バイオフォトニクス

バイオフォトニクス^[1]という用語は生物学とフォトニクスの組み合わせを意味し、フォトニクスは光の量子単位である光子の生成、操作、検出の科学技術です。フォトニクスはエレクトロニクスと光子に関連しています。光子は、エレクトロニクスにおける電子と同様に、光ファイバーなどの情報技術において中心的な役割を果たしています。

バイオフォトニクスは、「光学技術、特にイメージングの開発と応用を、生物学的分子、細胞、組織の研究に応用すること」とも説明できます。^[2]バイオフォトニクスを構成する光学技術を使用する主な利点の1つは、検査対象の生物学的細胞の完全性を維持することです。^{[3] [4]}

したがって、バイオフォトニクスは、生物学的アイテムと光子の相互作用を扱うすべての技術を表す一般的な用語として定着しました。これは、生体分子、細胞、組織、生物、および生体材料からの放射の放出、検出、吸収、反射、変更、および生成を指します。応用分野は、生命科学、医学、農業、および環境科学です。「電気」と「電子工学」の違いと同様に、主にエネルギーを転送するために光を使用する治療や手術などのアプリケーションと、光を使用して物質を励起し、情報をオペレーターに返す診断などのアプリケーションを区別できます。ほとんどの場合、バイオフォトニクスという用語は後者のタイプのアプリケーションを指します。

バイオフォトニクスは、生体内の組織、細胞、細胞内構造、分子などの生物学的材料と電磁放射線との相互作用を扱う学際的な分野です。^[5]

最近のバイオフォトニクス研究は、体液、細胞、組織に関わる臨床診断や治療に新たな応用を生み出しました。これらの進歩により、科学者や医師は、血管や血流の優れた非侵襲的診断や、皮膚病変のより優れた検査ツールを利用できるようになりました。新しい診断ツールに加えて、バイオフォトニクス研究の進歩により、新しい光熱療法、光力学療法、組織療法も実現しました。^[6]

ラマン分光法とFTIR分光法は、診断の改善に向けてさまざまな方法で応用できます。^{[7] [8]}例えば：

1. 細菌および真菌感染症の特定
2. 皮膚、肝臓、骨、膀胱などの組織腫瘍の評価。
3. 抗生物質耐性の特定

バイオフォトニクスの分野は、光と生物材料の間の数多くの複雑な相互作用を観察することで、医療従事者が利用できる独自の診断技術を提供します。バイオフォトニクスイメージングは​​、皮膚がんの診断に利用できる唯一の非侵襲的技術を皮膚科学の分野に提供します。皮膚がんの従来の診断手順には、視覚的評価と生検が含まれますが、新しいレーザー誘起蛍光分光法技術により、皮膚科医は患者の皮膚の分光写真と悪性組織に対応することが知られている分光写真を比較できます。これにより、医師はより早い診断と治療の選択肢を得ることができます。^[5]

「光学技術の中でも、レーザースキャンに基づく新しい画像技術である光干渉断層撮影法（OCT）は、健康な皮膚組織と悪性の皮膚組織を区別するのに有用なツールであると考えられています」^{[出典が必要]} 。情報はすぐにアクセスでき、皮膚切除の必要がなくなります。^[5]これにより、皮膚サンプルを研究室で処理する必要もなくなり、人件費と処理時間が削減されます。

さらに、これらの光学イメージング技術は、従来の外科手術中に病変の境界を特定して、病変組織全体を除去するために使用できます。これは、蛍光物質で染色されたナノ粒子を許容可能な光子にさらすことによって実現されます。^[6]蛍光染料とマーカータンパク質で機能化されたナノ粒子は、選択された組織タイプに集まります。粒子が蛍光染料に対応する光の波長にさらされると、不健康な組織が光ります。これにより、担当外科医は健康な組織と不健康な組織の境界を視覚的にすばやく識別できるため、手術台での時間が短縮され、患者の回復が促進されます。「誘電泳動マイクロアレイデバイスを使用して、ナノ粒子と DNA バイオマーカーを迅速に分離して特定の微細な場所に濃縮し、落射蛍光顕微鏡で簡単に検出できるようになりました。」^{[出典] [5]}

