخت نور شدید را آغاز کرده و رهبری کرده است، که دارای سه سایت در سراسر اروپا است و انتظار می‌رود تا چند سال دیگر تکمیل شود.

حداکثر توان لیزر آن 10 پتاوات است که معادل یک فلاش بسیار کوتاه از صد هزار میلیارد لامپ است.

پالس ها چقدر قوی و چقدر کوتاه می شوند؟ برخی لیزر آینده 100 پتاوات یا بیشتر، یا به سرعت زپتوثانیه - یک تریلیونم یک میلیاردم ثانیه را پیش بینی می کنند.

پیش‌بینی اینکه چگونه می‌توان از چنین لیزرهایی استفاده کرد دشوار است، اما دانشمندان امیدوارند که آنها به نابودی زباله‌های هسته‌ای، از بین بردن سلول‌های سرطانی، کشف فیزیک کوانتومی، پاکسازی زباله‌های فضا و حتی تبدیل شدن به یک منبع انرژی پاک جدید کمک کنند.

ارائه دو تکنیک لیزر برنده جایزه نوبل فیزیک 2018

ارائه دو تکنیک لیزر برنده جایزه نوبل فیزیک 2018.

موچین های نوری چیست؟

موچین های نوری چیست؟

آرتور اشکین از ایالات متحده برای اختراع موچین های نوری که از فشار تابش یک پرتو متمرکز نور کوچک برای به دام انداختن اجسام بسیار کوچک استفاده می کند، جایزه نوبل را دریافت کرد.

موچین های او به محققان اجازه می دهد اشیا را بدون تماس با آنها بگیرند، برش دهند و در اطراف حرکت کنند، که منجر به کاربردهای بی شماری در بسیاری از زمینه های علم و پزشکی شده است.

ماسگریو گفت، برای مثال، از آنها برای به دام انداختن یک قطره آب برای مطالعه نحوه رفتار آنها در هنگام قرار گرفتن در ابر استفاده شده است، یا قطرات را از دستگاه تنفسی آسم می گیرند تا بفهمند که چگونه می تواند بهتر در داخل ریه ها پراکنده شود.

دستکاری نوری: پیشرفت های بیوفوتونیک در قرن بیست و یکم

 پیشرفت های بیوفوتونیک در قرن بیست و یکم

خلاصه

اهمیت: به دام انداختن نوری تکنیکی است که قادر به اعمال نیروهای جزئی است که برای مطالعاتی که مولکول های منفرد تا میکروارگانیسم ها را در بر می گیرد، اعمال شده است. هدف: هدف این دیدگاه برجسته کردن برخی از پیشرفت‌های اصلی در دهه گذشته در این زمینه است که برای مخاطبان زیست پزشکی مناسب است. رویکرد: ابتدا، تعیین مستقیم نیروها در موچین های نوری و ترکیب تله های نوری و صوتی، که امکان مطالعات در مقیاس های طولی مختلف را فراهم می کند، مورد بحث قرار می گیرد. سپس، مروری بر پیشرفت انجام شده در به دام انداختن مستقیم مولکول‌های تک مولکولی و حتی تک ویروسی و سلول‌های منفرد با نیروهای نوری تشریح می‌شود. در نهایت، جهت‌های آتی برای این روش در بیوفوتونیک مورد بحث قرار می‌گیرد. نتایج: در قرن بیست و یکم، دستکاری نوری قابلیت‌های منحصربه‌فرد خود را گسترش داده است و نه تنها امکان مطالعه دقیق‌تر مولکول‌ها و سلول‌های منفرد را فراهم می‌آورد، بلکه سیستم‌های زنده پیچیده‌تری را نیز ممکن می‌سازد، و بینش بیشتری در مورد فعالیت‌های بیولوژیکی مهم به ما می‌دهد. نتیجه‌گیری: نیروهای نوری نقش بزرگی در چشم‌انداز زیست‌پزشکی ایفا کرده‌اند که منجر به پیشرفت‌های بیولوژیکی جدید استثنایی می‌شود. پیشرفت های مستمر در دنیای تله گذاری نوری مطمئناً منجر به بهره برداری بیشتر از جمله آزمایش های هیجان انگیز in-vivo خواهد شد.

