جدول زمانی توسعه نانولیزرها

جدول زمانی توسعه نانولیزرها

نانولیزر

نانولیزر لیزری است که ابعادی در مقیاس نانو دارد و به دستگاهی ریز/نانو اطلاق می‌شود که می‌تواند با نور یا تحریک الکتریکی نانوسیم‌ها یا سایر نانومواد که به عنوان تشدیدگر عمل می‌کنند، نور ساطع کند. یک ویژگی استاندارد نانولیزرها شامل محصور شدن نور آنها در مقیاسی است که به حد پراش نور نزدیک یا سرکوب می‌شود. این لیزرهای کوچک را می توان به سرعت مدوله کرد و، همراه با ردپای کوچک آنها، آنها را به کاندیدایی ایده آل برای محاسبات نوری روی تراشه تبدیل می کند.

فهرست

1 تاریخچه

2 مقایسه با لیزرهای معمولی

2.1 مکانیسم

2.2 خواص

3 انواع نانولیزر

3.1 لیزر میکرودیسک

3.2 لیزر کریستال فوتونیک

3.3 نانولیزر نانوسیم

3.4 نانولیزر پلاسمونیک

3.5 انواع جدید نانولیزر

4 برنامه های کاربردی

4.1 نانولیزرها برای شناسایی مواد

4.2 نانولیزر برای اتصالات نوری یکپارچه

4.3 نانولیزر برای سنجش

5 چالش

لیزر تراهرتز فشرده برای کاربردهای روزمره

محققان گام بزرگی را در جهت خارج کردن فرکانس‌های تراهرتز از ناحیه‌ی صعب العبور طیف الکترومغناطیسی و به کاربردهای روزمره برداشته‌اند. در مقاله‌ای جدید، محققان اولین لیزر تراهرتزی در نوع خود را نشان دادند که فشرده است، در دمای اتاق کار می‌کند و می‌تواند 120 فرکانس منفرد را در محدوده 0.25 تا 1.3 تراهرتز تولید کند که برد بسیار بیشتری نسبت به منابع تراهرتز قبلی است.

لیزر می تواند در طیف وسیعی از کاربردها مانند تصویربرداری سرطان پوست و سینه، تشخیص دارو، امنیت فرودگاه و لینک های بی سیم نوری با ظرفیت فوق العاده بالا استفاده شود.

این تحقیق که توسط تیمی از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد John A. Paulson (SEAS) و با همکاری آزمایشگاه تحقیقات ارتش DEVCOM و راه حل‌های نور روز DRS انجام شده است، در APL Photonics منتشر شده است.

فدریکو کاپاسو، پروفسور فیزیک کاربردی رابرت ال والاس و محقق ارشد مهندسی برق وینتون هیز در SEAS و نویسنده ارشد مقاله، گفت: «این یک فناوری جهشی برای تولید تشعشعات تراهرتز است. این لیزر به لطف فشرده بودن، کارایی، محدوده تنظیم گسترده و عملکرد دمای اتاق، این پتانسیل را دارد که به یک فناوری کلیدی برای پر کردن شکاف تراهرتز برای کاربردهای تصویربرداری، امنیت یا ارتباطات تبدیل شود.

محدوده فرکانس تراهرتز - که در وسط طیف الکترومغناطیسی بین امواج مایکروویو و نور مادون قرمز قرار دارد -؛ دسترسی به برنامه‌ها همچنان دشوار است، زیرا اغلب منابع تراهرتز یا بسیار حجیم، ناکارآمد هستند، یا برای تولید این فرکانس‌های گریزان با تنظیم محدود به دستگاه‌های با دمای پایین متکی هستند.

در سال 2019، گروه کاپاسو، با همکاری MIT و ارتش ایالات متحده، نمونه اولیه ای را توسعه دادند که ثابت کرد منابع فرکانس تراهرتز می توانند فشرده، دمای اتاق باشند و با ترکیب یک پمپ لیزری آبشاری کوانتومی با لیزر مولکولی اکسید نیتروژن، به طور گسترده ای تنظیم شوند.

