لیزر کوانتومی آبشار (QCL)

لیزر آبشار کوانتومی

لیزر کوانتومی آبشار (QCL) نوعی لیزر نیمه هادی است که در قسمت میانی تا مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی نور منتشر می کند. لیزرهای کوانتومی آبشار مزایای زیادی را ارائه می دهند: آنها در طیف مادون قرمز میانی از 5.5 تا 11.0 میکرومتر (900 سانتی متر در 1 تا 1800 سانتی متر در 1) قابل تنظیم هستند. ارائه زمان پاسخ سریع ؛ و روشنایی طیفی را که حتی از منبع سنکروترون به طور قابل توجهی روشن تر است ، فراهم می کند.

لیزرهای آبشار کوانتومی شامل لایه های متناوب از مواد نیمه رسانا هستند و چاههای انرژی کوانتومی را تشکیل می دهند که الکترونها را به حالتهای خاص انرژی محدود می کند. همانطور که یک الکترون در محیط لیزر حرکت می کند ، از یک چاه کوانتومی به حالت دیگر حرکت می کند ، که توسط ولتاژ اعمال شده بر روی دستگاه ایجاد می شود. در مکانهای دقیق ، که "منطقه فعال" نامیده می شود ، الکترون از یک حالت انرژی به حالت پایین تر منتقل می شود و در این فرایند ، فوتون ساطع می کند. الکترون در ساختار خود ادامه می دهد و هنگامی که با ناحیه فعال بعدی برخورد می کند ، دوباره تغییر می کند و فوتون دیگری از خود ساطع می کند. QCL ممکن است تا 75 ناحیه فعال داشته باشد و هر الکترون با عبور از ساختار ، تعداد زیادی فوتون تولید می کند.

طول موج خروجی توسط ساختار لایه ها تعیین می شود تا مواد لیزر ، و این امکان را برای سازندگان دستگاه ایجاد می کند که طول موج را به گونه ای تنظیم کنند که لیزرهای دیودی قابل تنظیم نباشند. طول موج خروجی لیزر دیود محدود به 2.5 میکرومتر است ، اما QCL ها در طول موج های بسیار طولانی تر عمل می کنند: دستگاههای تولید مادون قرمز موج میانی تا 11 میکرومتر در دسترس هستند و برخی از قطره چکانهای 25 میکرومتر به صورت آزمایشی ساخته شده اند.

گفته می شود که سیستم های میکروسکوپی مبتنی بر QCL به مقدار نسبتاً کمی قدرت و اندازه کوچک نیاز دارند و می توانند جایگزین FTIR بزرگتر و کندتر (طیف سنجی جرمی Fourier) و طیف سنجی جرمی شوند.

آغازگر QCL: تاریخچه ، ویژگی ها ، برنامه ها

از زمان اولین عملیات موفقیت آمیز خود در سال 1960 در آزمایشگاههای تحقیقاتی هیوز ، لیزر در مرکز نوآوری و تحقیق قرار داشته است. لیزرهای نیمه هادی برای اولین بار در سال 1962 هنگامی که رابرت هال اولین دیود لیزری گالیم آرسنید را معرفی کرد ظاهر شد. در سال 1970 ، Izuo Hayashi و Morton Panish از آزمایشگاه های Bell موفق به ایجاد یک دیود لیزری شدند که می تواند در دمای اتاق کار کند. این پیشرفت در ایجاد یک ساختار دوگانه با ساندویچ کردن یک لایه فعال نازک از آرسنید گالیوم بین دو لایه از یک نیمه رسانای متفاوت بود. 2 مرزهای بین دو نیمه هادی ، که به نام heterojunctions نیز شناخته می شوند ، هر دو حامل بار و نور تولید شده را محدود به فعال می کند. لایه ، و در نتیجه تقویت بیشتر نور است.