1. معرفی

نیمی از جایزه نوبل فیزیک در سال 2018 به آرتور اشکین برای اختراع پیشگامانه موچین های نوری تعلق گرفت. این کمیته به ویژه تأثیر موچین های نوری (و به طور کلی نیروهای نوری) بر زیست شناسی را تشخیص داد. اولین نمایش اشکین از نیروهای نوری در سال 1970 ارائه شد.1 در آن مطالعه، ذرات بی اثر توسط دو پرتو نوری متضاد با تمرکز ملایم، تله دو پرتو متقابل نگه داشته شدند. پیشرفت عمده 16 سال بعد و با ظهور موچین های نوری رخ داد.2 در این تجسم، یک پرتو لیزر متمرکز محکم نیروی کافی برای نگه داشتن یک ذره میکروسکوپی بسیار نزدیک به نقطه کانونی میدان لیزر اعمال می کند.

نیروهای نوری برای دستکاری اجسام از اندازه یک اتم منفرد تا یک سلول یا جنین بزرگ تأثیر زیادی گذاشته اند. وسعت کاربردها قابل توجه است. از دیدگاه فیزیک، به دام انداختن نوری بر درک ما از ماهیت تکانه خطی و زاویه ای نور تأثیر گذاشته است، که برای مطالعات مختلف در میکروسیالات استفاده شده است، به ما امکان می دهد ترمودینامیک غیرتعادلی را کشف کنیم و همچنین در زمینه اپتومکانیک معلق کمک کنیم. هدف از این کار درک عمیق تر از گذار بین فیزیک کلاسیک و کوانتومی و همچنین توسعه حسگرهای با دقت بالا است.

نور چگونه می تواند نیرو وارد کند؟ نور دارای تکانه است و انتشار نور بین رسانه های مختلف منجر به تغییر در انتشار آن می شود که انتقال تکانه است و بنابراین منجر به نیرو می شود. این برهمکنش ممکن است بسته به اندازه جسم در مقابل طول موج به دام انداختن مورد استفاده، به روش‌های مختلفی توصیف شود. نیروهای نوری مورد استفاده برای محدود کردن ذرات مورد نظر که بسیار بزرگتر از طول موج نور هستند (رژیم Mie) را می توان در این تصویر پرتو نوری در نظر گرفت، در حالی که ذرات بسیار کوچکتر از طول موج به دام انداختن (رژیم ریلی) به عنوان مدل سازی می شوند. دوقطبی های الکتریکی مجزا که به دلیل برهم کنش بین این دوقطبی و میدان الکتریکی نوسانی نور به شدت های زیاد یا کم کشیده می شوند. مزیت تله های نوری نه تنها در اعمال نیرو بلکه در این واقعیت است که را می توان به راحتی اندازه گیری کرد. موچین نوری قابل کالیبره شدن است و به عنوان فنر هوک عمل می کند. در نتیجه نیرو نسبت مستقیمی با جابجایی دارد.