تحقیقات جدید محدوده تنظیم آن نمونه اولیه را بیش از سه برابر می کند. از جمله پیشرفت‌های دیگر، لیزر جدید اکسید نیتروژن را با متیل فلوراید جایگزین می‌کند، مولکولی که به شدت با میدان‌های نوری واکنش نشان می‌دهد.

آرمان امیرژان، دانشجوی کارشناسی ارشد در SEAS و اولین نویسنده این مقاله، گفت: «این ترکیب در جذب مادون قرمز و انتشار تراهرتز واقعا خوب است. با استفاده از متیل فلوراید که غیر سمی است، راندمان و محدوده تنظیم لیزر را افزایش دادیم.

هنری اوریت، فن‌آور ارشد علوم نوری ارتش ایالات متحده، می‌گوید: «متیل فلوراید تقریباً 50 سال است که به‌عنوان لیزر تراهرتز استفاده می‌شود، اما تنها چند فرکانس لیزر تولید می‌کند که توسط لیزر دی‌اکسید کربن حجیم پمپ شود». نویسنده مقاله دو نوآوری که ما گزارش می‌کنیم، یک حفره لیزری فشرده که توسط یک لیزر آبشاری کوانتومی پمپ می‌شود، ترکیب می‌شوند تا به متیل فلوراید توانایی لیزر بر روی صدها خط را بدهد.

این لیزر در حال حاضر این پتانسیل را دارد که یکی از فشرده‌ترین لیزرهای تراهرتزی باشد که تاکنون طراحی شده است و محققان قصد دارند آن را فشرده‌تر کنند.

پل شوالیه، همکار تحقیقاتی در SEAS و محقق ارشد این حوزه می‌گوید: «دستگاه کمتر از یک فوت مکعب ما را قادر می‌سازد تا این محدوده فرکانس را برای کاربردهای بیشتر در ارتباطات کوتاه‌برد، رادار کوتاه‌برد، زیست‌پزشکی و تصویربرداری هدف‌گیری کنیم.» تیم

"ترکیب لیزرهای آبشاری بالغ، فشرده و کوانتومی با رسانه های افزایش لیزر مولکولی منجر به یک پلت فرم لیزر بسیار قوی تراهرتز با طیف وسیعی از کاربردها از تحقیقات بنیادی گرفته تا تشخیص و تصویربرداری مولکولی تراهرتز، ارتباطات و امنیت THz و فراتر از آن شده است." تیموتی دی، معاون ارشد و مدیر کل DRS Daylight Solutions و یکی از نویسندگان مقاله گفت.

طیف سنجی فلورسانس

طیف سنجی فلورسانس

FS اطلاعاتی در مورد وضعیت متابولیسم سلولی ارائه می دهد، چیزی که در حضور بدخیمی ها تغییر می کند و می تواند برای تشخیص سرطان و تجسم پیشرفت آن یا اثربخشی درمان های ضد سرطان استفاده شود.

طیف سنجی پراکندگی نوری الاستیک

طیف‌سنجی پراکندگی الاستیک (ESS) یک اندازه‌گیری نقطه نوری in vivo است که با استفاده از هندسه نوری مناسب، به تغییرات در خواص فیزیکی بافت حساس است. پروب نوری از کانال کاری آندوسکوپ عبور داده می شود و در تماس مستقیم با بافت قرار می گیرد.

EOSS پالس های کوتاه نور را به حجم کمی از بافت سطحی می رساند و در عرض چند ثانیه نتایجی را در مورد خواص فیزیکی بافت ایجاد می کند. قبلاً برای تشخیص سرطان ساخته شده است.

تشخیص بلادرنگ بیماری با استفاده از فناوری اپتیک

تشخیص زودهنگام برای پیامدهای بیماری در همه بیماری ها مهم است. برای برخی، مانند انواع خاصی از سرطان، شروع زودهنگام درمان می تواند به طور قابل توجهی شانس کلی بقا را افزایش دهد. در دهه‌های اخیر، توسعه ابزارهای تشخیصی جدید حساس‌تر، تجویز را در شناسایی علائم اولیه بیماری آسان‌تر و مؤثرتر کرده است. این ابزارها به کانون اصلی تحقیقات پزشکی تبدیل شده اند.

