Naukowcy z Politechniki Wrocławskiej stworzyli specjalny laser, który pozwoli na znacznie bardziej precyzyjne badanie m.in. siatkówki oka, oferując tym samym szybką i prostą diagnostykę. Może obsługiwać go osoba, która nie ma wyjątkowych umiejętności z zakresu techniki laserowej. „Wystarczy przycisnąć jeden guzik i laser działa” – zaznacza dr. hab. Grzegorz Soboń z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów Politechniki. Wśród potencjalnych zastosowań wymienia się analizę nanomateriałów czy aktywowanie reakcji chemicznych. Eksperci chcą skomercjalizować urządzenie.
Spis treści
Udoskonalić zmysł wzroku
Pisząc o laserach najczęściej w wyobraźni pojawiają się takie, które wychodzą wprost z oczu superbohatera. Tym razem, opowiadamy o trochę innych narzędziach, ponieważ ich stworzenie stanowiło kolejny kamień milowy w rozwinięciu narzędzi obserwacyjnych. Ich cel? Wspomaganie ludzkiego wzroku. Pomimo zaawansowania zmysłu wzroku naukowcy od wieków starali się uzupełnić (lub raczej udoskonalić) go przyrządami optycznymi. Konstruowali lunety i teleskopy, aby móc obserwować daleko położone lub słabo świecące obiekty astronomiczne. Mikroskopy z kolei umożliwiały badanie mikroorganizmów oraz innych bardzo małych struktur.
W szczególności, rozwój mikroskopii był kluczowy dla szybkiego postępu w dziedzinach takich jak nanotechnologia, biofizyka, biologia i medycyna. Umożliwiają obserwację struktur na poziomie komórkowym i molekularnym, co otworzyło drogę do odkrywania nowych faktów i zjawisk w świecie nauki.
Jednakże, gdy okazało się, że ludzki wzrok nie jest wystarczająco czuły, aby dostrzec bardzo słabe sygnały świetlne, naukowcy zwrócili się ku konstrukcji elektronicznych, półprzewodnikowych detektorów światła. Jak podaje jeden z artykułów opublikowanych w czasopiśmie Neutrino, pismo dla uczniów o fizyce i astronomii (wydawane przez Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego), pierwszymi z nich były fotodiody, a następnie matryce CCD, które obecnie znajdują zastosowanie w skanerach obrazów i cyfrowych aparatach fotograficznych. Te nowoczesne fotodetektory nie tylko umożliwiły „dostrzeganie” słabego światła, ale także rozszerzyły zakres czułości na obszary podczerwieni i ultrafioletu, promieniowania niewidocznego dla ludzkiego oka.
Stworzenie laserów było więc odpowiedzią na potrzebę uzyskania silnych, skoncentrowanych źródeł światła, które mogłyby być wykorzystane w różnych dziedzinach nauki i technologii. Znalazły zastosowanie m.in. w badaniach, medycynie, przemyśle. Ich rozwój stanowił istotny krok naprzód, umożliwiając bardziej precyzyjne i zaawansowane techniki obserwacyjne, które przyczyniły się do dalszego postępu w wielu dziedzinach nauki i technologii.
Laser z maksymalnie krótkim impulsem i absolutnie prostym sposobem obsługi
Nowoczesne urządzenia femtosekundowe stosunkowo często wykorzystuje się w laboratoriach. Takie urządzenia pozwalają na wytwarzanie impulsów promieniowania o czasie trwania od kilku do kilkudziesięciu femtosekund! Te króciutkie impulsy świetlne nie powstają jednak przez szybkie i rytmiczne zasłanianie i odsłanianie wiązki lasera. Powszechnie ośrodkiem czynnym jest kryształ syntetycznego szafiru domieszkowanego tytanem. Jest to przykład tzw. lasera tytanowo-szafirowego.
