Похожие статьи
На нашей планете есть много существ с более развитыми органами чувств, чем у людей. Черепахи могут ощущать магнитное поле Земли. Креветки-богомолы могут улавливать поляризованный свет. Слоны могут слышать гораздо более низкие частоты, чем люди. Бабочки способны воспринимать более широкий спектр цветов, включая ультрафиолетовый (UV) свет.
Вдохновленная усовершенствованной зрительной системой бабочки Papilio xuthus, группа исследователей разработала датчик изображения, способный «видеть» в ультрафиолетовом диапазоне, недоступном человеческому глазу. В конструкции датчика используются многослойные фотодиоды и нанокристаллы перовскита (PNCS), способные отображать различные длины волн в ультрафиолетовом диапазоне. Используя спектральные сигнатуры биомедицинских маркеров, таких как аминокислоты, эта новая технология визуализации способна даже отличать раковые клетки от нормальных клеток с достоверностью 99%.
Это новое исследование, проведенное профессором электротехники и вычислительной техники Университета Иллинойса Урбана-Шампейн Виктором Груевым и профессором биоинженерии Шумингом Не, было недавно опубликовано в журнале Science Advances.
«Мы черпали вдохновение из визуальной системы бабочек, которые способны воспринимать множество областей ультрафиолетового спектра, и разработали камеру, которая воспроизводит эту функциональность, — рассказывает Груев. — Мы сделали это, используя новые нанокристаллы перовскита в сочетании с кремниевой технологией визуализации, и эта новая технология камеры может обнаруживать несколько ультрафиолетовых областей».
Ультрафиолетовый свет — это электромагнитное излучение с длиной волны короче, чем у видимого света (но длиннее, чем у рентгеновских лучей). Мы лучше всего знакомы с ультрафиолетовым излучением солнца и опасностями, которые оно представляет для здоровья человека. Ультрафиолетовый свет подразделяется на три области — UVA, UVB и UVC — в зависимости от различных диапазонов длин волн. Поскольку люди не могут видеть ультрафиолетовый свет, получить информацию об ультрафиолетовом излучении сложно, особенно различая небольшие различия между отдельными регионами.
Однако бабочки могут видеть эти небольшие вариации в ультрафиолетовом спектре, подобно тому, как люди могут видеть оттенки синего и зеленого.
Люди обладают трехцветным зрением с тремя фоторецепторами, где каждый воспринимаемый цвет может быть составлен из комбинации красного, зеленого и синего. Однако у бабочек сложные глаза с шестью (или более) классами фоторецепторов с отчетливой спектральной чувствительностью. В частности, Papilio xuthus, желтая азиатская бабочка с махаоновым хвостом, обладает не только синими, зелеными и красными, но также фиолетовыми, ультрафиолетовыми и широкополосными рецепторами. Кроме того, бабочки обладают флуоресцентными пигментами, которые позволяют им преобразовывать ультрафиолетовый свет в видимый, который затем может быть легко воспринят их фоторецепторами. Это позволяет им воспринимать более широкий спектр цветов и деталей окружающей среды.
Помимо увеличенного числа фоторецепторов, бабочки также демонстрируют уникальную многоуровневую структуру своих фоторецепторов. Чтобы воспроизвести механизм восприятия ультрафиолета бабочкой Papilio xuthus, команда UIUC имитировала процесс, объединив тонкий слой PNCS с многоуровневой матрицей кремниевых фотодиодов.
PNCS — это класс полупроводниковых нанокристаллов, которые обладают уникальными свойствами, аналогичными свойствам квантовых точек — изменение размера и состава частицы изменяет поглощающие и эмиссионные свойства материала. За последние несколько лет PNCS стали интересным материалом для различных сенсорных приложений, таких как солнечные элементы и светодиоды. PNCS чрезвычайно хороши в обнаружении ультрафиолетовых (и даже более низких) длин волн, чего нет у традиционных кремниевых детекторов. В новом датчике визуализации слой PNC способен поглощать ультрафиолетовые фотоны и переизлучать свет в видимом (зеленом) спектре, который затем регистрируется многоуровневыми кремниевыми фотодиодами. Обработка этих сигналов позволяет составить карту и идентифицировать ультрафиолетовые сигнатуры.
В раковых тканях присутствуют различные биомедицинские маркеры в более высоких концентрациях, чем в здоровых тканях — аминокислоты (строительные блоки белков), протеины и ферменты. При воздействии ультрафиолетового излучения эти маркеры загораются и флуоресцируют в ультрафиолетовом и части видимого спектра — процесс, называемый автофлуоресценцией.
«Теперь мы разработали технологию, позволяющую получать изображения ультрафиолетового излучения с высокой чувствительностью, а также различать небольшие различия в длине волны», — делятся ученые.
Поскольку раковые и здоровые клетки имеют разную концентрацию маркеров и, следовательно, разные спектральные характеристики, два класса клеток можно дифференцировать на основе их флуоресценции в ультрафиолетовом спектре.
Перевод
О светлом будущем заботятся политики, о светлом прошлом – историки, о светлом настоящем – журналисты.