تشخیص بیماری نیز در پیشگیری از شیوع بیماری های عفونی مهم است. همه‌گیری COVID-19 نقش ابزارهای تشخیصی مانند جریان جانبی و آزمایش‌های PCR را برجسته کرده است. اینها در سرتاسر جهان به عنوان اقدامات ایمنی مورد استفاده قرار گرفته‌اند که اجازه می‌دهد محدودیت‌ها با خیال راحت کاهش یابد و رفتار اجتماعی به حالت عادی از سر گرفته شود.

در آغاز همه‌گیری، بدون هیچ روش قابل دسترسی برای تشخیص بیماری، بسیاری از جهان در محدودیت‌های شدید از جمله قوانین ماندن در خانه قرار گرفتند. روش‌های تشخیص بیماری مانند روش‌هایی که برای جلوگیری از گسترش COVID-19 استفاده می‌شوند، احتمالاً نقش مهمی در پیشگیری از همه‌گیری‌ها و همه‌گیری‌های آینده خواهند داشت.

فناوری اپتیک فعلی برای تشخیص بیماری در زمان واقعی

هنگامی که نور در معرض بافت بیولوژیکی قرار می گیرد، به روش های مختلفی با آن تعامل می کند. نور ممکن است به صورت الاستیک یا غیر الاستیک پراکنده شود، منعکس شود، جذب شود یا فلورسانس کند.

دانشمندان روش هایی را برای تجزیه و تحلیل موثر این فعل و انفعالات ایجاد کرده اند تا بینش ارزشمندی را در مورد فعالیت بیولوژیکی که در داخل بدن رخ می دهد در بافت ارائه دهند. در طول سال‌ها، نوآوری‌ها در چنین فناوری‌هایی به دانشمندان این امکان را داده است که بیماری‌ها را بدون نیاز به بیوپسی تهاجمی تشخیص دهند.

فیبرهای نوری نور تابشی موضعی را از طریق ابزارهای کم تهاجمی مانند آندوسکوپ ارائه می دهند. در چند دهه اخیر، پیشرفت‌های چشمگیری در تکنیک‌های طیف‌سنجی نوری صورت گرفته است و تعداد زیادی از آزمایش‌های پزشکی و بالینی کارآیی آنها را ثابت کرده‌اند.

تکنیک‌های طیف‌سنجی نوری موجود در حال حاضر، طیف‌سنجی پراکندگی نوری الاستیک (EOSS)، طیف‌سنجی فلورسانس (FS)، و طیف‌سنجی رامان (RS) هستند.

آینده تصویربرداری بافت نرم عمیق بدن برای تشخیص دقیق بیماری

بافت سخت نسبتا کمی در بدن انسان وجود دارد. به غیر از استخوان ها و دندان های ما، بقیه بدن ما از انواع مختلف بافت نرم، از جمله بافت عضلانی، عروق لنفاوی، ماهیچه ها و اعصاب ساخته شده است. بسیاری از بیماری ها نواحی مختلف بافت نرم را تحت تأثیر قرار می دهند و بنابراین تصویربرداری از این ساختارها بخش مهمی از تشخیص بیماری است.

تصویربرداری از بافت های نرم، به ویژه بافت نرم عمیق بدن، می تواند بسیار چالش برانگیز باشد. تصویربرداری از ساختارهای بافت سخت با کنتراست تصویر خوب تا حدودی ساده تر است، زیرا تفاوت زیاد در چگالی به معنای تغییر قابل توجهی در تضعیف اشعه ایکس بین مناطق بافت سخت و بافت نرم اطراف است. دومی تا حد زیادی در برابر اشعه ایکس با انرژی بالاتر شفاف است.

