موچین های نوری

پیکربندی آزمایشی موچین های نوری معمولی. یک تلسکوپ ساده برای گسترش پرتو لیزر به منظور پر کردن بیش از حد دیافراگم پشت هدف استفاده می شود. پرتو لیزر منبسط شده، که توسط یک آینه دو رنگ (DM1) منعکس شده است، با هدف جفت می شود. پرتو لیزر توسط هدف متمرکز شده و یک تله نوری را تشکیل می دهد. QPD در یک صفحه مزدوج کندانسور قرار می گیرد تا نور پراکنده رو به جلو را که توسط آینه دو رنگ (DM2) منعکس می شود جمع آوری کند. ذرات به دام افتاده با دوربین CCD تصویربرداری می شوند.

تله گذاری نوری با نور ساختار یافته

خلاصه

تله نوری تعامل بین نور و ماده برای دستکاری اجسام ریز از طریق انتقال تکانه را توصیف می کند. در مورد به دام انداختن سه بعدی با یک پرتو، به آن موچین نوری می گویند. موچین های نوری ابزاری قدرتمند و غیرتهاجمی برای دستکاری اجسام کوچک هستند و در بسیاری از زمینه ها از جمله فیزیک، زیست شناسی، مواد متراکم نرم و غیره ضروری شده اند. در روزهای اولیه، به دام انداختن نوری معمولاً با یک پرتو گاوسی انجام می شد. در سال های اخیر، ما شاهد پیشرفت سریعی در استفاده از پرتوهای نوری ساختاریافته با فاز، دامنه و پلاریزاسیون سفارشی در تله گذاری نوری بوده ایم. ویژگی‌های پرتو غیرمعمول، مانند تکینگی‌های فاز روی محور و ماهیت ثابت انتشار، قابلیت‌های جدیدی را برای مطالعه ریزدستکاری در مایع، هوا و خلاء باز کرده است. ما پیشرفت های اخیر در زمینه تله گذاری نوری را با استفاده از پرتوهای نور ساختار یافته خلاصه می کنیم.

موچین های نوری نرم شدن و سیالیت درون سلولی را در طول تقسیم سلولی نشان می دهند

سلول های زنده بلوک های اساسی ساختمان همه موجودات هستند. ما به عنوان انسان اساساً مجموعه ای از تریلیون ها سلول زنده هستیم: و همه این سلول ها از یک تخمک بارور شده پدید می آیند. این بدان معناست که "میتوز" (یا تقسیم سلولی) یکی از اساسی ترین و مهم ترین فرآیندهای زندگی است.

فوتونیک راه را برای دریافت جایزه نوبل هموار می کند

فوتونیک راه را برای دریافت جایزه نوبل هموار می کند

تشخیص سریع با نور

کلید مهار این بیماری همه گیر، تشخیص زودهنگام عفونت است. سیستم‌های تصویربرداری مبتنی بر دوربین‌های تصویربرداری حرارتی با وضوح بالا می‌توانند با شناسایی افرادی که به طور بالقوه بر اساس دمای بدنشان آلوده هستند، کمک کند. سیستم های مدرن قادرند دمای بدن چند نفر را به طور همزمان ثبت کنند. این سیستم‌های بدون تماس و به لطف لنزهای مادون قرمز مدرن، بر روی کانتوس داخلی بین چشم و بینی تمرکز می‌کنند و با دقت یک دهم درجه اندازه‌گیری می‌کنند. استفاده از ایستگاه های اندازه گیری سیار نیز قابل تصور است. 