تغییرات و بهبود لایه فعال موضوع تحقیقات زیادی بود و در سال 1971 R.F. کازارینوف و آر.آ. سوریس ایده استفاده از مجموعه ای از ساختارهای نازک فوق العاده نازک برای محدود کردن الکترون ها - چاه های کوانتومی را ارائه داد. 3 با این حال ، تا سال 1994 بود که J. Faist و F. Capasso در آزمایشگاه های Bell اولین لیزر آبشار کوانتومی (QCL) را با استفاده از الکترون نشان دادند. پیشرفت در چاه های کوانتومی. لیزرهای اولیه آبشار کوانتومی برای عملکرد مداوم به دمای برودتی نیاز داشتند ، اما تا سال 2002 گروه J. Faist یک ساختار لایه فعال مناسب برای عملکرد مداوم در دمای اتاق طراحی کرده بود. MIR) به مناطق تراهرتز. پیشرفت در تکنیک های ساخت همراه با تنوع محدوده انتشار QCL ، آن را به یک منبع لیزری جذاب با قابلیت استفاده در انواع برنامه های MIR تبدیل کرده است.

ویژگی های QCL

بر خلاف دیودهای لیزری ، QCL برای تقویت نور به ترکیب مجدد جفت الکترون-حفره وابسته نیست ، بلکه در عوض به گذارهای درون ساختار چاه کوانتومی خود بستگی دارد. طراحی باریک چاه های کوانتومی الکترون ها را محدود می کند (شکل 1). هنگامی که یک میدان الکتریکی قوی یا ولتاژ اعمال می شود ، تفاوت پتانسیل در لایه ها به الکترونها اجازه می دهد تا در یک چاه کوانتومی منفجر تابشی شوند و یک فوتون ساطع کنند. از طریق اثر کوانتومی تونل زنی ، یک الکترون می تواند از یک لایه فعال به لایه دیگر تونل زده و دوباره منتقل شود. دنباله تونل زنی و انتشار فوتون در سراسر منطقه فعال تکرار می شود و در نتیجه "آبشار" انتشار را ایجاد می کند. انرژی از دست رفته در طول انتقال تابشی به حالت پایین تر مطابق با انرژی فوتون ساطع شده است. تغییرات در عرض لایه فعال منجر به انتقال انرژی متفاوت و انرژی فوتون می شود. این یک مزیت مهم برای توسعه QCL بوده است زیرا بدان معنی است که طول موج انتشار توسط محدوده باند مواد فعال مورد استفاده محدود نمی شود و امکان استفاده از مواد با فرایندهای رشد و ساخت ثابت مانند GaAs و InGaAs را فراهم می آورد. طرحهای QCL با استفاده از چاههای کوانتومی آرسنید ، انتشار در طول موجها را به اندازه 4 میکرومتر ضبط کرده اند و افزودن آنتیمونیدها منجر به انتشار 3.2 میکرومتر در دمای اتاق شده است.

لیزر آبشار کوانتومی

لیزر آبشار کوانتومی

لیزر کوانتومی آبشار (QCL) نوعی لیزر نیمه هادی است که در قسمت میانی تا مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی نور منتشر می کند. لیزرهای کوانتومی آبشار مزایای زیادی را ارائه می دهند: آنها در طیف مادون قرمز میانی از 5.5 تا 11.0 میکرومتر (900 سانتی متر در 1 تا 1800 سانتی متر در 1) قابل تنظیم هستند. ارائه زمان پاسخ سریع ؛ و روشنایی طیفی را که حتی از منبع سنکروترون به طور قابل توجهی روشن تر است ، فراهم می کند.

لیزرهای آبشار کوانتومی شامل لایه های متناوب از مواد نیمه رسانا هستند و چاههای انرژی کوانتومی را تشکیل می دهند که الکترونها را به حالتهای خاص انرژی محدود می کند. همانطور که یک الکترون در محیط لیزر حرکت می کند ، از یک چاه کوانتومی به حالت دیگر حرکت می کند ، که توسط ولتاژ اعمال شده بر روی دستگاه ایجاد می شود. در مکانهای دقیق ، که "منطقه فعال" نامیده می شود ، الکترون از یک حالت انرژی به حالت پایین تر منتقل می شود و در این فرایند ، فوتون ساطع می کند. الکترون در ساختار خود ادامه می دهد و هنگامی که با ناحیه فعال بعدی برخورد می کند ، دوباره تغییر می کند و فوتون دیگری از خود ساطع می کند. QCL ممکن است تا 75 ناحیه فعال داشته باشد و هر الکترون با عبور از ساختار ، تعداد زیادی فوتون تولید می کند.