تشعشعات الکترومغناطیسی با انرژی بالاتر دارای عمق نفوذ بسیار بیشتری نسبت به تابش کم انرژی است که توسط بافت های نرم جذب بهتری می شود.1 سازشی برای تصویربرداری از بافت نرم عمیق بدن بین دستیابی به سطوح سیگنال معقول برای بازیابی و تصویربرداری وجود دارد در حالی که تابش هدف هنوز می تواند باشد. به سایت مورد علاقه برسید

رویکردهای نوری و مادون قرمز

یک روش تصویربرداری بالینی ایده آل باید غیر تهاجمی، سریع باشد و نتایجی را ارائه دهد که تشخیص دقیق را ارائه دهد. علاقه بیشتری به رویکردهای تصویربرداری "نقطه مراقبت" بیشتر وجود دارد زیرا این رویکردها تقاضا برای زیرساخت های پرهزینه و زمان انتظار مرتبط با پردازش آزمایشگاهی نمونه ها را کاهش می دهد.

روش‌های تصویربرداری نوری از ساده‌ترین روش‌ها هنگام طراحی دستگاه‌های تصویربرداری جمع‌وجور و دستی هستند و به طور گسترده برای تشخیص تومورها و نظارت درمانی استفاده می‌شوند.

چالش تصویربرداری بافت عمیق با روش‌های نوری «پنجره بیولوژیکی» است - این محدوده طول موجی است که در آن نور برای تصویربرداری از بافت عمیق کافی و تضعیف نشده باقی می‌ماند و اولین مورد بین ~700 تا 950 نانومتر است. هموگلوبین و سایر ترکیبات بدن از جمله آب جذب بسیار قوی در خارج از این ناحیه دارند.

ام آر آی

برای تصویربرداری بافت نرم و تشخیص بیماری، به ویژه زمانی که اسکن اکتشافی کل بدن مورد نیاز است، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) اغلب تکنیک انتخابی است.

MRI دارای عمق نفوذ عالی در کنار وضوح فضایی خوب است، و سطح بالای اطلاعات بازیابی شده در ساختارهای مختلف بافت نرم از اسکن MRI به این معنی است که می توان از آن برای تشخیص و ارائه اطلاعات برای پیش آگهی استفاده کرد.9 برخلاف روش های اشعه ایکس مانند به عنوان توموگرافی کامپیوتری، اسکن MRI بیمار را در معرض هیچ گونه پرتوهای الکترومغناطیسی یونیزان قرار نمی دهد.

با این حال، اشکال اصلی MRI این است که به سخت افزار بسیار گران قیمت نیاز دارد و زمان اسکن برای اسکن های دقیق تر از دقیقه تا ساعت متغیر است. این امر به ویژه مشکل ساز است زیرا هر حرکتی از جانب بیمار می تواند کیفیت فرآیند تصویربرداری را مختل کند.

سونوگرافی

اولتراسوند روش غیرتهاجمی دیگری است که برای تصویربرداری از بافت نرم مانند اعصاب استفاده می‌شود. فرکانس‌های کاوشگر مختلف می‌توانند برای تغییر عمق نفوذ سونوگرافی برای بهینه‌سازی وضوح فضایی برای هدف مورد نظر استفاده شوند.

سونوگرافی معمولاً در تشخیص بیماری‌های پوستی و عفونت‌های بافت نرم استفاده می‌شود و می‌تواند با شناسایی وجود مایع در محل‌های عفونت به بهبود نتایج بیمار کمک کند. و به شدت به مهارت اپراتور تکیه می کنند، و تشخیص جامع از طریق سونوگرافی به تنهایی چالش برانگیز است. اینجاست که فقدان اطلاعات سطح شیمیایی می تواند برای تشخیص زودهنگام بسیار مشکل ساز باشد.

تشخیص زودهنگام بیماری

تصویربرداری از بافت عمیق هنوز با چالش‌های زیادی مواجه است و اغلب تشخیص زودهنگام بیماری به مصالحه‌ای بین هزینه، دشواری و دسترسی تکنیک مورد استفاده بستگی دارد. به عنوان مثال، تصویربرداری اولتراسوند می تواند نشانه هایی از شرایط بالقوه جدی مانند فاسییت نکروزان را ارائه دهد. این اطلاعات، اگرچه یک تشخیص جامع نیست، اما همچنان می تواند برای اطلاع رسانی و بهبود مسیرهای بالینی استفاده شود.