در این دیدگاه، هدف ما پوشش تمام پیشرفت‌ها در به دام انداختن نیست، بلکه برخی از پیشرفت‌های کلیدی این قرن را با تاکید بر 10 سال گذشته، با تمرکز بر موارد مهم برای بیوفتونیک مورد بحث قرار می‌دهیم. این دوره شاهد تثبیت و گسترش قابلیت های موچین های نوری تا حد زیادی بوده است. به ویژه، آنها مطالعه سیستم‌های زنده پیچیده‌تر را ممکن کرده‌اند و درک ما را از فرآیندهای بیولوژیکی اساسی عمیق‌تر کرده‌اند. در ثانیه 2، ما بحث خواهیم کرد که چگونه تعیین مستقیم نیروها در موچین های نوری بر روی اجسام با شکل دلخواه، و در تله های متعدد به طور همزمان، به عنوان یک موضوع مهم ظاهر شده است. سپس به بحث در مورد چندوجهی می‌پردازیم: تله‌ها به طور سنتی با سایر تکنیک‌های نوری ترکیب می‌شوند. به عنوان پیشرفت اخیر، ما استفاده یکپارچه اخیر از تله‌های نوری و صوتی را شرح خواهیم داد که مزایایی از جمله مطالعات در مقیاس‌های طولی مختلف را ارائه می‌دهد. سپس پیشرفت های انجام شده برای محصور شدن در مقیاس بسیار کوچک، در به دام انداختن مستقیم تک مولکول ها و حتی تک ویروس ها با نیروهای نوری را برجسته می کنیم (بخش 3). در ثانیه 4، ما جزئیات استفاده از موچین های نوری را برای به دام انداختن سلول های منفرد با تمرکز بر امکان دستکاری آنها در داخل بدن، از جمله در حیوانات زنده، توضیح می دهیم. در نهایت، ما با پیشنهاد جهت‌های احتمالی آینده برای استفاده از تله‌گذاری نوری در بیوفوتونیک نتیجه‌گیری می‌کنیم.

چالش ها و فرصت های بزرگ در بیوفوتونیک

بیو فوتونیک حوزه علمی در حد فاصل علوم حیات و نور است. این شامل استفاده از نور به عنوان منبع انرژی است که مطالعات بنیادی و پیشرفت های کاربردی در علوم زیستی، دارویی، زیست محیطی و کشاورزی و پزشکی را ممکن می سازد. در حالی که این اصطلاح معاصر است، برخی از اولین تاریخچه های ثبت شده در این زمینه احتمالاً به قرن هفدهم با اولین مشاهدات میکروبی توسط آنتونی ون لیوونهوک با استفاده از عدسی های منفرد برمی گردد (فورد، 1985). در سال 1903، جایزه نوبل در فیزیولوژی یا پزشکی به نیلز رایبر فینسن «به پاس قدردانی از سهم او در درمان بیماری ها، به ویژه لوپوس ولگاریس، با تشعشع نور متمرکز، که به موجب آن او راه جدیدی را برای علم پزشکی گشوده است» اعطا شد. به سرعت به قرن بیست و یکم رسیدیم، جایی که جایزه نوبل در شیمی "برای کشف و توسعه پروتئین فلورسنت سبز"2 در سال 2008، و "برای توسعه میکروسکوپ فلورسانس فوق‌العاده حل شده"3 در سال 2014 اهدا شد. جایزه نوبل در فیزیک در سال 2018 تا حدی به آرتور اشکین "برای موچین های نوری و کاربرد آنها در سیستم های بیولوژیکی" اهدا شد.

در بنیادی‌ترین سطح، ماهیت برهم‌کنش نور با مواد بیولوژیکی و آلی، مبنایی را برای کارهای اساسی و ترجمه‌ای در بیوفوتونیک فراهم می‌کند. این برهمکنش‌ها شامل جذب و پراکندگی فوتون‌ها می‌شود و منجر به توسعه فناوری‌های متنوعی از جمله انواع مختلف روش‌های طیف‌سنجی نوری مانند طیف‌سنجی UV-VIS-IR، طیف‌سنجی فروسرخ تبدیل فوریه (FTIR) و پراکندگی رامان شده است. روش های میکروسکوپی شامل کانفوکال و چند فوتونی، تصویربرداری طول عمر فلورسانس (FLIM) و میکروسکوپ نوری در مقیاس نانو (Hermann and Gordon, 2018)؛ و فناوری‌های تشخیصی و تصویربرداری بالینی مانند پالس اکسیمتری، توموگرافی انسجام نوری (OCT) (هوانگ و همکاران، 1991)، و جراحی با هدایت فلورسانس (Landau et al., 2016).