طول موج خروجی توسط ساختار لایه ها تعیین می شود تا مواد لیزر ، و این امکان را برای سازندگان دستگاه ایجاد می کند که طول موج را به گونه ای تنظیم کنند که لیزرهای دیودی قابل تنظیم نباشند. طول موج خروجی لیزر دیود محدود به 2.5 میکرومتر است ، اما QCL ها در طول موج های بسیار طولانی تر عمل می کنند: دستگاههای تولید مادون قرمز موج میانی تا 11 میکرومتر در دسترس هستند و برخی از قطره چکانهای 25 میکرومتر به صورت آزمایشی ساخته شده اند.

گفته می شود که سیستم های میکروسکوپی مبتنی بر QCL به مقدار نسبتاً کمی قدرت و اندازه کوچک نیاز دارند و می توانند جایگزین FTIR بزرگتر و کندتر (طیف سنجی جرمی Fourier) و طیف سنجی جرمی شوند.

جایزه فدریکو کاپاسو در سال 2021

OSA به فدریکو کاپاسو مدال Frederic Ives/جایزه Jarus W. Quinn 2021 را اهدا می کند ، که تمایز کلی در اپتیک را تشخیص می دهد. کاپاسو ، استاد فیزیک کاربردی رابرت ال والاس و پژوهشگر ارشد مهندسی برق وینتون هیز در دانشکده مهندسی و علوم کاربردی جان آ. پاولسون در دانشگاه هاروارد ، بالاترین جایزه ای را که OSA دریافت کرده است ، دریافت می کند.

کاپاسو و تیمش در آزمایشگاههای بل ، در زمینه دستگاههای نیمه هادی و علم لیزر ، پیشگام در مهندسی ساختار باند ، که در نهایت منجر به اختراع لیزرهای کوانتومی آبشار (QCL) شد ، که به عنوان همکاری با آنها شناخته می شود ، مشارکت قابل توجهی داشتند. مخترع.

کار کنونی کاپاسو به دنبال این است که لیزر آبشار کوانتومی (که در حال حاضر در برنامه های تجاری مورد استفاده قرار می گیرد) را در زمینه وسایل الکترونیکی کوانتومی به کار گیرد. او و تیمش در دانشگاه هاروارد این رشته را به طور قابل ملاحظه ای پیش بردند و برای اولین بار متالن ها - لنزهای باریک اتمی که از نانوساختارها برای هدایت نور استفاده می کنند را نشان دادند.

کاپاسو دارای بیش از 60 ثبت اختراع در ایالات متحده است ، بیش از 450 مقاله تألیف کرده است و برنده جوایزی از جمله مدال طلای SPIE ، مدال IEEE ادیسون ، جایزه بالزان و جایزه آرتور شائلو از طرف انجمن فیزیک آمریکا است. او در حال حاضر به عنوان عضو هیئت مشورتی ویرایشگر Photonics Spectra خدمت می کند.

جوایز و مدال های OSA 2021

جوایز و مدال های OSA 2021

OSA مفتخر است که از مشارکت های برجسته در علم ، تحقیق ، مهندسی ، آموزش ، صنعت و جامعه تجلیل و تجلیل می کند.

