Kézben tartott nemlineáris mikroszkópia
Innotéka, 2014. május
1/7
2014. május
Kézben tartott nemlineáris mikroszkópia
Szerző:
Szeged i Imre
Rövidesen zárul az a Nemzeti Technológiai Program által támogatott munka, amelynek
célja egyebek mellett szállézeres technológián alapuló nemlineáris mikroendoszkóp
kifejlesztése volt. A konzorciumot vezető Szipőcs Róbert, az MTA Wigner FK
Szilárdtestfizikai és Optikai Intézetének (SZFI) főmunkatársa, az R&D Ultrafast Lasers
Kft. vezetője nem pihenhet, hiszen az idén márciusban meghirdetett Nemzeti
Agykutatási Program újabb kihívást jelent a lézerfizikus és munkatársai számára. A
most záruló (azonosítószám: TECH-09-A2-2009-0134) projektet, illetve a minap indult
programot ismertették az érintettek.
A Nemzeti Technológiai Program által támogatott fejlesztések több részfeladatra koncentráltak. Ennek
elemeként az MTA Wigner SZFI-ben például speciális tulajdonságú optikai szálak megtervezését (lásd
Várallyay és Szipőcs, IEEE-JSTQE, 2014), illetve az R&D Ultrafast Lasers Kft. és a Szegedi
Tudományegyetem Optikai és Kvantumelektronikai Tanszékének segítségével ezekből mintadarabok
gyártását, tesztelését és minősítését (lásd Grósz és társai, Appl.Opt, 2014) végezték el. Ugyancsak feladat
volt, hogy a korábban elkészített femtoszekundumos szállézer prototípusából (lásd Fekete és társai, Laser
Phys. Lett., 2009) ipari célra is alkalmazható változatot készítsenek, azaz olyat, ami folyamatos, zavar-
(például Q-kapcsolástól) mentes módusszinkronizált működésre alkalmas, ezért megfelelően stabil és
biztonságos fényforrásként használható a mikroendoszkópiás rendszerekben. Ezeknek a hagyományos
szilárdtestlézeres megoldásokkal szemben az a nagy előnyük, hogy kisebb helyen elférnek, lényegesen
olcsóbbak, illetve – mivel egy optikai szálból jön ki a fény –, endoszkópiás rendszerekbe is könnyebben
integrálhatóak. Hátrányuk csupán annyi, hogy a szállézerek tipikusan egy szűk hullámhossztartományban
működnek – az itterbium lézer körülbelül az 1 mikrométeres hullámhosszon, míg a telekommunikációs
megoldásokban
használt
erbiumalapú
szállézer
megközelítőleg
az
1,5–1,6
mikrométeres
hullámhossztartományon. Ugyanakkor az itterbiumra épülő rendszerek nagyon nagy hatásfokon
dolgoznak, azaz az elektromos teljesítmény jelentős részéből optikai teljesítmény lesz, míg az erbiumos
rendszer a nagy sebességű adatátviteli rendszerekben használható előnyösen.
Kézben tartott nemlineáris mikroszkópia
Innotéka, 2014. május
2/7
A FIBERSC2 projekt során kifejlesztett, ipari kivitelű,
szálintegrált pikoszekundumos Yb-szállézer és erősítő rendszer
„A légmagos, méhsejt szerkezetű optikai szálak fejlesztésekor Várallyay Zoltán kollégám
közreműködésével olyanokat terveztünk, amelyek széles optikai spektrumon garantálják az optikai
impulzusok alakhű átvitelét, a kompresszióját, valamint a szálintegráltság biztosításához szükséges
egyéb feltételeket. Munkánk másik fontos területe az úgynevezett üvegmagos optikai szálak tervezése
volt, amelyek segítségével az előbb említett itterbium lézerek egyetlen hullámhosszát átkonvertálhatjuk
egy másik, a mérések szempontjából hasznosabb hullámhosszra” – tájékoztatta magazinunkat a
kutatásokat irányító Szipőcs Róbert.
Az Yb-oszcillátor stabil működési tartományait leíró „térképek”
Ez – vagyis az Yb-szállézer teljesítményének egy optikai szálban történő, megfelelő hatásfokú
átkonvertálása – lehetővé teszi az automatikusan szinkronizált, két hullámhosszon történő
impulzusüzemű működést is. Ez azért rendkívül érdekes, mert a két hullámhossz megfelelő beállításával
(ami az üvegmagos szál szerkezetének függvénye) elkészíthetőek olyan, optikai szál alapú fényforrások,
amelyekkel különböző, tipikusan szerves molekulákat szelektíven lehet gerjeszteni az ún. CARS módszer
alkalmazásával (lásd Kolonics és társai, Biomedical Optics Congress, Miami, OSA, 2012), aminek
köszönhetően pedig az eddig nem világító molekulák láthatóvá válnak. Azaz, festékek használata nélkül is
meg lehet határozni a molekulák mikroszkópiás, 3D térbeli elhelyezkedését.