از جنبه درمانی، لئون گلدمن در استفاده از لیزر در پوست پیشگام بود (گلدمن و همکاران، 1963). بلافاصله پس از آن، کاربردهای بالینی لیزر به چشم پزشکی برای درمان رتینوپاتی دیابتی (L'Esperance، 1969) و درمان فتودینامیک، و اخیراً به فوتوایمونوتراپی گسترش یافت (کوبایاشی و چویک، 2019؛ Xu et al., 2020). نورومدولاسیون نوری شامل اپتوژنتیک و روش‌های تحریک نوری غیر ژنتیکی برای دستکاری نوری فعالیت‌های سلولی و زیر سلولی اخیراً پدیدار شده است (بویدن و همکاران، 2005؛ جیانگ و همکاران، 2019).

علی‌رغم این دستاوردهای چشمگیر و کمک‌های فوق‌العاده به علوم زیستی و پزشکی، چالش‌های مهم و در عین حال فرصت‌های هیجان‌انگیزی در بیوفوتونیک وجود دارد. به طور ذاتی، عمق نفوذ نوری در مواد بیولوژیکی به چند سانتی متر محدود می شود. علاوه بر این، افزایش عمق نفوذ نوری با کاهش وضوح فضایی همراه است. روش‌هایی که می‌توانند عمق نفوذ و وضوح فضایی را افزایش دهند، تأثیر زیادی در کاربردهای نوردرمانی و تصویربرداری نوری خواهند داشت. اندازه‌گیری‌های درون تنی ویژگی‌های نوری می‌تواند به توسعه تشخیص‌های بلادرنگ، درمان‌های هدایت‌شده و ارزیابی مداخلات درمانی منجر شود.

سنجش مولکولی چندگانه و توسعه کاوشگرهای جدید که می توانند حساسیت و ویژگی بالایی را ارائه دهند، عرصه دیگری برای پیشرفت های بیشتر است. دستگاه‌های فشرده و کوچک، و حسگرهای پوشیدنی و کاشتنی برای استفاده در خانه، و در مکان‌های مراقبتی و محدودیت منابع، ارزش بسیار بالایی دارند. همه‌گیری کووید-19 کنونی نیاز به چنین دستگاه‌های کاربردی، ارزان و با کاربری آسانی را نشان می‌دهد که می‌توانند تشخیص‌های سریع و دقیق را ارائه دهند.

فن‌آوری‌های ترانوستیک مبتنی بر نور که با پروفایل‌های مولکولی و ژنومی ادغام شده‌اند، قابلیت‌هایی را برای ترکیب حسی/تشخیصی/تصویربرداری و درمانی بر اساس شخصی فراهم می‌کنند. فن‌آوری‌های فوتونیک نقش مهمی در غربالگری دارو با توان عملیاتی بالا، ردیابی in vivo توزیع زیستی داروها، و واسطه‌گری انتشار موضعی و کنترل‌شده داروها خواهند داشت. درک بهتر پاسخ ایمنی و نقش سلول‌های التهابی مختلف و بیومولکول‌های سیگنال‌دهنده به نور می‌تواند منجر به توسعه روش‌های فوتوتراپی مؤثرتر شود.

پیشرفت در هوش مصنوعی، از جمله یادگیری ماشین، داده کاوی، تجزیه و تحلیل کلان داده، و قدرت محاسباتی فرصت‌هایی را برای تعاملات و ادغام نزدیک‌تر با بیوفتونیک به سمت شناسایی خودکار ویژگی‌ها و الگوها فراهم می‌کند که در غیر این صورت ممکن نیست. چنین فعل و انفعالاتی نیز به طور فزاینده ای برای برنامه های کاربردی در پایش محیطی از جمله ارزیابی تغییرات آب و هوا و حیات دریایی، و در نظارت بر مواد غذایی و کشاورزی برای شناسایی پاتوژن ها و سموم و همچنین ارزیابی خاک و پوشش گیاهی مفید خواهد بود. این مثال‌ها ماهیت چند رشته‌ای بیوفتونیک و فرصت‌های همکاری بین دانشمندان با تخصص‌های مختلف و همچنین

به یاد آرتور اشکین