لیزر، نانوذرات و اپتیک

لیزر، نانوذرات و اپتیک

خلاصه

این فصل تأثیرات اپتیک و لیزر بر روی نانوتکنولوژی و چگونگی برهمکنش کوچک‌سازی ماده با نور را ارائه می‌کند. پیشرفت‌ها در فناوری نانو راه را برای ایجاد حوزه‌های جدید تحقیقاتی، یعنی نانوفوتونیک یا نانواپتیک هموار کرده است. این زمینه رفتار نور در رژیم های مقیاس نانو و تعامل اجسام در اندازه نانو با نور را پوشش می دهد. در حال حاضر، عمده ترین کاربردها در میکروالکترونیک و اپتوالکترونیک، سلول های خورشیدی، حسگرها، طیف سنجی، میکروسکوپ و غیره است. نتایج این نوع تحقیقات خطوط جدیدی از تحقیقات و پیشرفت ها را در کاربردهایی از جمله تکنیک های ساخت در مقیاس نانو با استفاده از لیزر، فوتونیک در اندازه نانومتر باز می کند. دستگاه ها و تبدیل انرژی بسیار کارآمد. این فصل به عنوان یک بررسی یک مرحله ای از اصول لیزر و کاربردهای لیزر در فناوری نانو، برهمکنش لیزر-ماده و لیزر تصادفی عمل می کند.

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

تحقیقات گروه فیزیک هسته ای

تحقیقات گروه فیزیک هسته ای ماده را در مقیاس زیر اتمی بررسی می کند. هسته، در قلب اتم فوق العاده متراکم و پیچیده است. کوارک ها و گلوئون ها هادرون ها را تشکیل می دهند. پروتون‌ها و نوترون‌هایی که اجزای سازنده تمام مواد روی زمین را تشکیل می‌دهند. طیف موضوعاتی که ما در مورد آنها تحقیق می کنیم سؤالات اساسی در مورد وضعیت ماده در کیهان اولیه، نحوه ساخت عناصر در ستارگان، شکل و اندازه هسته ها و همچنین کاربردهایی مانند طراحی و مدل سازی راکتور هسته ای تا تصویربرداری پزشکی را پوشش می دهد. و ردیابی ذرات در کاربردهای صنعتی حوزه های مختلف تحقیقاتی با جزئیات بیشتر در زیر توضیح داده شده است.

منابع پلاسمای فشار اتمسفر سرد برای کاربردهای سرطان

در این فصل، فیزیک و مهندسی منابع پلاسمایی با دمای پایین مورد استفاده در پزشکی پلاسما پوشش داده شده است. ابتدا، یک بررسی کلی از دستگاه های اصلی پلاسما ارائه شده است. در ادامه توضیحات مفصلی درباره یکی از منابع اصلی پلاسما مورد استفاده در انکولوژی پلاسما، جت پلاسمای فشار اتمسفر غیرتعادلی (N-APPJ) ارائه می شود.

تابع توزیع انرژی الکترون

  تخلیه سد مقاومتی

تخلیه سد دی الکتریک

عدم تعادل

فشار جو

جت های پلاسما

گلوله پلاسما

فیزیک اتمی و مولکولی (AMP)

معرفی

حوزه فیزیک اتمی و مولکولی (AMP) به پیشرفت های قابل توجهی در تکنیک های اندازه گیری تجربی با دقت بالا دست یافته است. این منطقه طیف گسترده ای را در بر می گیرد که از نواحی چند رشته ای معمولی تا نوظهور جدید مانند فیزیک یون های باردار بالا (HCI)، فیزیک مولکولی، علوم نوری، فناوری لیزر فوق سریع و غیره را شامل می شود. این کتاب شامل موضوعات مهم ساختار اتمی، فیزیک اتمی است. برخورد، برانگیختگی نوری، فرآیندهای یونیزاسیون نوری، خنک‌سازی و به دام انداختن لیزر، تراکم بوز انیشتین و کاربردهای فناوری پیشرفته AMP در زمینه‌های نجوم، اخترفیزیک، همجوشی، زیست‌شناسی و نانوتکنولوژی. این کتاب برای محققان، اساتید، دانشجویان فارغ التحصیل، فوق لیسانس و دکترا که با فیزیک اتمی و مولکولی سروکار دارند مفید است. این کتاب دامنه وسیعی با کاربردها در زمینه های همسایه مانند فیزیک پلاسما، اخترفیزیک، برخوردهای سرد، نانوتکنولوژی و منابع انرژی همجوشی آینده مانند دستگاه پلاسما توکوماک ITER (راکتور آزمایشی حرارتی هسته ای بین المللی) دارد که به داده های AMP دقیق نیاز دارد.