مجله خبری اپتیک و فوتونیک

مجله خبری اپتیک و فوتونیک

شماره ژوئن

DAS: یک تغییر لرزه ای در حس کردن

چراغ OAM برای ارتباطات

جوایز و مدال های OSA 2021

اخبار صنعت و تحقیقات لیزر

اخبار صنعت و تحقیقات لیزر

ثبت شدت لیزر / اندازه گیری ویسکوزیته / هولوگرام برای AR خودرو / شکل نور بر بینایی تأثیر می گذارد / هیدروژل های آفتاب پرست / اولین لیزر ELT / بازار فوتونیک سیلیکون / یادگیری عمیق و میکروسکوپ / LED های "دوستدار انسان"

مجله خبری اپتیک و فوتونیک

مجله خبری اپتیک و فوتونیک

شماره جولای

از دست دادن لنز

سطوح قابل تنظیم: کنترل نور در فضا و زمان

به سوی فندک ، سیستم های AR/VR نازک تر

منابع نوری سینکروترون برای قرن 21

آزمایشگاههای پنج قاره در حال ارتقاء سنکروترونهای حلقه ذخیره سازی و لیزرهای الکترون آزاد هستند تا پرتوهای اشعه ایکس آنها روشن تر و سازگارتر با کاربردهای علمی و پزشکی باشد.

کنترل CRISPR

کنترل CRISPR

رویکردهای مبتنی بر نور برای هدایت CRISPR-Cas9 ، ابزار قدرتمند ویرایش ژنوم برنده جایزه نوبل ، وعده افزایش دقت و ویژگی این تکنیک را می دهد-و ممکن است به کاربرد بالینی آن کمک کند.

در اوایل سال 2011 ، دو دانشمند در خیابان های سنگ فرش قدیمی سن خوان ، منطقه تاریخی پایتخت پورتوریکو قدم زدند. این زوج به تازگی توسط یکی از همکاران خود در کنفرانس میکروبیولوژی معرفی شده اند ، به زودی در مورد پروتئین اسرار آمیزی به نام Csn1 وارد گفتگو شدند. این پروتئین به باکتری ها برای دفاع در برابر ویروس ها کمک کرد ، اما نحوه عملکرد آن مشخص نیست. برخی گمان می کردند که مانند قیچی ژنتیکی عمل می کند و DNA ویروسی مهاجم را قطع کرده و تهدید را خنثی می کند. اما هنوز کسی آن را نشان نداده است.

این دو دانشمند - جنیفر دودنا ، مستقر در کالیفرنیا و امانوئل شارپانتیه ، کار در سوئد - به دنبال کشف عملکردهای داخلی Csn1 و نقش آن در سیستم ایمنی بزرگتر باکتری ها بودند. آنها دریافتند که این پروتئین در واقع مواد ژنتیکی خارجی را جدا کرده و ثابت کرده است که می تواند بخشی از یک تکنیک فوق العاده قدرتمند و همه کاره برای برش DNA در هر مکان مورد نظر در ژنوم باشد.

همکاری از راه دور دوودنا و شارپانتیه در Csn1-که امروزه به عنوان Cas9 شناخته می شود-منجر به کشف برنده جایزه نوبل شد که تاثیر آن در بزرگترین پیشرفت های زیست پزشکی تاریخ رقبای خود است. در کنار ابزارهایی مانند تعیین توالی DNA و واکنش زنجیره ای پلیمراز ، بشریت اکنون CRISPR-Cas9 را در اختیار دارد ، یک تکنیک ویرایش ژنوم که به محققان اجازه می دهد DNA ارگانیسم ها را به دلخواه تغییر دهند.

در حالی که سیستم CRISPR -Cas9 قبلاً به نتایج انقلابی دست یافته است ، نحوه کنترل عملکرد آن در محیط های بیولوژیکی و در نهایت بالینی یک پرسش بزرگ باقی مانده است. و به طور فزاینده ای ، محققان از استفاده از نور به عنوان سوئیچ کنترل-برای روشن و خاموش کردن ویرایش ژنوم ، برای کاهش احتمال اثرات خارج از هدف و قرار دادن CRISPR-Cas9 در محل دقیق استفاده می کنند.

