بیوفوتونیک

اصطلاح بیوفوتونیک ترکیبی از زیست‌شناسی و فوتونیک را نشان می‌دهد.https://en.wikipedia.org/wiki/Biophotonics که در معناعبارت است از مطالعه فناوری برهم‌کنش نور با سامانه‌های آلی، که می‌تواند شامل تابش، آشکارسازی، جذب و شکست باریکهٔ نوری به وسیلهٔ مواد آلی باشد. در این فناوری از روش‌های نوری بر روی مسائل زیست‌شناسی و مهندسی پزشکی استفاده می‌شود.

ظهور علم و فناوری در قرن جدید توسعهٔ لیزرهای متعددی را فراهم آورده‌است؛ که کاربردهای بسیاری در زمینه اپتیک غیر خطی فتونیک و بیوفتونیک دارد، همچنین توسعهٔ میکروسکوپ‌های‌الکترونیکی با قدرت تشخیص بالا، مطالعهٔ مواد را در ابعاد میکرو و نانو میسر ساخته‌است.

لیزرها به عنوان ابزاری در رشته زیست‌شناسی استفاده می‌شوند که به عنوان اندازه‌گیری حرکت ذرات میکروسکوپیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. تیزرهای نوری ابزاری هستند که از نور به عنوان وسیله‌ای برای دست کاری اجسام در حد میکروسکوپیک استفاده می‌کنند. فشار تابشی از طریق لیزر به گونه‌ای است که نیروهای جاذب و دافع ایجاد شده به اندازهٔ کافی برای گیر انداختن ذرات کوچک را فراهم می‌کند. در علم زیست‌شناسی از این ابزار جهت اندازه‌گیری جابجایی‌هایی در حد نانومتر استفاده می‌شود.

تویزرهای‌اپتیکی به عنوان ابزاری که خواص مکانیکی غشاها را اندازه‌گیری می‌کند مورد استفاده قرار می‌گیرد. الف) به عنوان ابزاری که دی ان ای (DNA) به داخل سلول‌های متفاوت وارد می‌کند ب) به عنوان ابزار اندازه‌گیری‌کننده که می‌تواند جابه جایی سلولی را اندازه‌گیری کند. ج) برای مشخص کردن ساختارهای مولکولی زیستی د) به منظور اندازه‌گیری مولکول دی ان ای. تویزرهای اپتیکی همچنین برای آشکارسازی تراکم‌های آنتی ژنی در سطح فمتو مورد استفاده قرار می‌گیرند.

لیزر فمتو ثانیه به دلیل یکپارچگی قدرتمند و توانمندی ساخت، مورد توجه فراوان بوده‌است. کارهایی از قبیل برس جادوی در ابعاد نانو و میکرو، مجموعه از دستگاه‌های چند منظوره در ابعاد میکرو از قبیل میکرو اپتیک، میکرو سیال، میکرو مکانیک، میکرو الکتریک و غیره. می‌تواند ساخته و به‌طور مستقیم به داخل یک قطعهٔ شیشه‌ای با استفاده از لیزر فمتو ثانیه قرار داده شود که در اینجا لیزر فمتو ثانیه را برای مصارف بیو فتونیک مورد استفاده قرار داده‌ایم.

ریز ساخت لیزر فمتو ثانیه قابلیت‌های منحصربه‌فردی در یکپارچه‌سازی ۳ بُعدی و ساخت دستگاه‌های در حد میکرو دارد. ابتدا یکپارچگی لیزر فمتو ثانیه بر روی دستگاه‌های الکترو اپتیکی و سیال‌های با ابعاد کوچک برای مصارف بیوفتونیک مورد مطالعه قرار می‌گیرد.

الف) کاربرد لیزر فمتو ثانیه در بیوفتونیک

یکپارچگی اپتو سیال در شیشه با پیکر بندی ۳ بعدی توسط لیزر فمتو ثانیه ساخته شده‌است مسئله مهم برای ساخت لیزر ۳ بعدی این است که کیفیت محوری همیشه بدتر از کیفیت‌های جانبی به دلیل شکل بیضوی محل ایجاد شده توسط لنز واحد است. برای فائق آمدن بر این مشکل ما دو روش را پیشنهاد می‌دهیم به‌علاوه ما نتها اجزای ۳ بعدی میکرو سیال را شناسایی کرده‌ایم بلکه همچنین میکرو اپتیک ۳ بعدی می‌تواند درون شیشه ساخته شود برای تشکیل یک حفره صفحه‌ای درون شیشه ما از میکرو اینه‌های ۳ بعدی استفاده کرده‌ایم که می‌تواند نور را به کمک انعکاس داخلی منعکس نماید. همچنین ساختار میکرو اپتیک با صفحات تخت، میکرو لنزها با صفحات انحنا دار در این روش به وجود امده‌است میکرو لنزها می‌توانند المان‌های مهمی برای مصارف بیو سنسور باشند، به عنوان موازی ساز متمرکزکننده و المان تصویر برداری عمل می‌کند.

