Laserové svazky
Využití optických metod k diagnostice látek nalézá v poslední době řadu nových aplikací od biologie až po jaderný průmysl. Mezi výhody těchto metod patří zejména rychlé a bezkontaktní měření, analýza výsledků v reálném čase a relativně nízké pořizovací náklady. Optické metody umožňují určit prvkové složení vzorku a rovněž typy chemických vazeb (např. u organických vzorků) s prostorovým rozlišením od jednotek mikrometrů po desítky metrů.
Skupina optických mikromanipulačních technik nabízí zkušenosti:
- v oblasti konstrukce unikátních přístrojů pro diagnostiku, které využívají spektroskopie laserem buzeného plazmatu (LIBS) a Ramanovu spektroskopii,
- v oblastech využití fokusovaných laserových svazků v mikrosvětě k bezkontaktnímu přemísťování mikroobjektů a jejich třídění, k vytváření mikrostruktur fotopolymerací, k modifikaci povrchů či objemů struktur laserovou (mikro)ablací,
- v hledání nových metod identifikace mikroorganismů, jejich separace či destrukce.
Téma: Aplikace spektroskopie laserem buzeného plazmatu LIBS
Ve všech oborech roste zájem o experimentální metody, které umožňují okamžitou interpretaci výsledků. Tento zájem úzce souvisí s požadavky průmyslu na rychlé a přesné vyhodnocení daného stavu materiálu nebo okamžité určení jeho parametrů a složení bez časově náročných laboratorních metod. Pro účely rychlé materiálové analýzy se přímo nabízí spektroskopie laserem buzeného plazmatu, označovaná ve zkratce LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy), která využívá pulzní lasery s výstupní energií svazku menší než 1 J/pulz. Tato metoda je založena na interakci laserového pulzu s povrchem vzorku, během které dodaná energie odpaří (ablatuje) malé množství materiálu a vytvoří svítící plazma, v jehož záření jsou obsaženy spektrální čáry odpařených prvků. Spektrum je snímáno spektrometrem, analyzováno a výstupem je informace o prvkovém složení ablatovaného materiálu. Detekční limity se pohybují od jednotek do stovek ppm (w/w).
Výhody a aplikační příklady metody LIBS:
- Jednoduchost a pružnost LIBS předurčují k vyšetřování přímo na
místě u sledovaného objektu, tedy i v určité fázi výrobního procesu
nebo v určitém období provozu zařízení. Měření probíhá vzdušnou
cestou a vyžaduje pouze „viditelný“ kontakt se vzorkem.
- Aparatura může být mobilní, může využívat vhodný systém optických vláken k vedení laserových pulzů ke vzorku a obráceným směrem přenášet získaný optický signál do spektrometru. Mobilní aparaturu lze především využít na velké nepřemístitelné vzorky nacházející se v těžce přístupných prostředích nebo zdraví ohrožujících provozech (např. v prostředí jaderných reaktorů, chemických podniků, oceláren, zpracování odpadů).
- Dostupné rozlišení umožňuje identifikovat druhy ocelí (např. FV520, NAG, 17/4 a 18/13) podle zastoupení důležitých prvků, např. Mo, Ni, Ti.
- Mobilní i statické systémy lze použít k monitorování životního prostředí.
- Vzorky mohou být ponořeny v tekutinách nebo roztocích a analyzovány přímo na místě v reálném čase a bez zdlouhavé manipulace a dopravy do laboratoře.
- Běžně detekuje prvky jako Be, U, I, Al, C, Ca, Mg, Cr, Pb, Si, Li, Hg, Sr, Rb, Ti, Fe, Ni, V, Mn, Mo a další.
- Umožňuje analyzovat velmi malé vzorky pomocí svazku zaostřeného na vzorek do stopy o rozměru desítek mikrometrů, nebo velké vzorky vzdálené desítky až stovky metrů od aparatury (např. sedimenty uvnitř skladovacích nádrží, ocelové konstrukce, aj.).
Kontakt: Mgr. Ota Samek, Dr.
e-mail: osamek@isibrno.cz,
tel: + 420 541 514 127
Podrobnější informace: http://www.isibrno.cz/omitec
Téma: Ramanovská laserová spektroskopie
Ramanovská spektroskopie je nedestruktivní technika, která je založena na osvětlení vzorku zářením o určité vlnové délce a detekci záření na jiných vlnových délkách, vzniklého rozptylem ve vzorku. Toto velmi slabé rozptýlené záření obsahuje informace o vibracích atomů v chemických vazbách zastoupených ve vzorku. Spektrální analýza trvající řádově minuty umožňuje identifikovat tyto chemické vazby a odlišit vzorky s různým zastoupením např. DNA, RNA, tuků, cukrů, pigmentů, sacharidů, amidů atd. Ozářený objem vzorku určuje prostorové rozlišení, s jakým lze tyto informace získat. Pomocí silně zaostřených laserových svazků lze získat informace o chemických vazbách obsažených ve vzorku o miniaturním (femtolitrovém) objemu. Přestože princip metody je známý více než sto let, v poslední době se metoda teprve začíná prosazovat v řadě unikátních aplikací především v důsledku rozvoje citlivých detektorů záření.