"به طور کلی ، ما CRISPR -Cas9 را برای ترمیم یا ویرایش ژن های خاص بدون هیچ گونه کنترل ارائه می دهیم. هنگامی که این درمان را به طور سیستماتیک انجام دهید ، در همه جای بدن پخش می شود. "یوان پینگ ، استاد علوم دارویی در دانشگاه ژجیانگ ، چین می گوید. اما اگر شما مستقیماً به کبد نور بدهید ، ویرایش ژنوم فقط در آنجا اتفاق می افتد. در عصر پزشکی دقیق ، من فکر می کنم که نور می تواند این فرصت را برای ارائه دقت به مراقبت های بهداشتی در آینده فراهم کند. "

نیروگاه ویرایش ژنوم

همانطور که از نامش پیداست ، سیستم CRISPR -Cas9 دارای دو جزء است که در اصل به عنوان بخشی از یک سیستم ایمنی ساده در باکتری E. coli کشف شده است. CRISPR - مخفف کلمه "به طور مرتب تکرارهای کوتاه پالیندرومیک متقاطع" - قطعات کوچکی از مواد ژنتیکی ویروسی را تشکیل می دهد که باکتری در DNA خود برای تشخیص مزاحمان ویروسی جاسازی می کند. Cas9 آنزیمی است که در سیستم برای قطع و غیرفعال کردن DNA در ویروس هایی که به این ترتیب شناسایی می شوند ، استفاده می شود. ("Cas" در Cas9 مخفف "پروتئین مرتبط با CRISPR" است.)

در سیستم باکتریایی ، بخش CRISPR ژنوم ، که حاوی مواد تعبیه شده در DNA باکتری پس از برخورد ویروسی قبلی است ، به یک مولکول RNA بلند و تک رشته ای رونویسی می شود. سپس RNA های کوتاهی موسوم به RNA های CRISPR فعال کننده trans (tracrRNA) ایجاد می شوند که در توالی های تکراری مانند قطعات پازل قرار می گیرند و به آنزیم Cas9 گره خورده اند.

RNA طولانی تر که در اصل از بخش DNA CRISPR رونویسی شده است ، سپس توسط یک آنزیم متفاوت به بخش هایی تقسیم می شود-به اصطلاح RNA های CRISPR (CRRNA)-که حاوی اطلاعات ژنتیکی مورد نیاز برای شناسایی هر ویروس منحصر به فرد کد شده در بخش CRISPR است. هنگامی که یکی از CRRNA های جداگانه در ناحیه ای از DNA ویروسی قرار می گیرد ، که نشان دهنده حمله ویروس ورودی است ، tracrRNA و Cas9 با هم کار می کنند تا DNA ویروسی را شناسایی و خرد کرده و مواد ژنتیکی مهاجم را در مسیر خود متوقف کنند.

دودنا و شارپانتیه با ترکیب CRRNA و tracrRNA در یک مولکول واحد ، که آنها را RNA راهنما نامیدند ، سیستم طبیعی باکتری ها را ساده کردند. این به دانشمندان اجازه داد تا یک RNA راهنما ایجاد کنند که با هر قسمتی از DNA که در آن باید دو رشته ایجاد شود مطابقت داشته باشد-در اصل ، در هر موجودی. برش در هر مکان دلخواه درون ژنوم به این معنی است که حذف ژنهای قدیمی و درج ژنهای جدید را می توان به راحتی انجام داد. (نحوه عملکرد ویرایش CRISPR -Cas9 را در زیر مشاهده کنید.)

فراتر از Cas9: RNA ها و پروتئین های ضد CRISPR

تعداد انگشت شماری از گروه های تحقیقاتی به بررسی کنترل های مبتنی بر نور برای سایر قسمت های سیستم CRISPR-Cas9 پرداخته اند. در سال 2020 ، دیترز و همکارانش روش فتوکیمیایی نوری خود را بر روی جزء RNA راهنمای سیستم اعمال کردند. این تیم دریافتند که قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش 365 نانومتری باعث ویرایش ژنوم با ویژگی مکانی و زمانی بالا در سلول های پستانداران و جنین گورخرماهی می شود.