Kézben tartott nemlineáris mikroszkópia
Innotéka, 2014. május
3/7
A most említett eredményeket felhasználták már egy ipari kivetelű CARS-mikroszkópiás mérőrendszer
megvalósításánál is (lásd
„Új, fluoreszcens jelölésmentes, 3D mikroszkópiás képalkotó eljárás in vivo
diagnosztikai vizsgálatokhoz”
, Innotéka, 2012. aug.–szept.). Ez esetben egy hangolható Ti-zafír lézer
fényének egy részét átkonvertálták 1 mikron környékére, ezután a jelet egy többfokozatú Yb-erősítővel
felerősítették, majd kompresszálták. A legújabb fejlesztési eredmények közül kettőt érdemes kiemelni: az
első, hogy Ti-zafír lézer alapú CARS mikroszkópiás rendszerük hangolható fényforrásaként már nemcsak
saját gyártmányú lézerüket, hanem más kétfoton mikroszkópia laboratóriumokban szintén széles körben
alkalmazott, az USA-beli Spectra-Physics cég által kifejlesztett Mai Tai lézert is használni tudják, vagyis
egyszerűen megoldható a már létező kétfoton mikroszkópia laboratóriumokban a CARS mérési módszer
adaptációja.
Fluoreszcens jelöléssel ellátott, plazmid DNS-t tartalmazó nanorészecskék (PEIm) bőrben történő penetrációjának in vivo
vizsgálata Yb-szállézeres kétfoton mikroszkóppal
Kézben tartott nemlineáris mikroszkópia
Innotéka, 2014. május
4/7
Másik fontos új fejlesztési eredményük, ami a CARS méréseket lényegesen egyszerűbbé és pontosabbá
teszi, a Carl Zeiss LSM 7 MP mikroszkóphoz kifejlesztett, pneumatikus szűrőcserélő egységük, amivel
pillanatok alatt lehet váltani a különböző mérési beállítások (például zsírok, fehérjék, NO) között anélkül,
hogy további költséges detektorokkal kellene bővíteni a rendszert. Többek között szegedi tudományos
partnereikkel az idegsejteket borító mielinhüvely szerkezetét vizsgálták a patkányagy fehér- és
szürkeállományában, de arra is alkalmasnak tűnik a rendszer, hogy a CARS és az ún. SHG módszer
együttes alkalmazásával, festékjelölés alkalmazása nélkül pontosan kimutassa az elhízott emberek
bőrszerkezetében bekövetkező elváltozásokat. Itt kell megjegyeznünk, hogy a konzorcium munkájában –
egyebek között a most említett témával is –, részt vesz még a Semmelweis Egyetem Bőrklinikája is (lásd
még:
„Lézeres diagnosztika a bőrgyógyászatban”
, Innotéka, 2013. június, valamint Bognár és társai, J.
Inv. Dermatology, 2014).
Az elhízás hatásának vizsgálata a bőr szerkezetére SHG+CARS mikroszkópiával
(SHG: kollagén, CARS: zsírsejtek)
Kézben tartott nemlineáris mikroszkópia
Innotéka, 2014. május
5/7
A Wigner kutatóközpont munkatársai által tökéletesített eljárás újabb alkalmazási lehetősége a
gyógyszeripari partnerük, a Genetic Immunity Kft. által behozott terület lehet (lásd Tőke és társai, Gene
Therapy, 2014). Ebben az esetben nanorészecskék felszívódását, sejtek általi felvételét, majd lebomlását
követik in vivo 24 órán keresztül. A CARS módszer alkalmazása ezen a területen egy új kitörési pontot
jelenthet, mert ha az FDA (US Food and Drug Administration) engedélyezi ezt az új nemlineáris
mikroszkópiás technikát, akkor a nanorészecskék működésének in vivo humán nyomon követésére,
mérésére van egy kiváló, megfelelően nagy felbontással rendelkező mérési technika.
A program résztvevői a műszerek árát és méretét is számottevően csökkentették, ami azért fontos, mert a
lézerek széles körű alkalmazásának éppen ez a két tényező szab jelenleg gátat. Különleges megoldásokkal
sikerült elérniük, hogy például az R&D Ultrafast Lasers Kft. által gyártott hangolható, femtoszekundumos
Ti-zafír lézerek ára felére-harmadára csökkent (lásd Antal és Szipőcs, Appl. Phys B, 2012).
Az MTA Wigner kutatóközpontban
Csákányi Attila
gépészmérnök aktív közreműködésével született meg
például egy hajszárító méretű, kézben tartható, orvosi diagnosztikai célokat szolgáló kétfoton mikroszkóp.