طیف سنجی جذبی گاز در محیط پراکنده

طیف سنجی جذبی گاز در محیط پراکنده

طیف‌سنجی جذبی گاز در محیط پراکنده (GASMAS) یک تکنیک طیف‌سنجی گازی است که از طیف‌سنجی لیزری دیود قابل تنظیم برای اندازه‌گیری غلظت گازهای محصور در محیط منتشر به روشی غیرتهاجمی استفاده می‌کند. 6 تشخیص اوتیت، 7 تشخیص زودرس استئونکروز، 8 و نظارت بر اکسیژن (

O

2

) و بخار آب (

اچ

2

O

) در ریه های نوزادان. 9-12 مطالعاتی که ترجمه بالینی GASMAS را به مراقبت های بهداشتی تنفسی پیش می برد، بر روی نوزادان متمرکز شده است زیرا ضخامت اندام های محافظ اطراف ریه های آنها در محدوده عمق نفوذ نور مادون قرمز نزدیک است.

نمودار راه های هوایی تنفسی

نمودار راه های هوایی تنفسی. راه های هوایی رسانا گرم می شوند و هوای استنشاقی را مرطوب می کنند، تبادل گاز در ناحیه تنفسی که آلوئول ها در آن قرار دارند رخ می دهد.

پزشکی هسته ای

اندازه‌گیری حجم تنفسی ریه‌ها برای ارزیابی وضعیت بیمار و تشخیص تعدادی از بیماری‌هایی که راه‌های هوایی را مسدود می‌کنند، مهم است. با این حال، رویکردهای فعلی برای اندازه‌گیری حجم ریه، اطلاعاتی در مورد تغییرات حجمی موضعی در ریه ارائه نمی‌دهند و نمی‌توان آن را برای نوزادان تازه متولد شده یا بیماران تحت بیهوشی استفاده کرد.

برای غلبه بر این محدودیت‌ها، دانشمندان در ایرلند یک روش نوری به نام گاز را در طیف‌سنجی جذبی پراکنده رسانه (GASMAS) آزمایش کرده‌اند که نه از یک ریه واقعی، بلکه از یک مدل بافت ریه یا "فانتوم" استفاده می‌کند (J. Biomed. Opt., doi: 10.1117). /1.JBO.27.7.074707). فانتوم مصنوعی به دانشمندان این امکان را داد که تغییرات حجمی را در طول یک فرآیند تنفسی اندازه‌گیری کنند و به گفته نویسندگان مطالعه، پتانسیل GASMAS را در کلینیک نشان دهند.

از تابش نور تا غلظت گاز

سیستم تنفسی انسان که ساختار پیچیده ای از ماهیچه ها و سایر بافت هاست، نقش های اساسی بسیاری از جمله استنشاق هوای حاوی اکسیژن و بازدم دی اکسید کربن و رساندن اکسیژن به سلول ها ایفا می کند. تشخیص به موقع هرگونه نقص سیستم مهم است.

با این حال، تشخیص همیشه آسان نیست. روش‌های توسعه‌یافته قبلی، مانند اسپیرومتری و پلتیسموگرافی، مستلزم آن است که بیماران به طور فعال در طول آزمایش تنفس و تنفس کنند. این باعث می شود که آزمایش ها برای نوزادان تازه متولد شده یا برای بیمارانی (مانند کسانی که تحت بیهوشی عمومی هستند) که بیهوش هستند نامناسب باشد.

آندریا پاچکو از مؤسسه ملی تیندال و دانشگاه کالج کورک، ایرلند و همکارانش می‌خواستند با اندازه‌گیری تغییرات حجم گاز در ریه‌ها به طور غیرمستقیم بر اساس ویژگی‌های پراکندگی نوری و جذب، ببینند که آیا تکنیک GASMAS می‌تواند این مشکلات را پشت سر بگذارد. GASMAS نه تنها غیر تهاجمی است، بلکه می تواند سیگنال های جذب گازها را در پس زمینه سیگنال های ارگان های اطراف ریه ها تشخیص دهد.

این تیم از دو منبع نوری مختلف برای آزمایش استفاده کردند: 760 نانومتر برای باند جذب O2 و 820 یا 935 نانومتر برای H2O. از آنجایی که غلظت H2O شناخته شده است (به عنوان رطوبت نسبی در داخل سیستم تنفسی انسان در 100٪ نگه داشته می شود)، با اندازه گیری شدت نور پراکنده، تیم می تواند طول مسیر نور را با استفاده از معادله Beer-Lambert محاسبه کند. و با متصل کردن طول مسیر محاسبه شده به معادله شدت سیگنال های نور برای O2، تیم می تواند غلظت O2 را نیز دریابد.