تصویربرداری مادون قرمز نزدیک در حال پیشرفت های سریع بسیاری است و به بازیابی اطلاعات سطح شیمیایی در مورد نشانگرهای زیستی موجود در تومورها کمک می کند. این اغلب به ایجاد یک تشخیص بسیار دقیق کمک می کند.

چگونه تصویربرداری نوری سرطان و آزمایش تشخیص سریع را تغییر داده است

تشخیص زودهنگام سرطان با بهبود نتایج بیماران مرتبط است. احتمال زنده ماندن افرادی که در مراحل اولیه تشخیص داده می شوند، بیشتر است. آنها همچنین در مقایسه با بیمارانی که در مراحل بعدی تشخیص داده می شوند، به احتمال زیاد تجارب بهتری از مراقبت، بهبود کیفیت زندگی و کاهش تحرک درمان دارند.

تصویربرداری نوری فرصتی برای شناسایی بافت های بدخیم در مراحل اولیه فراهم می کند و به بیماران شانس بیشتری برای بقا و تجربیات و نتایج درمانی بهتر می دهد. تصویربرداری نوری به تجسم سیستم های بیولوژیکی از اندام ها به سلول ها کمک می کند. توانایی آن در نگاه کردن به سلول ها علاقه زیادی را برای پیشرفت بیشتر فناوری در زمینه تصویربرداری پزشکی برانگیخته است. تصویربرداری نوری مکانیسم های کنتراست متنوعی برای شناسایی بافت های پاتولوژیک در اختیار دارد.

به طور کلی، تصویربرداری نوری شامل جذب نور توسط کروموفورهای درون زا یا برون زا است که تضاد بصری بین بافت سالم و پاتولوژیک ایجاد می کند. تئوری پشت تصویربرداری نوری و اجرای آن در مقایسه با سایر تکنیک های تصویربرداری نسبتا ساده است. همچنین روش های غیر تهاجمی برای تشخیص بافت پاتولوژیک ارائه می دهد.

تصور نوری در تشخیص اولیه سرطان و جهت گیری های آینده

مطالعات متعددی ثابت کرده اند که تصویربرداری نوری کارایی جراحی را در سرطان های مختلف از جمله سرطان سر و گردن، سرطان سینه و سرطان روده بزرگ افزایش می دهد. داده ها همچنین نشان می دهد که تصویربرداری نوری می تواند تشخیص زودهنگام بیماری را بهبود بخشد، به ویژه از طریق آندوسکوپی (مثلاً در سرطان مری) از طریق استفاده از برچسب های فلورسنت مرتبط با نشانگرهای زیستی خاص بیماری. تصویربرداری فلورسانس in vivo برای پیش‌بینی نتایج درمانی سرطان و بیماری کرون استفاده شده است.

آینده تصویربرداری نوری در سرطان و تشخیص سریع به این بستگی دارد که چگونه و آیا این رشته بر موانع مختلفی که با آن مواجه است غلبه کند. استانداردسازی و تعیین کمیت رویه‌ها و داده‌ها، و همچنین ایجاد مسیری برای ورود تصویربرداری نوری به استاندارد مراقبت، مهم خواهد بود. فرصتی برای ایجاد تصویربرداری مولکولی و توسعه تکنیکی وجود دارد که مکمل پلت‌فرم‌های تصویربرداری مولکولی مورد استفاده کنونی است. اگر تصویربرداری نوری بتواند بر محدودیت‌های خود غلبه کند، احتمالاً برای تسهیل تشخیص زودهنگام سرطان ضروری خواهد بود. این احتمالاً نتایج بیمار را بهبود می بخشد و راه را برای درمان های جدید بالقوه متمرکز بر درمان سرطان در مراحل اولیه باز می کند.

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری