Микроскопический фонарик на основе оптоволокна для медицинских исследований разработали ученые из Сколковского института науки и технологий совместно с коллегами. В структуре специального зонда система поможет освещать изнутри труднодоступные полости в организме человека, вплоть до крупных кровеносных сосудов. Разработку также можно превратить в лазер для «выжигания» раковых опухолей.
Проведение эндоскопических исследований с помощью тонких зондов на основе оптоволокна — возможность успешно проникать в труднодоступные полости организма. Но в темноте такое устройство вряд ли сможет что-нибудь «разглядеть». Созданный учеными Сколтеха и их коллегами крошечный фонарь как раз призван осветить место работы медицинского зонда. Такое устройство можно использовать для обследования поверхностей или внутренних тканей организма.
За основу микрофонарика взят фрагмент полого оптического волокна, выглядящий как кусочек крохотной стеклянной трубочки длиной несколько сантиметров. Диаметр оптоволокна снаружи — 0,5 мм, внутри — 0,25 мм. На внутреннюю поверхность трубки наносится слой полимера, а поверх него — квантовые точки, наноразмерные частицы, определяющие особенности работы фонарика. Концы оптоволокна запечатываются полимерными мембранами. Квантовые точки предоставил Саратовский государственный университет, само волокно тоже прибыло из Саратова: его изготовило научно-производственное предприятие «Наноструктурная технология стекла».
Микрофонарик можно превратить в лазер: для этого нужно нанести поверх мембран, запечатывающих концы оптоволокна, зеркала из оксида кремния (SiO2) и диоксида титана (TiO2), играющие роль оптического резонатора. Активной средой для лазера в этом случае становятся квантовые точки.
Установка для измерения спектров пропускания микроструктурных волокон с полой сердцевиной.
Фото: Виктор Воробьев / предоставлено пресс-службой Сколковского института науки и технологий
О разработке корреспонденту «Научной России» рассказал руководитель исследования профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Дмитрий Александрович Горин.
«Основная трудность заключалась в подборе материала для мембраны, которой покрывался торец микроструктурного волокна (волновода) для последующего нанесения диэлектрических зеркал. Мембраны из одностенных углеродных трубок не обеспечивали нужного качества поверхности, поэтому было предложено использовать формвар. Этот материал давно и успешно используется для подготовки подложек для просвечивающей электронной микроскопии. Такое решение позволило получать диэлектрические зеркала с необходимым качеством и воспроизводимыми параметрами», — поделился Д.А. Горин.
На основе нового излучателя света можно изготавливать лазеры с разной длиной волны (соответственно, испускающие излучение различных цветов). Диапазон весьма широк: от 0,3 до 6 микрометров. Чтобы задать нужную длину волны, достаточно подобрать подходящие характеристики для наносимого на трубку слоя квантовых точек. Во время работы лазерный луч будет выходить из кончика оптоволокна. Технологию можно использовать в фотодинамической терапии, позволяющей с помощью лазера «выжигать» раковую опухоль, предварительно насыщенную специальным препаратом, чувствительным к свету.
«В дальнейшем предполагается использовать в работе наночастицы – квантовые точки, которые могут работать в ближнем инфракрасном диапазоне», — добавил Д.А. Горин.
Разработчикам удалось решить важную проблему, связанную с качеством работы подобных структур: чем толще слой полимера и квантовых точек внутри волокна, тем обычно оказывается слабее излучаемый устройством свет. Исследователи выяснили, что преодолеть это препятствие можно, нагрев трубку: под воздействием тепла из полимера испаряется лишняя влага, а покрытие уплотняется и становится более гладким, что помогает снизить потери света. Интересно, что разогреть оптоволокно до нужной температуры можно попутно — в процессе нанесения зеркал на торцы трубки.
С описанием технологии можно ознакомиться в журнале Annalen der Physik.
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью и на странице: Виктор Воробьев / предоставлены пресс-службой Сколковского института науки и технологий