فتونیک و میکرو سیال ۳ بعدی را بر روی یک تراشه شیشه‌ای بکار می‌بریم برای مثال لیزر میکرو سیال به عنوان منبع نور برای تحلیل اپتیکی از قبیل آشکارسازی و اسپکتروسکوپی استفاده کرده‌ایم. شکل زیر نمای فوقانی لیزر میکرو سیال را که مرکب از ۴ اینه افقی درون شیشه و یک اتاقک عمودی میکرو سیال جاسازی شده زیر صفحه شیشه‌ای ویک کانال ازوسط اتاقک تشکیل شده‌است شکل ب یک نمای از کنار لیزر میکرو سیال را نشان می‌دهد. حفره نوری از جفت اینه‌های گوشه تشکیل می‌شود که هر یک تو سط دو میکرو اینه در سمت چپ و راست تشکیل شده‌است. نور از طریق انعکاس داخلی به طرف عقب و جلو حرکت می‌کند. عمل لیزینگ در صورتی‌که میکرو اتا قک‌ها با مادهٔ رنگی Rh6G می‌تواند اتفاق بی افتد. و به دنبال ان از یک لیزر NdYAG برای پمپ استفاده می‌شود همچنین از فیبر نوری در تراشهٔ شیشه‌ای استفاده شده‌است که به درون مدار میکرو سیال برای مسائل بیو فتونیک استفاده شده در شکل د نمای ۳ بعدی از کل ساختار، یک بیو سنسور مرکب از ۲ عدد فیبر جدا شده توسط یک حغره ساخته شده بر روی یک تراشه شیشه‌ای نمایش می‌دهد شکل E تصویر بخشی از میکرو ساختار ساخته شده شامل فیبر و حفره روی سطح شیشه‌ای را نشان می‌دهد به منظور خروج نور از فیبر اول بایستی ان را به فیبر دوم جفت نمود لیزر هلیوم نئون به داخل فیبر اول فرستاده می‌شود و شکل نهایی پراکندگی نور از حفره و خروج نور از فیبر دوم را نشان می‌دهد

ما بتازگی موفق شده‌ایم که موج بر نوری میکرو سیال را بر روی یک تراشه شیشه‌ای به وسیلهٔ لیزر فمتو ثا نیه به وجود آوریم مایع با ضریب شکست متفاوت در داخل یک کانال قرار داده مشود و توسط کنترل کردن ضریب شکست مایع موج بر تک مد یا چند مد حاصل شده‌است.

یکپارچگی الکترو اپتیک با لیزر پالسی فمتو ثانیه:

میکرو سیستم‌های فعال و هزینه پایین چند منظوره از قبیل فتونیک و ریزسیال با استفاده از لیزر پالسی فمتو ثانیه ضروری است. در این مرحله المان‌های میکرو الکتریک را در داخل دی الکتریک‌های با لیزر پالسی فمتو ثانیه نشان داده شده‌است. در این حالت از فلزات خاصی که بر روی صفحه عایق با استفاده از لیزر فمتو ثانیه بکار رفته‌استفاده شده‌است و همچنین از صفحات مسی خاصی استفاده شده‌است. خصوصیات‌های میکرو ساختاری مس‌ها می‌تواند با استفاده از تنظیم پارامترهای لیزر و صفحات مسی بد ست اید. از موج برهای دو خطی و میکرو الکترودها در کریستال LiNbO_3 با مدول ساز Y با استفاده از لیزر فمتو ثانیه ساخته شده‌است. هندسهی میکرو الکترودها از قابلیت انعطاف بالای برخوردار است و بنابراین توزیع میدان الکتریکی درون کریستال قابل تشخیص است. شبیه‌سازی‌های عددی نشان می‌دهد که توپگرافی الکترودها در برهم پوشانی الکترو اپتیکی و ولتاژ نیم موج نقش مهمی دارد. همبستگی الکترونیکی در ساخت سریع میکرودستگاه‌ها بهم پیوسته مفید خواهد بود.