Výhody a aplikační příklady ramanovské spektroskopie:
- Umožňuje rozpoznávání jednotlivých druhů mikroorganismů nebo typů biologických vzorků. Lze od sebe odlišit i jednotlivé klony bakteriálních kmenů, např. Staphylococcus epidermidis, což má velký význam v lékařství pro diagnostiku bakteriální infekce již během ambulantní návštěvy pacienta.
- Charakterizuje a rozpoznává biofilmy v reálném čase, což umožní včas identifikovat riziko zdravotních komplikací pacientů s katetry či kloubními náhradami. Povrchy materiálů používané v lékařství se postupně pokrývají několika vrstvami často různých typů bakterií (biofilm), které jsou odolné vůči medikamentům a způsobují infekci.
- Nedestruktivně analyzuje chemické složení farmaceutických výrobků a umožňuje tak kontrolovat např. pravost léků v reálném čase.
- Rozpoznává nádorové a zdravé tkáně/buňky a nabízí se tak jako unikátní diagnostický nástroj pro onkologii jak in vivo (např. při včasném rozpoznání rakoviny kůže), tak in vitro (analýza odebraných buněk či tkání).
- Umožní rozpoznávat buňky zasažené virovou infekcí.
- Vytváří chemickou mapu povrchů nebo identifikuje nanostruktury.
- Lze ji kombinovat s optickou pinzetou a aplikovat i na mikroorganismy volně plovoucí v kapalině.
Kontakt: Mgr. Ota Samek, Dr.,
e-mail: osamek@isibrno.cz,
tel: +420 541 514 127
Podrobnější informace: http://www.isibrno.cz/omitec
Téma: Optické mikromanipulační techniky
Optické mikromanipulační techniky využívají mechanických účinků světla v průběhu změny směru jeho šíření při rozptylu na mikroobjektech. Tímto způsobem je možné prostorově ovlivnit pohyb objektů o rozměrech od desítek nanometrů po desítky mikrometrů pouhým osvícením laserovým paprskem. Optická pinzeta – světelná analogie klasického mechanického manipulačního nástroje – využívá jediného ostře fokusovaného laserového svazku k bezkontaktnímu zachycení objektů. Protože objekty jsou zachyceny v blízkosti ohniska, způsobí změna jeho polohy i následný přesun objektů, tedy jejich řízenou mikromanipulaci. Více ohnisek rozmístěných v prostoru umožní zachytit a pomocí sofistikovaného řízení poloh ohnisek také přemístit více objektů současně. Nyní se tento nástroj používá převážně pro zachycení a přemísťování mikroobjektů v kapalném prostředí (živé mikroorganismy nebo buňky ve vodě či vhodném roztoku, mikroobjekty za průhlednými překážkami apod.). Protože tak malé objekty je možné pozorovat pouze s využitím optického mikroskopu, jsou oba systémy často kombinovány.
Aplikační příklady optických mikromanipulací:
- Byla vyvinuta kompaktní verze zařízení, která obsahuje integrovaný laser nebo adaptér na optické vlákno a umísťuje se mezi světelný mikroskop a objektiv. Není tedy nutné zasahovat do optické cesty komerčního optického mikroskopu, kterým jsou objekty pozorovány.
- Optická pinzeta bývá kombinována s řadou optických spektroskopických technik (např. ramanovskou mikrospektroskopií, fluorescenční spektroskopií), které umožňují bezkontaktně a nedestruktivně charakterizovat vlastnosti zachyceného mikroobjektu.
- Velmi perspektivní je kombinace optických mikromanipulačních technik s mikrofluidními systémy (lab-on-a-chip), např. pro studium stresu na úrovni jednotlivých buněk a pro následnou separaci buněk.
- Kromě silně fokusovaných svazků lze k optickému zachycení mikroobjektů použít i řady jiných konfigurací světelného pole, které např. umožňují uspořádávání mnoha mikročástic v prostoru nebo na povrchu do pravidelných struktur.
- Působit lze i na mikročástice v pohybu a dosáhnout usměrnění jejich stochastického pohybu v kapalině (např. v mikrofluidním systému) vedoucího až k separaci různých složek suspenze (nebo různých druhů buněk) pouhým osvícením laserem.
Aplikační příklady laserových svazků fokusovaných do stop o mikrometrovém průměru:
- Výrazný nárůst intenzity fokusovaného svazku v bezprostředním okolí ohniska lze využít k inicializaci fotopolymerace, tedy chemické reakce, během které z kapalného monomeru vznikne tuhý polymer. Pohybem ohniska laserového svazku v monomeru lze vytvářet i velmi komplikované mikrostruktury.
- Pulzní fokusované laserové svazky vhodné vlnové délky nabízejí řadu možností jak využít jejich destruktivních účinků (mikroablace) k objemové či povrchové modifikaci objektů včetně zásahů uvnitř živých buněk.
Kontakt: prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D.,
e-mail: zemanek@isibrno.cz, tel:
+420 541 514 202
Podrobnější informace: http://www.isibrno.cz/omitec