A fejlesztő szerint ez a módszer akkor lesz életképes, akkor terjed el, ha minden érdekelt kezébe könnyen
kezelhető készüléket adnak. Ám nemcsak a könnyű kezelhetőség a fontos, hanem a kis méret is.
FiberScope, a kézben tartott nemlineáris mikroszkóp
A fejlődés itt is lenyűgöző. „Egy-két évtizeddel ezelőtt egy kétfoton mikroszkóp az összes részegységével
együtt legalább egy köbméternyi térfogatot töltött ki, mi most ott tartunk, hogy kézbe vehető, könnyű és
egyszerűen kezelhető eszközünk van, de már elérhető közelségben van a mobiltelefon méretű berendezés
is” – nyilatkozta magazinunknak Csákányi Attila, aki a fejlesztőmunka egyik kihívásának azt tartja, hogy a
felhasználó valóban csak azt kapja, amire szüksége van. Korábban a kutatók megvették a nagyméretű,
költséges, univerzális lézereket és mikroszkópokat, majd megpróbálták összeilleszteni azokat. A
kutatócsoport munkatársai ugyanakkor éppen az integrációra esküsznek – náluk a lézer és a mikroszkóp
egy egységet jelent, vagyis ezek alkalmazásorientált, integrált rendszerek. Az integráció, a
Kézben tartott nemlineáris mikroszkópia
Innotéka, 2014. május
6/7
költségcsökkentés azonban nem eredményezheti a képminőség észrevehető romlását. Időnként szükség
van kompromisszumokra, de ez nem veszélyeztetheti a biztonságos működést, nem jelenthet
biztonságtechnikai kockázatot.
7 mm hosszú, 1 mm átmérőjű „optikai szondával” ellátott,
mobil telefon méretű kétfoton mikroszkóp terve
A Szipőcs Róbert vezette kutatócsoport által kidolgozott új lézer- és mikroszkópiás képalkotó rendszer
esetében a pásztázási sebesség, a felbontás, az érzékenység hasonló a hagyományos kétfoton abszorpciós
mikroszkópos eljáráshoz, ugyanakkor olyan in vivo vizsgálatokat tudnak elvégezni, amilyeneket korábban
nem. A fejlesztéseik során arra is figyeltek, hogy viszonylag kis koncentrációban jelen lévő molekulákat is
ki tudjanak mutatni – ezt a célt szolgálja az MTA Wigner SZFI-ben jelenleg is fejlesztés alatt álló,
úgynevezett SRS (Stimulated Raman Scattering) detektor rendszer is.
A jelenlegi fejlesztési irány az extrém, ami a kiváló felbontást és a mikroszkóp kis méretét is jelenti,
nemlineáris mikroszkópok előállítása. Például kísérleti fázisban van egy mindössze egy milliméteres
átmérőjű optikai mérőszondával ellátott endoszkópos kétfoton mikroszkóp, amivel az agy akár több
milliméteres mélységben is in vivo vizsgálható.
A CARS módszerhez kapcsolódó fejlesztéseik in vivo patológiás vizsgálatokra is alkalmasak lehetnek: ha
egy mintában sikerül meghatározni különböző molekulák háromdimenziós eloszlását, akkor az
gyakorlatilag egyenértékű a patológiás festéssel. Csakhogy a jövőben már nem kell kimetszeni a szövetet,
hanem akár helyben is vizsgálhatják azt.
Kézben tartott nemlineáris mikroszkópia
Innotéka, 2014. május
7/7
A Wigner Fizikai Kutatóközpont a Szegedi Tudományegyetem alvállalkozójaként részese a Nemzeti
Agykutatási Programnak – festékmentes, az SRS módszeren alapuló mikroszkópiás méréseket fejlesztenek
idegtudományi célokra. Ennek előzményeként Szipőcs Róbert és kollégái néhány évvel ezelőtt Szegeden
kiépítettek egy kétfoton mikroszkópiás labort, aminek része volt egy, az R&D Ultrafast Lasers Kft. által
gyártott rögzített hullámhosszú és egy hangolható femtoszekumdumos lézerrendszer is. A kiváló
munkakapcsolatnak köszönhetően közösen gondolkoztak el azon, hogy miként lehetne a
festékjelölésmentes technikákat az agykutatásban is felhasználni, illetve miként lehetne kisebb
koncentrációjú molekulákat is meghatározni, megmérni. „Ezen a téren nagy segítséget jelenthet az idén
márciusban meghirdetett Nemzeti Agykutatási Program” – mondta Szipőcs Róbert.
MTA Wigner FK Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet •
szfki.hu
http://www.innoteka.hu/cikk/kezben_tartott_nemlinearis_mikroszkopia.927.html
Dostları ilə paylaş: |