یک فانتوم بهتر

اما قبل از اینکه GASMAS بر روی بیماران واقعی استفاده شود، این روش باید روی افراد غیر انسانی آزمایش می شد. این همان جایی است که فانتوم بافت وارد می شود. پاچکو و همکارانش قبلاً یک ناحیه کامل قفسه سینه یک نوزاد تازه متولد شده را با استفاده از فانتوم های نوری مختلف ساخته بودند تا امکان سنجی GASMAS را بر روی بدن انسان آزمایش کنند. اما این مدل آناتومی ریه را در مقیاس آلوئول ها - کیسه های هوایی کوچکی که در آنها تبادل اکسیژن و دی اکسید کربن در خون انجام می شود - در نظر نمی گرفت - و بنابراین، نمی توانست میزان دقیق GASMAS را مشخص کند. قادر به تشخیص تغییرات حجم تنفس در ریه ها باشد.

برای مطالعه جدید، تیم یک فانتوم با ساختار مویرگی ساخته شد که با اندازه آلوئول های ریه انسان مطابقت دارد. آنها همچنین از یک فانتوم نوری به اصطلاح مایع - مخلوطی از مایع چرب، جوهر و آب - استفاده کردند که با خاصیت جذب و پراکندگی بافت ریه مطابقت دارد.

تست کردن سیستم

برای تقلید بازدم، دانشمندان 20 مویرگ از 229 مویرگ را در هر مرحله با فانتوم مایع پر کردند و سیگنال نور پراکنده را در هر مرحله اندازه گرفتند. مویرگ های خالی بدون مایع پاسخ آلوئول های پر از هوا را تقلید کردند. پس از یازده اندازه‌گیری، از جمله اندازه‌گیری سیستم مویرگی کاملاً خالی، دانشمندان روند را معکوس کردند و در حین انجام همان اندازه‌گیری‌ها، از استنشاق کپی کردند. در طول آزمایش، کل ساختار در محفظه ای قرار داشت که دما و رطوبت فیزیولوژیکی مربوطه را حفظ می کرد.

تیم سپس سیگنال جذب GASMAS را با نسبت مویرگ‌های پر از هوا در مقابل مویرگ‌های پر از فانتوم مقایسه کرد و دریافت که با کاهش نسبت مویرگ‌های پر از هوا، سیگنال به طور پیوسته کاهش می‌یابد. وقتی پاچکو و همکارانش داده‌ها را تجزیه و تحلیل کردند، متوجه شدند که با موفقیت نشان داده‌اند که GASMAS واقعاً می‌تواند برای اندازه‌گیری تغییر حجم سیستم فانتوم و بنابراین، ریه‌های انسان استفاده شود.

پاچکو می گوید که مقالات قبلی در مورد GASMAS "بیشتر بر روی اندازه گیری غلظت گاز متمرکز شده اند." ما نشان می دهیم که GASMAS می تواند برای حس کردن تغییرات کوچک حجم در فانتوم استفاده شود. ... از آنجا، [ما می توانیم] سعی کنیم ... آزمایش هایی را طراحی کنیم تا ببینیم آیا می توانیم به نحوی از این نتایج استفاده کنیم و مجموعه جدیدی از اندازه گیری ها را در بیماران واقعی برنامه ریزی کنیم.

فانتوم برای انسان

استفاده از GASMAS روی بیماران انسانی فقط یک رویا نیست. پاچکو با همکاری مرکز تحقیقات INFANT در کورک، ایرلند، و GPX Medical، یک شرکت تجهیزات پزشکی مستقر در سوئد، می گوید که او و همکارانش با استفاده از یک سیستم در 1 نوامبر با موفقیت استفاده از آن را بر روی اولین بیمار انسانی خود - یک نوزاد - نشان دادند. توسعه یافته توسط GPX. و آنها به انجام آزمایشات بالینی مشاهده ای ادامه می دهند.

پاچکو می گوید: «تکنیک بسیار تکامل یافته است. او می افزاید که هنوز راه های بیشتری وجود دارد که GASMAS می تواند مورد استفاده قرار گیرد، مانند در بیماران بزرگسال و با آندوسکوپ ریوی. همچنین ممکن است برای تشخیص عفونت سینوس و گوش استفاده شود. او می‌گوید: «من پتانسیل‌های زیادی از فناوری می‌بینم، اما هنوز راه زیادی در پیش است. "اما دیدن این که می توان ... تغییرات در حجم [گاز] را اندازه گیری کرد، بسیار هیجان انگیز است."

بیوفوتونیک و تصویربرداری

بیوفوتونیک

اپتیک زیست پزشکی

نور و ماده

فعل و انفعالات نور-ماده

لیزرها، تکنولوژی لیزر فعلی و اپتیک غیرخطی

فوتوبیولوژی

تصویربرداری زیستی: اصول، تکنیک ها و کاربردها

حسگرهای زیستی نوری

فناوری ریزآرایه برای ژنومیک و پروتئومیکس

فلوسیتومتری

درمان با نور فعال: درمان فتودینامیک

مهندسی بافت با نور

موچین لیزری و قیچی لیزری

نانوتکنولوژی برای بیوفوتونیک: بیونانوفوتونیک

بیومواد برای فوتونیک