فصلنامه لیزر در پزشکی
سال هجدهم شماره 4 (پیاپی 82، زمستان 1400)

آشوب یک ویژگی دینامیکی هر سامانه غیرخطی است که با یک بازخورد سروکار دارد. در وضعیت آشوبناک یک تغییر کوچک در شرایط اولیه منجر به تغییر زیادی در وضعیت دینامیکی سیستم می گردد. رژیم آشوبناک از یک نگاشت معین تبعیت می کند. برهمکنش پرتو لیزر با یک ماده زیستی می تواند غیرخطی باشد. در آن صورت می توان برای آن یک الگوریتم مبتنی بر آشوب پیشنهاد داد.

نگاشت ایکدا یک مدل جهانی برای توصیف مسیر آشوب در سیستم های نوری غیرخطی است که به صورت رفتار پیچیده غیرقابل پیش بینی نمایان می شود. اگرچه الگوریتم های مبتنی بر مونت کارلو می توانند فرآیندهای غیرخطی را مدل سازی کنند، اما الگوریتم مبتنی بر ایکدا با پدیده های نوری غیرخطی سازگارتر است؛ به ویژه اینکه از یک روش تصادفی پیروی نمی کند و در مقابل، از یک الگوی ریاضی تقلید می کند. نگاشت ایکدا همچنین می تواند رژیم ما قبل ناپایداری و آشوب را در قالب رفتار متناوب یا شبه متناوب توصیف نماید.

ما مدلی را برای شبیه سازی پدیده های انتقال حرارت در یک ماده زیستی نرم با استفاده از نگاشت ایکدا بنا می کنیم. رهیافت ما بر الگوی شدت نور توصیفی توسط نگاشت ایکدا و بررسی تاثیر آن بر توزیع حرارت استوار است. روش ما دارای مزایایی از جمله امکان بررسی اثرات نوری غیرخطی ناشی از وجود بازخورد شدید در یک محیط است. این قابلیت به نوبه خود منجربه انعطاف پذیری و تطبیق پذیری روش مزبور در مقایسه با روش مونت کارلو می شود.

رهیافت پیشنهادی ما برای کاربردهایی مانند تزریق نانودارو با هدایت پرتو نور و جراحی ریز مناسب است.

قوز قرنیه یک نوع تخریب پیشرونده قرنیه بدون التهاب است که در آن قرنیه نازک و در نهایت بیرون زده و شکلی مخروطی به خود می گیرد. قوز قرنیه باعث آستیگماتیسم نامنظم شده و کیفیت بینایی را تحت تاثیر قرار می دهد. هدف اصلی این پژوهش مدل کردن کارکرد اپتیکی چشم بیمار با استفاده از داده های توپوگرافی قرنیه است.

با استفاده از داده های توپوگرافی کلینیکی قرنیه، شامل شعاع انحنا و ارتفاع، یک مدل سه بعدی بر اساس روش تعقیب پرتو و قانون اسنل برای بررسی عملکرد اپتیکی چشم مبتلا به قوز قرنیه قبل و بعد از عمل کاشت رینگ توسعه داده شد. برای محاسبه ابیراهی های مختلف از روش بسط بر حسب چند جمله ای های زرنیک استفاده شد. علاوه بر این، برای اعتبارسنجی مدل از نقشه های کلینیکی ابیراهی بیمار استفاده شد.

با تابش یک جبهه موج تخت به چشم بیمار، خطای جبهه موج و همچنین دیاگرام لکه روی شبکیه بازسازی شدند. دیاگرام لکه روی شبکیه نشان داد که در این شرایط ابیراهی های مرتبه بالاتر نیز ظاهر می شوند. با استفاده از ضرایب زرنیک مقدار ابیراهی های مختلف بررسی شد. نتایج مربوط به ابیراهی کلی چشم تطابق خوبی با داده های کلینیکی داشتند.

مدل 3 بعدی پیشنهاد شده اختلاف مسیر اپتیکی برای هر پرتو، خطای جبهه موج و انواع نقشه های ابیراهی چشم را محاسبه می کند. با استفاده از این مدل و روش های پیش بینی توپوگرافی قرنیه بعد از عمل کاشت رینگ می توان پزشکان را در انتخاب رینگ مناسب قبل از عمل کمک کرد.