光ピンセット（またはトラップ）は、原子、DNA、細菌、ウイルス、その他の種類のナノ粒子などの微小粒子を操作するために使用される科学的なツールです。光の運動量を使用してサンプルに小さな力を加えます。この技術により、細胞の組織化と分類、細菌の動きの追跡、細胞構造の変更が可能になります^[9]

レーザーマイクロメスは蛍光顕微鏡とフェムト秒レーザーを組み合わせたもので、「組織に最大250マイクロメートルまで浸透し、3次元空間で単一細胞を標的にすることができる」^[10] 。テキサス大学オースティン校の研究者によって特許が取得されたこの技術は、外科医が目や声帯などの繊細な手術で周囲の健康な細胞を乱したり損傷したりすることなく、病気の細胞や損傷した細胞を切除できることを意味する。^[10]

光音響顕微鏡法（PAM）は、レーザー技術と超音波技術の両方を利用した画像化技術です。このデュアル画像化モダリティは、以前の画像化技術よりも深部組織と血管組織の画像化に優れています。解像度の向上により、深部組織と血管系のより高品質な画像が提供され、「水分量、酸素飽和度、ヘモグロビン濃度」などを観察することで、癌組織と健康な組織を非侵襲的に区別することができます。^[11]研究者は、PAMを使用してラットの子宮内膜症を診断することもできました。^[6]

低出力レーザー治療（LLLT）の有効性は多少議論の余地があるが、この技術は組織を修復し、組織の死を防ぐことで傷を治療するために使用できる。しかし、最近の研究では、LLLTは炎症を軽減し、慢性的な関節痛を和らげるのに有効であることが示唆されている。さらに、LLLTは重度の脳損傷や外傷、脳卒中、変性神経疾患の治療に有効である可能性があると考えられている。^[12]

光線力学療法（PT）は、光合成化学物質と酸素を使用して、光に対する細胞反応を誘発します。この治療法は、がん細胞を殺し、ニキビを治療し、瘢痕を減らすために使用できます。PTは、細菌、ウイルス、真菌を殺すこともできます。この技術は、長期的な副作用がほとんどないかまったくない治療を提供し、手術よりも侵襲性が低く、放射線よりも頻繁に繰り返すことができます。ただし、治療は光にさらされる表面と臓器に限定されるため、深部組織のがん治療は不要になります。^[13]

光熱療法では、光を熱に変換するために貴金属でできたナノ粒子が最も一般的に使用されます。ナノ粒子は、人体が光学的に透明な700～1000nmの範囲の光を吸収するように設計されます。粒子に光が当たると熱くなり、高熱によって周囲の細胞を破壊または破壊します。使用される光は組織に直接作用しないため、光熱療法には長期的な副作用がほとんどなく、体の奥深くにある癌の治療に使用できます。^[14]

蛍光共鳴エネルギー移動は、フェルスター共鳴エネルギー移動(FRET)とも呼ばれ、2 つの励起された「蛍光体」が非放射的に (つまり、光子を交換せずに) エネルギーを他方に渡すプロセスに付けられた用語です。これらの蛍光体の励起を慎重に選択し、放出を検出することにより、FRET はバイオフォトニクスの分野で最も広く使用されている技術の 1 つになり、科学者に細胞内環境を調査する機会を与えています。

バイオ蛍光は、本質的に蛍光を発するタンパク質または対象のバイオマーカーに共有結合した合成蛍光分子による紫外線または可視光の吸収と、それに続く低エネルギー レベルの光子の放出 (S_1 励起状態が S_0 基底状態に緩和) を指します。バイオマーカーは、病気や苦痛を示す分子であり、通常は生体内で全身的に監視するか、顕微鏡検査用のex vivo組織サンプルを使用するか、in vitro : 血液、尿、汗、唾液、間質液、房水、または痰で監視されます。刺激光は電子を励起し、エネルギーを不安定なレベルまで上げます。この不安定性は好ましくないため、励起された電子は不安定になるとほぼ同時に安定状態に戻ります。安定した基底状態に戻るときに生じる励起と再放射の間の時間遅延により、再放射される光子は吸収された励起光とは異なる色になります (つまり、より低いエネルギーに緩和し、したがって放射される光子はプランク-アインシュタインの関係で決まるより短い波長になります)。この安定状態への復帰は、蛍光の形での過剰エネルギーの放出に対応します。この光の放射は、励起光がまだ蛍光分子に光子を供給している間のみ観察可能であり、通常は青または緑の光によって励起され、紫、黄色、オレンジ、緑、シアン、または赤を放射します。バイオ蛍光は、バイオルミネセンスおよびバイオリン光という生物の光の形態と混同されることがよくあります。 ${\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }}}$

