바이오포토닉스

Biophotonics
살아있는 조직에서 광자의 자발적인 낮은 수준의 방출을 위해서는 Biophoton을 참조하십시오.

바이오포토닉스[1](biophotonics)라는 용어는 생물학과 광자의 조합을 의미하며, 광자학은 광자의 생성, 조작 및 검출, 빛의 양자 단위인 광자의 과학과 기술이다. 광자학은 전자와 광자와 관련이 있다. 광자는 광섬유와 같은 정보 기술에서 전자들이 전자제품에서 하는 방식에서 중심적인 역할을 한다.

바이오포토닉은 또한 "생물학적 분자, 세포, 조직에 대한 연구에 광학 기술, 특히 영상 기술의 개발과 적용"[2]이라고 설명할 수 있다. 바이오포토닉을 구성하는 광학 기법을 사용함으로써 얻을 수 있는 주요한 이점 중 하나는 그것들이 검사되고 있는 생물학적 세포의 무결성을 보존한다는 것이다.[3][4]

따라서 바이오포토닉스는 생물학적 항목과 광자 사이의 상호작용을 다루는 모든 기법에 대해 확립된 일반 용어가 되었다. 생체분자, 세포, 조직, 유기체, 생체물질로부터 방출, 검출, 흡수, 반사, 수정, 방사선 생성 등을 말한다. 적용분야는 생명과학, 의학, 농업, 환경과학이다. '전기'와 '전자'의 차별화와 마찬가지로 에너지를 전달하기 위해 주로 빛을 사용하는 치료나 수술과 같은 애플리케이션과 물질을 흥분시키고 정보를 운영자에게 다시 전달하기 위해 빛을 사용하는 진단과 같은 애플리케이션 간에 차이가 생길 수 있다. 대부분의 경우, 바이오포토닉이라는 용어는 후자의 응용 유형을 가리킨다.

적용들

바이오포토닉스는 전자파 방사선과 생물학적 물질 사이의 상호작용을 포함하는 학문 간 분야간 분야로, 여기에는 조직, 세포, 아세포 구조 및 살아있는 유기체의 분자가 포함된다.[5]

최근의 바이오포토닉 연구는 유체, 세포, 조직과 관련된 임상 진단과 치료법을 위한 새로운 응용 프로그램을 만들었다. 이러한 발전은 과학자들과 의사들에게 혈관 및 혈류에 대한 우수한 비침습적 진단뿐만 아니라 피부 병변을 더 잘 검사할 수 있는 도구들을 가능하게 하고 있다. 새로운 진단 도구 외에도 바이오포토닉 연구의 발전은 새로운 광온, 광역학, 조직 치료법을 제공했다.[6]

Raman 및 FT-IR 기반 진단

라만과 FTIR 분광기는 진단 개선을 위해 여러 가지 방법으로 적용할 수 있다.[7][8] 예를 들면 다음과 같다.

  1. 세균 및 곰팡이 감염 확인
  2. 조직 종양 평가 대상: 피부, 간, 뼈, 방광 등
  3. 항생제 저항성 확인

기타 응용 프로그램

피부과

빛과 생물학적 물질의 다양하고 복잡한 상호작용을 관찰함으로써 바이오포토닉의 분야는 의료전문가들이 활용할 수 있는 독특한 진단 기법 세트를 제시한다. 바이오포토닉 영상촬영은 피부암 진단에 이용 가능한 유일한 비침습적 기법으로 피부과 분야를 제공한다. 기존 피부암 진단 절차는 시력평가와 조직검사가 필요하지만 레이저 유도 형광 분광기법을 새로 도입해 피부과 의사가 환자의 피부 분광기와 악성조직에 해당하는 것으로 알려진 분광기를 비교할 수 있게 됐다. 이것은 의사들에게 더 이른 진단과 치료 선택권을 제공한다.[5]

레이저 스캐닝을 기반으로 한 신흥 영상 기술인 광학 기법 중 광학 정합성 단층촬영이나 OCT 영상촬영은 건강한 피부 조직과 차별화하는 유용한 도구로 꼽힌다.[attribution needed] 그 정보는 즉시 접근할 수 있고 피부 절제가 필요하지 않다.[5] 이것은 또한 인건비와 처리 시간을 줄여주는 실험실에서 피부 샘플을 처리할 필요가 없다.