امروزه حسگرهای تشدید پلاسمون های سطحی (SPR) به دلیل توانایی ها و کاربردهای گسترده شان در زیست - حسگری، تصویربرداری زیستی، تشخیص های پزشکی، نظارت محیطی، تشخیص بیماری و... مورد توجه بسیاری از پژوهشگران هستند. حسگرهای SPR فیبر کریستال فوتونیکی (PCF) به دلیل محدود سازی موثر میدان در هسته فیبر و تشدید قوی پلاسمون - پلاریتون های سطحی (SPP) از کارایی و دقت بسیار بالایی برخوردارند. انواع گوناگونی از این گونه حسگرها تاکنون معرفی و ساخته شده اند. اگرچه محدودیت هایی در زمینه شیوه قراردهی فلز در حسگر در تماس با آنالیت وجود دارد. یک راه حل موثر به کارگیری از حسگرهای D- شکل است. در این مقاله ساختار اصلاح شده ای از یک حسگر PCF-SPR D-شکل که نسبت به تغییرات ضریب شکست محیط حساسیت بالایی دارد، معرفی شده است و تاثیر پارامترهای ساختاری بر کارکرد آن مورد مطالعه قرار گرفته است.

در فیبر کریستال فوتونیکی از جنس سیلیکا حفره هایی از هوا با مقطع دایره ای با دو قطر متفاوت برای محدود کردن میدان الکترومغناطیسی در هسته فیبر ایجاد شدند. لایه نازکی از نقره بر روی سطح تخت فیبر در تماس با آنالیت در نظر گرفته شد. با تغییر ضریب شکست محیط، مکان پیک تشدید پلاسمونی لایه نقره تغییر می کند. با کمک روش اجزای محدود (FDM) تاثیر پارامترهای هندسی بر میزان حسگری قطعه طراحی شده برآورد می گردد.

با بهینه سازی پارامترهای ساختاری در حسگر طراحی شده، بیشینه حساسیت طول موجی µm/RIU 5/10 با تفکیک پذیری RIU 6-10×2/7  در بازه ضریب شکست 33/1-36/1 به دست آمد.

نتایج به دست آمده نشان می دهند که میزان اتلاف محدودیت (Confinement Loss) با ضخامت لایه نقره، شعاع حفره های هوا و فاصله میان حفره ها به گونه قابل ملاحظه ای تغییر می کند. حساسیت بالا به ضریب شکست محیط پیرامون، حسگر طراحی شده را گزینه ای مناسب برای کاربردهای تشخیصی و زیستی می سازد.

امروزه پیشرفت های قابل توجهی در جهت استفاده از مواد بیولوژیکی تجدیدپذیر به عنوان ابزار ذخیره انرژی، به وجود آمده است. این ابزارها به عنوان راه حلی برای مشکل آلودگی و ناپایداری با توانایی ذخیره سازی انرژی به شمار می روند. از طرفی تبدیل گرما به توان تولیدی به صورت کاربردی بسیار قابل توجه است. بر این اساس استفاده از یک سیستم بیولوژیکی به عنوان ابزار ترموکارنت و ترموپاور می تواند بسیار جذاب و مورد توجه باشد.

در این مطالعه، برای مطالعه توانایی تولید جریان ناشی از گرادیان دما از یک سیستم فتوسنتزی، کلروزوم، استفاده کرده ایم. به منظور اعمال حرارت روی سلول و بررسی شرایط ایجاد و هدایت جریان های الکتریکی ناشی از حرارت محیط از لیزر مادون قرمز استفاده می شود. سیستم تحت تابش نور لیزر قرار گرفته و گرم می شود که برای بررسی اثرات گرمایی ناشی از تابش لیزر از مدل سازی تماس مستقیم سیستم با ترموستات کوانتومی استفاده کرده ایم. از طرفی، به منظور به دست آوردن ضریب سی بک از الکترودهای فلزی استفاده کرده ایم تا بتوانیم در دو انتهای سیستم اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد کنیم.

مقدار جریان عبوری و مقدار ولتاژ تولیدی به ازاء گرادیان دمای متفاوت حالت صعودی داشته و حداکثر می تواند به مقدار 36.6 nA و V 0.3 دست پیدا کند که امکان طراحی و ساخت ابزارهایی با توان nW 11.1 را به ما می دهد. ضریب سی بک به مقداری برابرmV/K   41.916~ رسیده که نسبت به دیگر سیستم های بیولوژیکی مقدار قابل توجهی است. نمودار    دماهای 30 و 50 کلوین را برای حداکثر جریان عبوری از سیستم مشخص کرده است. نمودار توزیع ترازها و بعد فرکتالی نشان دهنده پایداری کامل و غیرجای گزیده بودن سیستم به ازاء این گرادیان دما و ولتاژ است.