Nasz zespół od wielu już lat zajmuje się laserami. W ramach jednego z projektów opracowaliśmy laser światłowodowy, który jest laserem impulsowym, czyli emitującym krótkie 'błyski’ światła. Pojawiają się one w równych odstępach czasu i są niezwykle krótkie. W tym przypadku oznacza to kilkadziesiąt femtosekund, przy czym femtosekunda to jedna biliardowa część sekundy.
dr. hab. Grzegorz Soboń z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, prof. Politechniki Wrocławskiej, cytowany przez serwis naukawpolsce.pl.
Zespół naukowców pod kierunkiem dr. hab. Grzegorza Sobonia z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów od wielu lat zajmuje się opracowywaniem laserów. Badacz otrzymał nawet niedawno Nagrodę im. Nikoli Tesli, przyznawaną przez Politechnikę Wrocławską za wybitne osiągnięcia naukowe lub inżynierskie. Tym razem opracowali laser, który dzięki swojej prostej konstrukcji i funkcjonalności będzie mógł z powodzeniem zastąpić urządzenia starszej generacji, (w tym wspomniany laser tytanowo-szafirowy) które to są „leciwe, duże, skomplikowane i drogie” – jak opisuje to prof. Soboń. Według eksperta, parametry nie spełniały norm bezpieczeństwa, nie nadając się do badania ludzkiego wzroku.
W przeciwieństwie do tradycyjnych laserów femtosekundowych, nowy laser światłowodowy charakteryzuje się znacznie prostszą konstrukcją. To podejście pozwala na efektywne wykorzystanie technologii laserowej bez zbędnych skomplikowań, co z kolei przekłada się na kolejny atut – obsługę. Dzięki temu jest dostępnym dla szerokiego spektrum specjalistów narzędziem. Lekarze, biolodzy czy chemicy nie muszą być ekspertami z zakresu techniki laserowej, aby skorzystać z jego potencjału. Wystarczy jedno naciśnięcie guzika, aby go uruchomić, co znacząco zwiększa dostępność tego zaawansowanego technologicznie narzędzia.
Laser i jego zastosowania
Laser opracowany przez naukowców z Politechniki Wrocławskiej można wykorzystać w sposób wszechstronny. Doskonale sprawdzi się w badaniach siatkówki oka, ale również umożliwi precyzyjne badania struktury tkanek, dzięki technologii dwufotonowej fluorescencji.
Można wykorzystywać go do analiz różnych struktur biologicznych, zaglądać w głąb tkanek takich jak mózg. Można aktywować pewne procesy, reakcje chemiczne, co może być interesujące dla chemików.
dr. hab. Grzegorz Soboń z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, prof. Politechniki Wrocławskiej, cytowany przez serwis naukawpolsce.pl.
Laser światłowodowy umożliwia wytwarzanie nanostruktur na powierzchniach materiałów, co ma istotne znaczenie w dziedzinie nanotechnologii. Kolejnym obszarem zastosowania jest chemia, gdzie krótkie impulsy światła pozwalają na aktywację reakcji chemicznych. To otwiera nowe możliwości dla chemików, umożliwiając kontrolowane i precyzyjne eksperymenty. Znajdzie swoje zastosowanie również w kontekście chorób neurodegeneracyjnych, dzięki niemu można badać białka emitujące fluorescencję.
Dzięki powyższym, laser światłowodowy staje się nie tylko narzędziem badawczym, ale również praktycznym i dostępnym instrumentem, który przyczynia się do postępu w wielu dziedzinach nauki.
Rygorystyczne wymagania, które musi spełnić laser naukowców z wrocławskiej uczelni
Oko jest organem dla człowieka bezcennym i wrażliwym, a wszelka aparatura laserowa, która miałaby zostać użyta do tego, aby świecić w oko musi spełniać bardzo rygorystyczne wymagania dotyczące bezpieczeństwa. Takich laserów, które miałyby wystarczające parametry, by zaobserwować efekt, o jaki nam chodziło przy obrazowaniu oka i jednocześnie, by spełniały normy bezpieczeństwa na rynku nie było.
dr. hab. Grzegorz Soboń z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, prof. Politechniki Wrocławskiej, cytowany przez serwis naukawpolsce.pl.