生物発光は生物内の化学反応によって自然に光が生成される点が生物蛍光とは異なりますが、生物蛍光と生物リン光は自然環境からの光を吸収して再放射します。

バイオリン光は、励起エネルギーの供給源として特定の波長の光を必要とする点でバイオ蛍光に似ています。ここでの違いは、励起された電子の相対的な安定性にあります。バイオ蛍光とは異なり、ここでは電子は禁制三重項状態（不対スピン）で安定性を維持し、光の放出が遅くなるため、刺激光源が除去されてからかなり経った後でも「暗闇で光り続ける」効果があります。

バイオレーザーとは、生きた細胞によって、または生きた細胞内からレーザー光が生成されることです。バイオフォトニクスにおけるイメージングは​​レーザー光に依存することが多く、生物システムとの統合は、センシングおよびイメージング技術を強化する有望な方法と考えられています。バイオレーザーは、他のレーザーと同様に、ゲイン媒体、光フィードバック構造、およびポンプソースの3つのコンポーネントが必要です。ゲイン媒体には、さまざまな天然の蛍光タンパク質をさまざまなレーザー構造で使用できます。^[15]細胞内に光フィードバック構造を封じ込めることは、細胞液胞を使用して実証されています。^{[ 16]}また、染料ドープポリマーマイクロスフィアなどの完全に密閉されたレーザーシステムや、半導体ナノディスクレーザーを使用しても実証されています。^[18]

主に使用される光源はビームライトです。LED やスーパールミネッセントダイオードも重要な役割を果たします。バイオフォトニクスで使用される一般的な波長は、600 nm (可視光) から 3000 nm (近赤外線)です。

レーザーはバイオフォトニクスにおいてますます重要な役割を果たしています。レーザーは、正確な波長選択、最も広い波長範囲、最高の集束性、したがって最高のスペクトル分解能、強力な出力密度、および幅広い励起期間のスペクトルなど、その固有の特性により、幅広い用途に最も汎用的な光ツールとなっています。その結果、今日の市場では、さまざまなサプライヤーによるさまざまなレーザー技術が見つかります。

バイオフォトニクスアプリケーションに使用される主要なガスレーザーとその最も重要な波長は次のとおりです。

- アルゴンイオンレーザー: 457.8 nm、476.5 nm、488.0 nm、496.5 nm、501.7 nm、514.5 nm (マルチライン動作可能)

- クリプトンイオンレーザー: 350.7 nm、356.4 nm、476.2 nm、482.5 nm、520.6 nm、530.9 nm、568.2 nm、647.1 nm、676.4 nm、752.5 nm、799.3 nm

-ヘリウムネオンレーザー：632.8 nm（543.5 nm、594.1 nm、611.9 nm）

- HeCdレーザー: 325 nm、442 nm

二酸化炭素 (CO ₂ )、一酸化炭素、窒素、酸素、キセノンイオン、エキシマ、金属蒸気レーザーなどの他の市販ガスレーザーは、バイオフォトニクスにおいて重要性がないか、または非常に小さいです。バイオフォトニクスにおけるガスレーザーの主な利点は、固定波長、完璧なビーム品質、および狭い線幅/高いコヒーレンスです。アルゴンイオンレーザーは、マルチラインモードでも動作できます。主な欠点は、消費電力が高いこと、ファン冷却による機械ノイズの発生、およびレーザー出力が限られていることです。主要なサプライヤーは、Coherent、CVI/Melles Griot、JDSU、Lasos、LTB、および Newport/Spectra Physics です。

バイオフォトニクスのダイオード レーザーに使用される最も一般的に統合されているレーザー ダイオードは、GaN または GaAs 半導体材料に基づいています。GaN は 375 ～ 488 nm の波長スペクトルをカバーします (最近、515 nm の商用製品が発表されました)。一方、GaAs は 635 nm から始まる波長スペクトルをカバーします。