غربالگری دمای بدن اولین قدم است. اما برای روشن شدن اینکه آیا تب واقعاً ناشی از ویروس SARS-CoV-2 است، به یک تشخیص دقیق عملی نیاز است. در اینجا نیز فوتونیک رویکردهای راه حل جدیدی مانند تجزیه و تحلیل سلول های آلوده با استفاده از میکروسکوپ رامان ارائه می دهد. این بر این اصل استوار است که فوتون های وارد شده در نمونه ها از طریق لیزر با مولکول های زیستی تعامل دارند. سطح انرژی آنها کاهش می یابد، که یک طیف پراکندگی ایجاد می کند که مشخصه مولکول مربوطه است. این اصل که در میکروسکوپ تله‌گذاری رامان بسیار حساس پیاده‌سازی شده است، می‌تواند برای تشخیص کووید-19 استفاده شود. به خصوص که سلول های بدن مورد بررسی را می توان در فوکوس لیزر با موچین های نوری برای تجزیه و تحلیل رامان ثابت کرد. این سیستم همراه با دوربین رنگی GigE از Allied Vision، تجزیه و تحلیل های سریع و نیمه خودکار را امکان پذیر می کند. 

نانوتکنولوژی زیست پزشکی

علم نانوتکنولوژی شامل توسعه مواد جدید با ابعادی بین ده ها تا چند صد نانومتر است.

 

الاستوگرافی نوری و بیومکانیک بافت

روش های الاستوگرافی نوری به طور کلی

توموگرافی انسجام نوری/الاستوگرافی

ردیابی لکه و ذرات و هولوگرافی

روش های پردازش سیگنال برای الاستوگرافی نوری

روش های کمی، از جمله ترکیب مدل سازی و اندازه گیری

طرح های بارگذاری جدید، مانند اولتراسوند متمرکز، فتوترمال و مغناطیسی

روش های اندازه گیری خواص ویسکوالاستیک به ویژه

فوتوآکوستیک به سمت بیومکانیک

پراکندگی بریلوین برای بیومکانیک

موچین های نوری برای خواص مکانیکی سلولی و درون سلولی اعمال می شود

کاوشگر اسکن و سایر روش های نانومقیاس برای بیومکانیک

روش های پویا برای مشخص کردن ارتعاش بافت، مانند گوش و تارهای صوتی

کاربردهای الاستوگرافی نوری به طور کلی

الاستوگرافی in vivo

الاستوگرافی برای شناسایی آسیب شناسی بافتی در شرایط in vivo و in vivo استفاده می شود

کاربردهای الاستوگرافی حین عمل

الاستوگرافی در قلب و عروق

بیومکانیک چشم

کاربردهای چشمی الاستوگرافی نوری

بیومکانیک بافت سخت در استخوان ها و کاربردهای دندانی

بیومکانیک در مدل های حیوانی

بیومکانیک در مهندسی بافت

بیومکانیک در زیست شناسی رشد

اندازه گیری میکرورئولوژی با استفاده از تکنیک های نوری

میکروسکوپ نیروی کششی و روشهای مرتبط

روش های مکانیک سلولی

تکنیک‌های نوروفوتونیک، آسیب‌های تروماتیک مغز را روشن می‌کنند

تکنیک‌های نوروفوتونیک، آسیب‌های تروماتیک مغز را روشن می‌کنند

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

امواج ضربه ای ناشی از لیزر بر روی سلول های عصبی، که با تصویربرداری فاز کمی نظارت می شود، به درک آسیب مغزی و اثرات فیزیولوژیکی آن کمک می کند.

آسیب تروماتیک مغزی می تواند تأثیرات فاجعه باری بر عملکرد روزمره و کیفیت زندگی داشته باشد. اکنون، مجموعه ای از ابزارهای فوتونیک ممکن است بینش جدیدی در مورد این وضعیت ارائه دهد. همراه با دانش فنی که با استفاده از علوم زیستی و فیزیکی در دسترس است، از روش های جدید تصویربرداری و تکنیک های بیوفوتونیکی به خوبی استفاده می شود. نمونه بارز این اتصال متقابل مطالعه امواج ضربه ای ناشی از لیزر (LIS) است.