또한 이러한 광학 영상 기술은 전통적인 수술 절차 중에 병변의 경계를 결정하여 병든 조직 전체를 제거할 수 있도록 하는 데 사용될 수 있다. 이는 형광물질로 염색한 나노입자를 허용 가능한 광자에 노출시킴으로써 달성된다.[6] 형광 염료와 표식 단백질로 기능화된 나노입자가 선택된 조직형으로 모인다. 입자가 형광염료에 해당하는 빛의 파장에 노출되면 건강하지 않은 조직이 빛을 발한다. 이를 통해 담당의사가 건강한 조직과 건강하지 못한 조직 사이의 경계를 시각적으로 신속하게 식별할 수 있어 수술대에서 시간을 단축하고 환자 회복을 높일 수 있다. "유전성 미세배열 장치를 이용해 나노입자와 DNA 바이오마커는 빠르게 격리되어 특정 미세한 위치에 집중되어 경구형 현미경으로 쉽게 검출되었다"고 설명했다.[attribution needed][5]

광학 핀셋

광학 핀셋(또는 트랩)은 원자, DNA, 박테리아, 바이러스, 그리고 다른 종류의 나노입자를 조작하기 위해 사용되는 과학적인 도구다. 그들은 표본에 작은 힘을 가하기 위해 빛의 모멘텀을 이용한다. 이 기법은 세포의 조직과 분류, 박테리아의 이동 추적, 세포 구조의[9] 변화를 가능하게 한다.

레이저 마이크로스칼펠

레이저 마이크로 스칼펠은 형광 현미경과 펨토초 레이저의 조합으로 "최대 250마이크로미터까지 침투하여 3-D 공간에서 단일 세포를 표적화할 수 있다"[10]고 한다. 오스틴 텍사스대 연구진이 특허를 낸 이 기술은 눈, 성대 등 섬세한 수술에서 외과의사들이 건강한 주변 세포를 방해하거나 손상시키지 않고 병들거나 손상된 세포를 배설할 수 있다는 의미다.[10]

광음향 현미경(PAM)

포토어쿠스틱 현미경(PAM)은 레이저 기술과 초음파 기술을 모두 활용한 영상 기술이다. 이 이중 영상 촬영 모달리티는 이전의 영상 기술보다 심층 조직과 혈관 조직을 영상화하는 데 월등히 뛰어나다. 분해능 향상은 심층조직과 혈관계의 고품질 이미지를 제공하여 '수분함량, 산소포화도, 헤모글로빈 농도' 등을 관찰함으로써 암조직 vs 건강조직의 비침습 분화를 가능하게 한다.[11] 연구원들은 또한 PAM을 쥐의 자궁내막증을 진단하는데 사용할 수 있었다.[6]

사람의 피부를 통한 빛의 침투 깊이를 보여준다.

저수준 레이저 치료(LLLT)

저준위 레이저치료(LLLT) 효능은 다소 논란이 있지만 조직을 보수하고 조직사망 예방으로 상처 치료에 활용할 수 있다. 그러나 최근의 연구는 LLLT가 염증을 줄이고 만성 관절 통증을 완화하는데 더 유용하다는 것을 보여준다. 또한, LLLT는 심각한 뇌손상이나 외상, 뇌졸중, 퇴행성 신경질환의 치료에 유용한 것으로 증명될 수 있을 것으로 생각된다.[12]

광역학 치료(PT)

광역학 요법(PT)은 광합성을 하는 화학물질과 산소를 사용하여 빛에 대한 세포 반응을 유도한다. 암세포를 죽이고 여드름을 치료하며 흉터를 줄이는 데 사용할 수 있다. PT는 또한 박테리아, 바이러스, 곰팡이를 죽일 수 있다. 이 기술은 장기간 부작용이 거의 없는 치료를 제공하며 수술보다 침습성이 낮고 방사선보다 더 자주 반복될 수 있다. 그러나 빛에 노출될 수 있는 표면과 장기에만 치료가 제한돼 있어 조직암 치료의 깊이가 없어진다.[13]