کرموفورها به عنوان منابع جذب در محیط های بکارگیری پرتو لیزر می توانند به عنوان چشمه هایی برای افزایش فرایند جذب و تبدیل شار فوتونی لیزر به چشمه الکترونی و یا فونونی عمل کنند و امکان کنترل و هدایت فرایند انتقال انرژی چشمه فوتونی را به محیط های مورد نیاز فراهم نمایند. مطالعه حاضر به طراحی و مهندسی چشمه های نوری بر مبنای سیستم فتوسنتزی برای افزایش کارایی در فرایند جذب تابش لیزر می پردازد. مقدار جریان الکتریکی بدست آمده و توان تولید شده برای سیستم در حدی است که قابل مقایسه با دیگر سیستم های بیولوژیکی و نشان دهنده قابلیت این سیستم ها به عنوان ابزار ترموکارنت و ترموپاور است. ضریب سی بک نیز نسبت به دیگر سیستم های بیولوژیکی مقدار قابل توجهی است. از طرفی، سیستم در مقابل گرادین دمای ناشی از تابش نور و ولتاژ اعمالی به صورت پایدار و غیرجای گزیده رفتار می کند.

پراکندگی رامان بهبود یافته سطحی (SERS) یکی از ابزارهای تحلیلی بسیار حساس شناخته شده در حال حاضر است؛ در برخی موارد، می توان طیف SERS با کیفیت بالا که حتی یک تک مولکول در آن سهیم است را ثبت کرد. بنابراین، طیف سنجی SERS به عنوان یک گزینه بسیار امیدوارکننده به عنوان جایگزین برای تکنیک های تحلیلی روتین استفاده شده در آنالیزهای مربوط به مواد غذایی، محیط زیست، بیوشیمی و پزشکی در نظر گرفته می شود. در این مقاله مروری، به طور خلاصه به کاربردهای قطعی و اخیر توسعه داده شده طیف سنجی SERS برای مشخصه یابی بیوشیمیایی (به ویژه پزشکی و زیستی) ترکیب های مهم پرداخته شده است. همچنین مبانی نظری اثر SERS را توضیح داده و در مورد کاربردهای آتی SERS در این زمینه بحث گردید. ما امیدواریم که این مقاله برای محققانی که قصد ورود به این زمینه تحقیقاتی شگفت انگیز دارند، موثر واقع گردد. در این مقاله مروری، به طور خلاصه به کاربردهای قطعی توسعه داده شده SERS برای تشخیص گونه های مهم از لحاظ بیوشیمیایی (به ویژه پزشکی و زیستی) از ساده ترین انواع آنها تا پیچیده ترین آنها پرداخته شده است. همچنین، قابلیت بالقوه SERS برای استفاده به عنوان جایگزین روش های روتین در موارد تشخیصی و بالینی نشان داده می شود. علاوه بر این، در این مقاله توضیح داده شده است که سنسورهای مبتنی بر SERS چطور کار می کنند و در آخر به چشم اندازهای آتی این زمینه پرداخته می شود. در پایان این مطالعه توان با نحوه عملکرد تشخیص، روش های ساخت مستقیم و غیرمستقیم جهت شناسایی آنالیت های بیولوژیکی و مواد شیمیایی، کاربرد بیوسنسورها، مکانیزم تقویت کننده ها و ساختارهای حسگر زیستی مبتنی بر SERS، جهت تشخیص مولکول های زیستی آشنا گردید.

طی سال های گذشته، محققین علوم زیستی، پزشکی و دامپزشکی تمایل زیادی به استفاده از روش های غیرتهاجمی و غیر مخرب برای ارزیابی تخمک پیدا کرده اند. از میان روش های ارزیابی کیفیت تخمک، فناوری طیف سنجی رامان، افق های امیدوارکننده ای را برای رسیدن به این نیاز روز افزون به وجود آورده است. این فناوری با استفاده از اثر رامان، پس از تابانیدن اشعه لیزر به تخمک و جمع آوری بازتابش آن از ترکیب بیوشیمیایی و تغییرات اجزای سلولی تخمک، اطلاعات بسیار ارزشمند و منحصر به فردی را در مورد کیفیت تخمک در اختیار قرار می‎دهد. با استفاده از این فناوری، ارزیابی کیفی بر اساس تحلیل داده های کمی در اختیار جنین شناس قرار می گیرد. فناوری طیف سنجی رامان، به خوبی می تواند با استفاده از تجزیه و تحلیل قوی آماری با دقت بالایی به ارزیابی تفاوت های بیوشیمیایی تخمک ها با کیفیت متفاوت و یا در مراحل مختلف رشد بپردازد. در این میان چالش هایی از قبیل نوپا بودن استفاده از این فناوری در ارزیابی کیفیت تخمک و روشن نبودن تمامی زوایای آن، از جمله اثرات پی آیند اشعه لیزر تابیده شده به سلول، وجود دارد. از طرفی افق های پیش رو در زمینه ارزیابی کیفیت تخمک با این روش، امیدوار کننده است. در نوشتار پیش رو، تلاش داریم که ضمن ارایه مبانی بیوفیزیکی فناوری طیف سنجی رامان به معرفی و کاربرد این فناوری در ارزیابی کیفیت تخمک گاو بپردازیم.