اثرات امواج ضربه ای بر بدن انسان برای اولین بار در طول جنگ جهانی دوم مشاهده شد، زمانی که مشخص شد ملوانانی که در زمان انفجار اژدر در اقیانوس بودند، اما مستقیماً هدف قرار نگرفتند، اغلب به دلیل اختلال در ریه جان خود را از دست دادند. در تعدادی از موارد، هیچ آسیب فیزیکی خارجی به آنها وارد نشده بود. با این حال، اخیراً امواج ضربه ای به عنوان علت آسیب تروماتیک مغزی مطرح شده اند. هنگامی که امواج ضربه ای ایجاد شده توسط یک ضربه یا موج انفجار از جمجمه عبور می کند، می تواند به بافت عصبی آسیب برساند. آسیب به مغز ممکن است پایدار باشد و منجر به انواع اثرات ناتوان کننده مانند از دست دادن حافظه، افسردگی و سایر اختلالات ذهنی شود.

برای مطالعه اثرات امواج شوک بر مغز، تیم تحقیقاتی نویسندگان در دانشگاه کالیفرنیا، ایروین اخیراً از لیزر پالسی 1064 نانومتری Nd:YAG برای ایجاد امواج شوک میکروسکوپی و نظارت بر اثرات روی سلول‌های منفرد استفاده کردند. با استفاده از یک پرتو لیزر پالسی متمرکز بر یک نقطه، می توان انرژی شدید تولید کرد. هنگامی که تجمع انرژی در نقطه کانونی به اندازه کافی قوی باشد، یک حباب کاویتاسیون تشکیل می شود و سپس فرو می ریزد، که یک موج ضربه ای ایجاد می کند که از کانون به بیرون تابش می کند. با کنترل دقیق پارامترهای پرتو، امواج ضربه ای را می توان به گونه ای کالیبره کرد تا نیروهایی معادل منابع شناخته شده آسیب تروماتیک مغزی اعمال کند.

نویسندگان از این پدیده برای شبیه سازی آسیب های مغزی در شرایط آزمایشگاهی با استفاده از امواج ضربه ای ناشی از لیزر برای آسیب رساندن به سلول های عصبی مانند آستروسیت ها استفاده کردند. آستروسیت ها سلول های گلیال ستاره ای شکل هستند که پرتعدادترین سلول ها در سیستم عصبی مرکزی هستند. آنها نقش مهمی در حفظ عملکرد سالم نورون های مغز دارند. از آنجایی که سلول ها مسئول حفظ و تامین مواد مغذی به بافت عصبی در مغز و نخاع هستند، مطالعه نحوه واکنش آستروسیت ها به تروما، بینش های ارزشمندی را در مورد مکانیسم هایی که مغز برای ترمیم آسیب های داخلی استفاده می کند، ارائه می دهد.

یکی از راه های ارزیابی آسیب وارد شده به سلول، نظارت بر تغییرات مورفولوژیکی سلول است. با ایجاد امواج ضربه ای در نزدیکی سلول و اندازه گیری کمی تغییر حجم سلول با استفاده از میکروسکوپ هولوگرافیک، می توان مشاهده کرد که سلول چگونه در پاسخ به نیروی خارجی اعمال شده تغییر شکل می دهد.

میکروسکوپ فاز کمی (QPM)1 بر روی تصویربرداری تداخل فاز متمرکز است. تصویربرداری فازی به سال 1887 و با اختراع تداخل سنج مایکلسون برمی گردد. در دهه 1980، این تکنیک‌های تداخل با افزودن فناوری اسکن دیجیتالی که تداخل سنجی هولوگرافیک پویا را فعال می‌کرد، یک قدم فراتر برداشته شد. شفافیت سلول های زنده در طول تاریخ تصویربرداری از آنها را در زیر میکروسکوپ میدان روشن دشوار کرده است. با این حال، QPM می‌تواند با استفاده از اطلاعات فاز نور هنگام عبور از سلول‌ها، از سطوح سلول‌ها با وضوح نانومتری تصویربرداری کند. QPM تصاویر تداخل حاصل از دو پرتو را می گیرد: یکی که از نمونه عبور می کند و دیگری به عنوان پرتو مرجع استفاده می شود. با استفاده از الگوریتم‌های فاز باز کردن، QPM می‌تواند تغییر فاز در نور ناشی از سلول را اندازه‌گیری کند. با دانستن ضریب شکست می توان ارتفاع سلول ها را از طریق اطلاعات فاز به صورت کمی اندازه گیری کرد.