ب) نقطه کوانتومی:

نقطه کوانتومی کریستالست با قطر بین ۱۰ الی ۱۰۰ انگستروم. به دلیل کوچک بودن آن‌ها الکترون‌ها و حفرها دارای محدودیت کوانتومی بوده که این امر خواص نوری مواد را بهبود می‌بخشد. نقطه کوانتومی دارای بازده بسیار پایین (کمتر از ۲۰٪) و ساختار نانو اسکوپیک بین ناحیه سطحی و حجمی بسیار بالا است و بنابراین پیوندهای سطحی حفرهٔ در پروسه تابش از خود نشان می‌دهد که موجب زیر ترازهای انرژی افزایش باند تابش نقاط کوانتمی وتلفات انرژی می‌شود به‌علاوه نانو کرسیتال‌ها ی که تابش آن‌ها در ناحیه مشهود است معمولاً از کادمیوم ساخته شده‌است که موجب مظر بودن برای محیط زیست است اگر اتم‌ها از نقاط کوانتومی جدا شوند. این دو مسئله را به وسیلهٔ پوشش نتاقط کوانتومی با مواد ساکن و پایدار مانند سیلیکا بر طرف کرده‌ایم طیف مشهود رنگ‌های قرمز تا بنفش را دربردارد. نقاط کوانتومی به منظور استحکام پروتین‌های خاصی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای این‌گونه مصارف بایستی طول موج‌های ناحیه ماورا بنفش تا محدوده قابل مشاهده از مصارف بازرگانی در ابعاد ۱۰۰۰ نانومتر را کنترل نمود. ساختارهای سلولی با رنگ‌های متعددی مشخص می‌شوند در شکل پایین خانوادهٔ از نیمه رساناها CdE=S,Se,Te برای این‌گونه مصارف مفید هستند در میان کاربردهای متعدد نقاط کوانتمی در اینجا ما کاربرد نقطه کوانتومی به عنوان فلورسان برای میکروسکوپی نوری در بیوفتونیک را توضیح خواهیم داد.

دلیل اصلی برای استفاده از نتاط کوانتومی به عنوان فلور سانس این است که هیچ گونه ضایعه نوری دیده نشده‌است در مواد رنگی الی قدیمی این اثر از مقدار ثانیه تا یک دقیقه بسته به شدت منبع نوری مشاهده می‌شد. نمونه‌های مورد بحث را در حضور و غیاب میکروسکوپ نوری مورد مطالعه قرار داده‌ایم به‌علاوه غیاب ضایعه نوری نقطعه کوانتومی همچنین مزایای مهم دیگری دارد. تحریک دو ماده رنگی متفاوت نیاز به دو منبع لیزر متفاوت دارد در یک حالت خاص از نقطه کوانتومی نوار تحریک از یک حالت به حالت دیگری‌گذار انجام می‌دهد بدین معنی که منبع محرک نقاط کوانتومی متفاوت را در یک زمان تحریک می‌کند. نمونه‌های کوانتومی کلوئیدی تولیده شده در UNICAMP , از یک منبع نوری ما ورابنفش به عنوان میکروسکوپ فلوروسانس استفاده می‌کند.

[[پرونده:|thumb|400px|center|شکل۴-خانواده نیمه رسانا CdE = S, SeوTe نمونه‌های ایجادشده نقاط کوانتومی در]]

ج) کاربرد لیزر در جراحی چشم

لیزر جوش دهنده روش جدیدی در جراحی چشم است؛ که در این روش از برهم کنش نور لیزر با مؤلفه‌های اصلی سلول‌های خارجی صورت می‌پذیرد مزیت جوش در مقایسه با بخیه زدن و جراحی به کمک چاقوی جراحی درکاهش مدت زمان عمل جراحی، عفونت کمتر و بهبود سریعتر و افزایش سرعت ترمیم بافت‌ها است، در این روش از لیزر دیودی مادون قرمز استفاده می‌شود که نور لیزر به صورت پیوسته یا پالسی انتقال می‌یابد بنابراین دو روش متفاوت که برای عمل قرنیه چشم بکار می‌رود که شکل زیر قرنیه چشم پیوند داده شده را نشان می‌دهد. لیزر دیودی جوش دهنده برای بخیه قرنیه استفاده شده‌است.