バイオフォトニクスにおけるダイオードレーザーの最も一般的に使用される波長は、375、405、445、473、488、515、640、643、660、675、785 nm です。

レーザー ダイオードには 4 つのクラスがあります。

- シングルエッジエミッター/ブロードストライプ/ブロードエリア

- 表面エミッター/VCSEL

- エッジエミッター/リッジ導波管

- 格子安定化（FDB、DBR、ECDL）

バイオフォトニクス用途では、最も一般的に使用されるレーザーダイオードは、単一横モードのエッジ発光/リッジ導波路ダイオードであり、ほぼ完璧な TEM00 ビーム品質に最適化できます。共振器のサイズが小さいため、デジタル変調は非常に高速です (最大 500 MHz)。コヒーレンス長は短く (通常 < 1 mm)、一般的な線幅は nm の範囲です。一般的な電力レベルは 100 mW 前後です (波長とサプライヤによって異なります)。主要なサプライヤは、Coherent、Melles Griot、Omicron、Toptica、JDSU、Newport、Oxxius、Power Technology です。グレーティング安定化ダイオードレーザーには、リソグラフィ組み込みグレーティング (DFB、DBR) または外部グレーティング (ECDL) があります。その結果、コヒーレンス長は数メートルの範囲にまで上昇しますが、線幅はピコメートル (pm) を大きく下回ります。この特性を利用するバイオフォトニクスのアプリケーションとしては、ラマン分光法（cm-1 未満の線幅が必要）や分光ガス検知などがあります。

固体レーザーは、希土類または遷移金属イオンがドープされた結晶やガラスなどの固体ゲイン媒体、または半導体レーザーをベースにしたレーザーです。(半導体レーザーももちろん固体デバイスですが、固体レーザーという用語には含まれないことがよくあります。) イオンドープ固体レーザー (ドープ絶縁体レーザーと呼ばれることもあります) は、バルク レーザー、ファイバー レーザー、またはその他のタイプの導波管レーザーの形で作ることができます。固体レーザーは、数ミリワットから (高出力バージョンでは) 数キロワットの出力を生成します。

バイオフォトニクスの多くの高度なアプリケーションでは、複数の波長で個別に選択可能な光が必要です。その結果、一連の新しいレーザー技術が導入され、現在は正確な表現が求められています。

最も一般的に使用される用語はスーパーコンティニュームレーザーであり、これは広いスペクトルにわたって可視光を同時に放射します。この光は、例えば音響光学変調器（AOM、AOTF）を介して1つまたは最大8つの異なる波長にフィルタリングされます。この技術の典型的なサプライヤーはNKT PhotonicsまたはFianiumでした。最近NKT PhotonicsはFianiumを買収し、^[19]市場で スーパーコンティニューム技術の主要サプライヤーであり続けています。

別のアプローチ (Toptica/iChrome) では、スーパーコンティニュームが赤外線で生成され、選択可能な単一の波長で可視領域に変換されます。このアプローチでは AOTF は必要なく、バックグラウンドのないスペクトル純度が得られます。

どちらの概念もバイオフォトニクスにとって非常に重要なので、「ウルトラクロム レーザー」という包括的な用語がよく使用されます。

掃引光源は、放出される光の周波数を時間とともに連続的に変化（「掃引」）させるように設計されています。通常、掃引光源は、あらかじめ定義された周波数範囲（たとえば、800 +/- 50 nm）を連続的に循環します。テラヘルツ領域の掃引光源が実証されています。バイオフォトニクスにおける掃引光源の典型的な用途は、光コヒーレンス断層撮影（OCT）イメージングです。

0.1～10 THz のテラヘルツ (THz) 周波数範囲における振動分光法は、生体分子や生物種の指紋を採取するための急速に普及しつつある技術です。20 年以上にわたり、理論的研究により、この範囲の生体分子の吸収 (または透過) スペクトルに複数の共鳴があることが予測されていました。THz 放射は、低周波の内部分子振動を励起することで、これらの振動と相互作用します。

単一光子源は、単一の粒子または光子として光を放射するコヒーレント光源 (レーザー) や熱光源 (白熱電球や水銀灯など) とは異なる新しいタイプの光源です。