برای اهداف پژوهش نویسندگان، از QPM برای مشاهده ضخامت سلول های عصبی استفاده شد. این برای محاسبه حجم سلول ها و هرگونه تبادل جرم بین سلول ها و محیط آنها یا سلول های همسایه استفاده می شود. سپس از LIS برای القای آسیب سلولی و شبیه‌سازی آسیب مغزی تروماتیک استفاده شد تا بتوان پاسخ آستروسیت‌های عصبی را تعیین کرد و نقش سلول‌ها را در این فرآیند مشخص کرد.

با ترکیب این کار با تکنیک های فلورسانس معمولی، یک سیستم پیچیده از سیگنال دهی بین سلولی به تدریج آشکار شده است. این شبکه سیگنالینگ، که سطح کلسیم داخل سلولی را تغییر می‌دهد، پاسخ آسیب به آستروسیت‌های مجاور را تنظیم می‌کند و آپوپتوز و ترمیم سلولی را واسطه می‌کند.

سایر تکنیک ها در کار

علیرغم بینش های ارائه شده توسط امواج ضربه ای ناشی از لیزر و QPM، استفاده از تکنیک های کمتر مخرب برای دستکاری سلول ها در زیر میکروسکوپ اغلب سودمند است. در اینجا نیز فناوری بیوفوتونیک راهی برای حرکت و کاوش سلول های عصبی فراهم کرده است.

شاید یکی از پیشگامانه ترین کاربردهای پرتوهای لیزر در مقیاس سلولی، اختراع موچین های نوری توسط آرتور اشکین بود که برای آن جایزه نوبل را در سال 2018 دریافت کرد. بینش اشکین مبنی بر اینکه فشار تشعشع می تواند برای محدود کردن ذرات ریز میکروسکوپی در سه بعدی استفاده شود، این امکان را فراهم کرده است. مجموعه ای از اندازه گیری ها در سطح درون سلولی، از جمله در مغز. اشکین با استفاده از پرتوهای لیزر بسیار متمرکز توانست به اصطلاح نیروی گرادیان نوری بر روی ذرات دی الکتریک نزدیک به کانون پرتو ایجاد کند. این نیرو او را قادر ساخت تا ذرات منفرد را در مقیاسی که قبلاً هرگز به دست نیامده بود، به دام بیندازد و حرکت دهد.

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.

دستکاری چند منظوره گلبول های قرمز با استفاده از موچین های نوری

دستکاری چند منظوره گلبول های قرمز با استفاده از موچین های نوری

ترجمه با مهندس شکوفه ساتری

پیشرفت‌های اخیر برای استفاده از موچین‌های نوری در مطالعات چند منظوره روی گلبول‌های قرمز خون (RBC)، از جمله تغییر شکل قابل کنترل، کشش پویا، تجمع گلبول‌های قرمز، جداسازی خون، خصوصیات رامان، مونتاژ دستگاه‌های بیوفوتونیکی و دستکاری درون تنی بررسی شد. با زیست سازگاری بالا و ماهیت غیر تهاجمی، موچین های نوری پتانسیل زیادی برای توصیف عملکردهای فیزیولوژیکی گلبول های قرمز در شرایط آزمایشگاهی و درون تنی از خود نشان داده اند، بنابراین بینش جدیدی برای تشخیص بالینی بیماری های عروقی و تحویل هدفمند نانوپزشکی در داخل بدن ارائه می دهند.