Opracowane rozwiązanie, będące rezultatem innowacyjnych badań, nie tylko imponuje prostotą i możliwościami. Musiał spełnić szereg najwyższych standardów bezpieczeństwa. Zanim myślenie o komercjalizacji stało się rzeczywistością, laser przeszedł szereg testów.
Zespół naukowców z Politechniki Wrocławskiej rozpoczął testowanie opracowanego już narzędzia na wyekstrahowanych próbkach biologicznych. Powołując się na definicję Słownika Języka Polskiego PWN termin wyekstrahowanie odnosi się do „wyodrębnienia substancji z mieszaniny ciał stałych lub roztworów za pomocą odpowiednio dobranego rozpuszczalnika„. Po pomyślnych testach naukowcy zbudowali prototyp, który zaimplementowano w Instytucie ICTER (skrót. International Centre For Translational Eye Research). Laser zintegrowano z oftalmoskopem, czyli narzędziem do badania dna oka. Pierwsze próby wykorzystania rozwiązania naukowców na ludzkim oku przeprowadzono w 2022 roku.
Jak ominąć fototoksyczność światła UV?
W oku, w procesie widzenia, zachodzi cykl reakcji chemicznych, które są wyzwalane światłem w wyniku oddziaływania fotonu na fotoreceptory. Na niektórych etapach procesu widzenia powstają molekuły, które emitują fluorescencję. Jeśli oświetlimy daną molekułę światłem o pewnej barwie, to ona nam odpowie charakterystycznym wzorem światła o innej barwie.
dr. hab. Grzegorz Soboń z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, prof. Politechniki Wrocławskiej, cytowany przez serwis naukawpolsce.pl.
Zespół naukowców w Centrum ICTER wykorzystał laser światłowodowy w układzie oftalmoskopu. W tym zaawansowanym procesie, siatkówka pacjenta jest stymulowana światłem pochodzącym z laserowego źródła, przy czym substancje takie jak metabolity witaminy A absorbują to światło, a następnie emitują fluorescencję o charakterystycznej barwie. Badacze są w stanie zarejestrować ten efekt, co umożliwia im uzyskanie istotnych informacji dotyczących właściwości siatkówki oka.
Kluczowe jest to, że dzięki zastosowaniu laserów światłowodowych udało się ominąć problem fototoksyczności światła ultrafioletowego (tj. UV), który stanowił wyzwanie w tradycyjnych badaniach. W miejsce tego zagrożenia naukowcy zaimplementowali technologię absorpcji dwufotonowej, co pozwala na bezpieczne i precyzyjne badania siatkówki. Technologia ta jest powszechnie znana i wykorzystywana w innych gałęziach nauk.
To proces, w którym oszukujemy siatkówkę oka i świecimy na nią światłem o długości fali dwa razy dłuższej, która nie jest fototoksyczna. Molekuły, które absorbują dwa fotony z tego promieniowania 'myślą’, że są pobudzone ultrafioletem, a nie są. W ten sposób uzyskujemy dostęp do tych molekuł, które wcześniej nie były wcale dostępne, bo nie było możliwości takiego ich oświetlenia.
dr. hab. Grzegorz Soboń z Wydziału Elektroniki, Fotoniki i Mikrosystemów, prof. Politechniki Wrocławskiej, cytowany przez serwis naukawpolsce.pl.
Naukowcy na czele z prof. Soboniem chcą komercjalizować swoje autorskie rozwiązanie. Obecnie są na etapie kończenia projektu, który pozyskał na ten cel dofinansowanie ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. Jego rezultatem będzie produkt przedkomercyjny, który docelowo miałby znaleźć się w każdym laboratorium, które zajmuje się badaniami siatkówki oka.
Źródło: naukawpolsce.pl, zdjęcie otwierające: fot. obraz wygenerowany przy pomocy DALL-E