Optik sensör çipi: Kişiselleştirilmiş tıpta önemli bir rol oynayacak!
Kılavuz
Son zamanlarda, Lozan'daki İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü'ndeki araştırmacılar, küçük bir örnekte biyomolekülleri tek tek saymak ve konumlarını belirlemek için bir fotonik çip ve sıradan bir kamera kullandılar. Küçük cihazları, optik ve görüntü analizi teknolojisini birleştirir ve yalnızca bir atom kalınlığındaki grafen parçalarını bile tespit edebilir. Gelecekte, bu tür sensörler kişiselleştirilmiş tıpta önemli bir rol oynayacak.
arka fon
Metamalzemeler olarak da bilinen metamalzemeler, genellikle yapay olarak tasarlanmış yapılar tarafından gerçekleştirilen ve doğal malzemelerin sahip olamayacağı olağanüstü fiziksel özelliklere sahip kompozit malzemeleri ifade eder. Örneğin, metamalzemeler, ışık dalgaları, ses dalgaları, elektromanyetik dalgalar, vb. İçin güçlü kontrol yeteneklerine sahiptir ve sıradan malzemelerin başaramayacağı özel işlevlere ulaşabilir.
Yarı iletken gerektirmeyen metamalzemelerden yapılmış mikroelektronik cihazlar (Resim kaynağı: Applied Electromagnetics Group, University of California, San Diego)
Metasurface, belirli bir düzenlemede özel elektromanyetik özelliklere sahip yapay atomlardan oluşan, gelen ışığın genliği, fazı ve polarizasyonunda esnek ayarlamalar yapabilen ve güçlü ışık alanı manipülasyon yeteneklerine sahip iki boyutlu düzlemsel bir yapıdır. . Geleneksel üç boyutlu metamalzemeler ile karşılaştırıldığında, meta yüzeyler, nano-optik cihazların entegrasyonu ve minyatürleştirilmesi için elverişli olan ve daha geniş uygulama olanaklarına sahip olan düşük kayıp, kolay entegrasyon, basit hazırlık süreci vb. Avantajlara sahiptir.
Üst yüzeylerden yapılmış görünmezlik pelerini (Resim kaynağı: Berkeley Lab)
Yenilikçilik
Bugün, meta yüzeylere dayalı yenilikçi bir araştırmaya odaklanalım.
Yakın gelecekte, her birimiz bir yatağın başıyla küçük bir masaya veya bir cebe sığacak kadar küçük basit bir cihaza sahip olabiliriz. Bu cihaz sağlık durumumuzu bilmemize, kandaki veya idrardaki kötü biyobelirteçleri tanımlamamıza ve hatta izlememize, hastalıklar için erken uyarı sistemi olarak hareket etmemize ve kişiselleştirilmiş bir tıbbi tedavi haline gelmemize olanak tanır.
Son zamanlarda, İsviçre'deki Lozan Federal Teknoloji Enstitüsü'nün (EPFL) Biyo-Nanofotonik Sistem (BIOS) Laboratuvarındaki araştırmacılar, bu teknolojik yeniliği ilerletmesi beklenen güçlü bir araç geliştirdiler. Küçük ve ultra ince bir optik çipten oluşur.Görüntü analizi için standart bir CMOS kamera eklendiğinde, biyolojik molekülleri numunedeki tek tek sayabilir ve konumlarını belirleyebilir. Araştırmaları Nature Photonics dergisinde yayınlandı.
(Resim kaynağı: EPFL)
teknoloji
Bu öncü teknoloji, meta yüzeylere (fotonik alanında yükselen bir yıldız) dayanmaktadır. Metasurface, özel bir şekilde düzenlenmiş milyonlarca nano ölçekli elemanla kaplı ince bir insan yapımı malzeme tabakasıdır. Belirli bir frekansta, bu elemanlar ışığı çok küçük bir alana yönlendirerek ultra hassas optik 'sıcak noktalar' oluşturabilir.
Işık metasurada parladığında ve sıcak noktalardan birinde bir moleküle çarptığında, molekül hemen tespit edilecektir. Aslında moleküller, ışınlanan ışığın dalga boyunu değiştirerek kendilerini açığa çıkardılar.
Meta yüzeyde farklı ışık renkleri kullanarak ve her seferinde CMOS kamera ile fotoğraf çekerek, araştırmacılar numunedeki molekül sayısını hesaplayabilir ve sensör çipinde tam olarak ne olduğunu öğrenebilirler. Makalenin ilk yazarı Filiz Yeşilköy, Daha sonra bu süreçle elde edilen milyonlarca CMOS pikselini analiz etmek ve eğilimi belirlemek için akıllı veri bilimi araçlarını kullanıyoruz. Tek bir atom kalınlığına sahip tek katmanlı bir grafen levha bile tespit edilebilir ve görüntülenebilir. "
Tamamen dielektrik üst yüzey ile hiperspektral görüntülemeye dayalı biyomolekül algılama ilkesi (resim kaynağı: referans [2])
Görüntü verisi işlemeye dayalı dielektrik meta yüzey sensörleri ve biyoalgılama kullanma (resim kaynağı: referans [2])
Daha fazla araştırma yaparak, araştırmacılar sistemlerinin ikinci bir versiyonunu geliştirdiler. İkinci versiyonda, meta yüzey, farklı bölgelerde farklı dalga boylarında rezonansa girecek şekilde ayarlanabilir. Makalenin ortak yazarlarından biri olan Eduardo R. Arvelo, "Bu teknik daha basit, ancak molekülleri yerleştirmedeki doğruluğu daha düşük." Dedi.
değer
BIOS laboratuvarı başkanı ve proje lideri Hatice Altuğ, optik alanındaki büyük potansiyeli görüyor. "Işık, yoğunluk, faz ve polarizasyon gibi birçok özelliğe sahiptir ve uzayda seyahat edebilir. Bu, optik sensörlerin, özellikle kişiselleştirilmiş tıpta gelecekteki zorlukların üstesinden gelmede önemli bir rol oynadığı anlamına gelir." Dedi.
Anahtar kelime
Sensör, medikal, optik, meta yüzey
Referans
[1] https://actu.epfl.ch/news/harnessing-photonics-for-at-home-disease-detection/
2 Filiz Yeşilköy, Eduardo R. Arvelo, Yasaman Jahani, Mingkai Liu, Andreas Tittl, Volkan Cevher, Yuri Kivshar, Hatice Altug. Dielektrik metasurfaces tarafından etkinleştirilen ultra duyarlı hiperspektral görüntüleme ve biyodeteksiyon.Doğa Fotonikleri, 2019; DOI: 10.1038 / s41566- 019-0394-6