광온요법을 사용하기 위해 종양에 나노입자를 주입함

광온요법

광온요법은 빛을 열로 변환시키기 위해 고귀한 금속으로 만들어진 나노입자를 가장 일반적으로 사용한다. 나노입자는 인체가 광학적으로 투명한 700~1000nm 범위에서 빛을 흡수하도록 설계됐다. 입자들이 빛에 맞으면, 그것들은 열을 가하거나, 온열로 주변 세포를 파괴하거나, 가열한다. 사용되는 빛은 조직과 직접 상호작용을 하지 않기 때문에 광온요법은 장기간 부작용이 거의 없고 몸 속 깊은 곳에 있는 암을 치료하는 데 사용될 수 있다.[14]

프렛

형광 공명 에너지 전달(Förster community energy transfer, 두 경우 모두 FRET)은 흥분한 두 "형광체"가 에너지를 비방사성(즉, 광자를 교환하지 않고)으로 전달하는 과정에 주어진 용어다. FEAT는 이러한 형광체의 배설물을 주의 깊게 선택하고 배출물을 검출함으로써 생물포토닉 분야에서 가장 널리 사용되는 기법 중 하나가 되어 과학자들에게 아세포 환경을 조사할 수 있는 기회를 주었다.

바이오플루오렌스

바이오플루오렌스(Biofluorscence)는 낮은 에너지 수준(S_1 흥분 상태가 S_0 지면 상태로 이완됨)에서 자외선이나 가시광선의 흡수 및 광자의 하위 순차 배출을 본질적으로 형광 단백질이나 관심 바이오마커에 공동 부착된 합성 형광 분자에 의해 설명한다. 바이오마커는 지시적인 분자 또는 질병이나 괴로움이며, 전형적으로 생체외 조직 샘플을 현미경이나 시험관내: 혈액, 소변, 땀, 침, 중간액, 수성 유머 또는 가래에 사용하여 관찰된다. 자극적인 빛은 전자를 흥분시켜 에너지를 불안정한 수준으로 끌어올린다. 이러한 불안정성은 불리하기 때문에, 전원이 공급된 전자는 불안정한 상태가 되는 즉시 안정된 상태로 되돌아간다. 안정적인 접지 상태로 복귀할 때 발생하는 흥분과 재배출 사이의 시간 지연은 재배출되는 광자를 다른 색으로 만든다(즉, 낮은 에너지로 이완시켜 방출되는 광자는 플랭크-아인슈타인 E = }{\frc흡수된 흥분등보다 이러한 안정으로의 복귀는 형광등의 형태로 과잉 에너지를 방출하는 것과 일치한다. 이러한 빛의 방출은 흥분 빛이 여전히 형광 분자에 광자를 제공하는 동안에만 관측할 수 있으며, 일반적으로 파란색 또는 녹색 빛에 의해 흥분되고 자주색, 노란색, 주황색, 녹색, 청록색 또는 적색을 방출한다. 바이오플루오르센스는 종종 다음과 같은 형태의 생물학적 빛과 혼동된다: 생물 발광과 생물인산광.

생물 발광

생물 발광은 유기체 내에서 화학적 반응에 의한 빛의 자연적 생산이라는 점에서 생물학적 발광과는 다른 반면, 생물학적 발광과 생물인산 발광은 자연환경에서 빛의 흡수 및 방출이다.

바이오인스포레시센스

생물인산소체는 흥분 에너지 제공자로서 지정된 파장에서 빛의 요구조건에서 바이오 플루오렌스와 유사하다. 여기서의 차이는 전원이 공급된 전자의 상대적 안정성에 있다. 여기서 전자는 바이오플루오렌스와 달리 금지된 트리플트 상태(손상이 없는 스핀)에서 안정성을 유지하며, 발광 지연이 길어지면서 자극적인 광원이 제거된 후에도 계속 '빛깔'을 유지한다는 효과가 있다.