در سال 2019 ، آزمایشگاه سین کیینگ تانگ ، استاد علوم داروسازی در دانشگاه پکن ، چین ، یک CRRNA فتوکپی شده را با پیوند دادن آن به یک مولکول ویتامین E طراحی و ساخت که به طور قابل توجهی از برش DNA جلوگیری می کند. پس از چند دقیقه تابش 365 نانومتری ، مولکول ویتامین E و پیوند دهنده عکس به طور کامل از crRNA جدا شده و به فعالیت عادی CRISPR-Cas9 اجازه می دهد.

نیوپک و همکارانش با طی مسیری کمتر متعارف ، توجه خود را به پروتئین های موجود در باکتریوفاژها معطوف کردند که به عنوان عوامل ضد دفاع در برابر سیستم ایمنی باکتری عمل می کنند. آزمایشگاه او پیشگام این روش بینایی زایی منحصر به فرد در سال 2018 بود و به منظور تطبیق پذیری بیشتر و سهولت استفاده ، به اصلاح آن ادامه می دهد.

نیوپک می گوید: "ما در واقع به سیستم های طبیعی فکر می کردیم که فعالیت CRISPR-Cas را مختل یا کنترل می کنند ، و معلوم می شود که یک کلاس بسیار جالب از پروتئین ها به نام anti-CRISPR وجود دارد." "آنچه ما در حال بررسی آن هستیم این است که آیا می توانیم این پروتئین های ضد CRISPR را با نور کنترل کنیم."

آینده کنترل نوری

در حالی که این مطالعات چشم انداز ویرایش ژنوم درمانی را در نظر می گیرند ، اکثر متخصصان در نهایت کنترل نوری CRISPR -Cas9 را بیشترین تأثیر را به عنوان یک ابزار تحقیق می دانند. در حال حاضر ، CRISPR-Cas9 و انواع آن مزایایی نسبت به سایر تکنیک های ویرایش ژنوم برای ایجاد خطوط سلولی و ارگانیسم های اصلاح شده ژنتیکی ، بازجویی عملکرد ژن پویا و سایر برنامه های تحقیقات زیست پزشکی نشان داده اند. کنترل مشروط با نور فقط باید آن افق ها را گسترش دهد.

امکان ارائه ژن درمانی ایمن تر با استفاده از اپتیک دور از ذهن نیست ، اگرچه روشهای ساده تری برای محدود کردن اثرات خارج از هدف در حال آزمایش است که احتمالاً ابتدا به کلینیک می رسد. به عنوان مثال ، چندین نوع مهندسی Cas9 توسعه داده شده است که منجر به افزایش ویژگی و تمایز DNA مورد نظر می شود.

با این حال ، کنترل نوری با موفقیت مدت زمان فعالیت Cas9 را کوتاه می کند ، که باید اثرات خارج از هدف را کاهش دهد. و nanoCRISPR و روشهای دیگر ویرایش غیر اختصاصی را در سایتهایی با بیشترین پتانسیل برای فعالیت خارج از هدف به حداقل رسانده اند. با این وجود ، مطالعات بیشتری برای تعیین اینکه آیا کنترل نوری اثرات خارج از هدف را در سطح کل ژنوم کاهش می دهد یا خیر ، و بر نگرانی های احتمالی ایمنی و عوارض جانبی غلبه می کند.

با این حال ، به نظر می رسد که کنترل مبتنی بر نور به عنوان بخشی از جعبه ابزار CRISPR-Cas9 باقی مانده است. تانگ می گوید: "من به آینده کنترل نوری CRISPR خوشبین هستم." "حداقل ، می تواند یک ابزار قدرتمند در تحقیقات بیولوژیکی باشد. علاوه بر این ، اگر بتوانیم مشکل طول موج تابش نور و بهبود کارایی ویرایش ژن CRISPR را به طور کلی حل کنیم ، می توان در عمل پزشکی از آن استفاده کرد. "