바이오라싱

생체실험자는 살아있는 세포 안에서 또는 살아있는 세포 안에서 레이저 빛이 생성되는 것을 말한다. 바이오포토닉스의 영상화는 레이저 광선에 의존하는 경우가 많으며, 생물학적 시스템과의 통합은 감지 및 영상화 기법을 향상시키는 유망한 경로로 여겨진다. 다른 레이저 시스템과 마찬가지로 생물학자는 세 가지 구성 요소가 중간, 광학 피드백 구조 및 펌프 소스를 얻어야 한다. 이득 매체를 위해, 자연적으로 생성된 다양한 형광 단백질을 다른 레이저 구조에서 사용할 수 있다.[15] 셀에 광학 피드백 구조를 동봉하는 것은 셀 vacuole을 사용하고 [16]염료 도핑 폴리머 마이크로스피어 [17]또는 반도체 나노디스크 레이저와 같은 완전히 밀폐된 레이저 시스템을 사용하는 것이 입증되었다. [18]

광원

주로 사용되는 광원은 빔 조명이다. LED와 초점광 다이오드도 중요한 역할을 한다. 바이오포토닉에 사용되는 대표적인 파장은 600nm(가시성)에서 3000nm(IR 근처) 사이다.

레이저스

레이저들은 생물포토닉에서 점점 더 중요한 역할을 한다. 정밀한 파장 선택, 가장 넓은 파장 범위, 가장 높은 초점성 및 따라서 최상의 스펙트럼 분해능, 강한 전력 밀도 및 광범위한 흥분 기간의 스펙트럼과 같은 이들의 고유한 내적 특성은 광범위한 스펙트럼을 위한 가장 보편적인 광도구로 만든다. 그 결과, 다양한 공급업체의 다양한 레이저 기술이 오늘날 시장에서 발견될 수 있다.

가스 레이저

바이오포토닉 어플리케이션에 사용되는 주요 가스 레이저와 그 가장 중요한 파장은 다음과 같다.

- 아르곤 이온 레이저: 457.8nm, 476.5nm, 488.0nm, 496.5nm, 501.7nm, 514.5nm(멀티라인 작동 가능)

- 크립톤 이온 레이저: 350.7nm, 356.4nm, 476.2nm, 482.5nm, 520.6nm, 530.9nm, 568.2nm, 647.1nm, 676.4nm, 752.5nm, 799.3nm

- 헬륨-네온 레이저: 632.8nm(543.5nm, 594.1nm, 611.9nm)

- HeCd 레이저: 325nm, 442nm

이산화탄소, 일산화탄소, 질소, 산소, 제논 이온, 엑시머 또는 금속 증기 레이저와 같은 다른 상업용 가스 레이저에는 생물학적 성질에 있어서 중요성이 없거나 아주 작은 중요성이 있을 뿐이다. 바이오포토닉에서 가스 레이저의 주요 장점은 고정된 파장, 완벽한 빔 품질, 낮은 선폭/높은 일관성이다. 아르곤 이온 레이저도 멀티라인 모드로 작동할 수 있다. 주요 단점은 높은 전력 소비량, 팬 냉각에 따른 기계적 소음 발생, 제한된 레이저 파워 등이다. 주요 공급업체는 Coistic, CVI/Melles Griot, JDSU, Lasos, LTB, Newport/Spectra Physics 등이다.

다이오드 레이저

바이오포토닉에서 다이오드 레이저에 사용되는 가장 보편적으로 통합된 레이저 다이오드는 GaN이나 GaAs 반도체 소재를 기반으로 한다. GaN은 375~488nm의 파장 스펙트럼을 커버하는 반면, GaAs는 635nm의 파장 스펙트럼을 커버한다.

바이오포토닉에서 다이오드 레이저에서 가장 일반적으로 사용되는 파장은 다음과 같다: 375, 405, 445, 473, 483, 515, 640, 643, 660, 675, 785nm.

레이저 다이오드는 다음 4가지 클래스로 제공된다.

- 단일 에지 이미터/광대 스트라이프/광대 영역

- 표면 방출기/VCSEL

- 에지 이미터/리지 도파관

- 그래팅 안정화(FDB, DBR, ECDL)

바이오포토닉 애플리케이션의 경우 가장 일반적으로 사용되는 레이저 다이오드는 에지 방출/리지 도파관 다이오드로, 단일 횡방향 모드로서 거의 완벽한 TEM00 빔 품질에 최적화될 수 있다. 공명기의 작은 크기 때문에 디지털 변조는 매우 빠를 수 있다(최대 500MHz). 일관성 길이는 낮으며(일반적으로 < 1 mm>), 일반적인 선폭은 nm 범위에 있다. 일반적인 전력 수준은 약 100 mW이다(파장 및 공급업체에 따라 다름). 주요 공급업체: Coistent, Melles Griot, Omicron, Toptica, JDSU, Newport, Oxxius, Power Technology. 그리팅 안정화 다이오드 레이저에는 석판 통합 그리팅(DFB, DBR) 또는 외부 그리팅(ECDL)이 있다. 결과적으로, 일관성의 길이는 몇 미터 범위까지 상승하는 반면, 선폭은 피코미터(pm)보다 훨씬 아래로 떨어질 것이다. 이러한 특성을 이용하는 바이오포토닉 애플리케이션은 라만 분광학(cm-1 이하 선폭 필요)과 분광 가스 감지다.

솔리드 스테이트 레이저

솔리드스테이트레이저는 희토류가 도핑된 결정이나 안경, 전이금속 이온, 반도체레이저와 같은 솔리드스테이트 이득매체를 기반으로 한 레이저다.(반도체레이저 역시 물론 솔리드스테이트레이저라는 용어에 포함되지 않는 경우가 많다.) 이온 도핑된 솔리드 스테이트 레이저(도핑된 절연체 레이저라고도 함)는 벌크 레이저, 섬유 레이저 또는 다른 종류의 도파관 레이저의 형태로 만들어질 수 있다. 솔리드 스테이트 레이저는 몇 밀리와트와 (고출력 버전에서) 많은 킬로와트 사이에서 출력 전력을 발생시킬 수 있다.

울트라크롬

바이오포토닉의 많은 진보된 애플리케이션은 다중 파장에서 개별적으로 선택할 수 있는 빛을 필요로 한다. 그 결과, 일련의 새로운 레이저 기술이 도입되었는데, 이 기술은 현재 정확한 표현을 찾고 있다.

가장 일반적으로 사용되는 용어는 넓은 스펙트럼에 걸쳐 가시광선을 동시에 방출하는 초연속 레이저다. 그런 다음 이 빛은 예를 들어 음향-광학 변조기(AOM, AOTF)를 통해 1개 또는 최대 8개의 다른 파장으로 필터링된다. 대표적인 기술 공급업체는 NKT 포토닉스 또는 피아늄이었다. 최근 NKT포토닉스가 피아늄을 인수하면서 초진공 기술의 주요 공급업체로 남게 됐다.[19]

또 다른 접근법(Toptica/iChrome)에서는 적외선 적외선 내에서 초지연성이 생성된 다음 하나의 선택 가능한 파장에서 가시적 체제로 변환된다. 이 접근방식은 AOTF가 필요하지 않으며 배경 없는 스펙트럼 순도가 있다.

두 개념 모두 바이오포토닉에서 중요한 의미를 가지기 때문에 "초기화 레이저"라는 우산 용어가 자주 사용된다.

스윕 소스

스윕 선원은 방출되는 광 주파수를 시간 내에 지속적으로 변화시키도록 설계된다. 일반적으로 사전 정의된 주파수 범위(예: 800 +/- 50 nm)를 통해 지속적으로 원을 그리며 회전한다. 테라헤르츠 정권에서 쓸려온 원천이 증명되었다. 바이오포토닉에서 스윕 선원의 대표적인 적용은 광학정합성단층촬영(OCT)이다.

TZ 소스

테라헤르츠(THZ) 주파수 범위 내 진동 분광학(Vibrational Spectroscopy, 0.1~10THz)은 생물학적 분자와 종의 지문을 채취하기 위해 급부상하는 기법이다. 20년 이상 동안 이론 연구는 이 범위에서 생물학적 분자의 흡수(또는 전달) 스펙트럼에서 다중 공진을 예측했다. TZ 방사선은 이러한 진동을 흥분시킴으로써 저주파 내부 분자 진동과 상호작용한다.

단일 광자 소스

단일 광자원은 일관된 광원(레이저) 및 열광원(백열등, 수은증기등 등)과는 구별되는 새로운 형태의 광원으로, 단일 입자 또는 광자로 빛을 발산한다.

참조

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