Jedynka

Szykuje się przełom w wykrywaniu chorób

20.01.2012 09:31
Wiele groźnych schorzeń, takich jak astma, cukrzyca, choroba wrzodowa żołądka, a nawet rak płuc będzie można zdiagnozować już w bardzo wczesnej fazie za pomocą analizy wydychanego powietrza.
Szykuje się przełom w wykrywaniu chorób
Posłuchaj
22'56 Szykuje się przełom w wykrywaniu chorób
więcej

Będzie to mozliwe dzieki laserom kaskadowym, opracowanym przez polskich naukowców z Instytutu Technologii Elektronowej. Mają one rekordową moc: trzykrotnie większą niż stosowane do tej pory urządzenia. Pracują w podczerwieni, średniej i dalekiej, czyli promieniowaniu trochę dłuższym od światła widzialnego. Ze względu na tę częstotliwość lasery te mogą być używane do analizy gazów i wykrywania w nich cząsteczek.

– Lasery kaskadowe mogą być podstawą do budowy złożonych technologicznie urządzeń służących do diagnostyki medycznej, ochrony środowiska, badań naukowych i do celów militarnych – wyjaśnia prof. Zbigniew Bielecki. Dzięki nim jest możliwe wykrycie jednej cząsteczki danego związku w miliardzie innych. Czyli np. można wykrywać obecność materiałów wybuchowych.

Lasery kaskadowe nie potrzebują struktury diodowej, aby generować światło. Promieniowanie generowane jest w nich w wyniku przejść elektronów między poziomami w studiach potencjału. Brzmi tajemniczo? Profesor Maciej Bugajski objaśnia, o co chodzi. Mała porcja promieniowania uzyskana na początku procesu jest potem kaskadowo wzmacniana poprzez powielanie fotonów. Stąd nazwa.

O naukowym sukcesie i zastosowaniach laserów kaskadowych w urządzeniach do detekcji zanieczyszczeń gazowych (w WAT są prowadzone prace dotyczące wysokoczułych sensorów niebezpiecznych związków chemicznych) opowiadają prof. Maciej Bugajski, szef Centrum Nanofotoniki i prof. Zbigniew Bielecki z Instytutu Optoelektroniki WAT.

Rozmawiał Krzysztof Michalski.

(ag)

Ten artykuł nie ma jeszcze komentarzy, możesz być pierwszy!
aby dodać komentarz
brak

Czytaj także

Laser XFEL

Największe i najbardziej nowatorskie urządzenie badawcze na świecie.
Posłuchaj
04'37 Laser XFEL
więcej

Czym jest XFEL, opowie nam .

- XFEL to największy laser jaki powstaje obecnie na świecie - opowiada prof. Grzegorz Wrochna, dyrektor Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku. - Budowany jest w Niemczech pod Hamburgiem wspólnym wysiłkiem 13 państw. Polska też jest udziałowcem tego przedsięwzięcia.

Koszt budowy tego skomplikowanego lasera jest tak duży, że nawet kraje wysokorozwinięte nie mogą zbudować go tylko dla siebie z własnych pieniędzy. Stąd idea stworzenia międzynarodowej spółki z wkładem finansowym wielu krajów, w której również jest Polska. Prof. Grzegorz Wrochna twierdzi, że XFEL wart jest tych pieniędzy, bo potrafi bardzo wiele.

- Ten laser ma bardzo specyficzne własności. Daje spójną wiązkę promieniowania, dzięki czemu możliwe jest uzyskiwanie obrazów trójwymiarowych. Ta wiązka jest w bardzo krótkich impulsach, dzięki czemu można robić zdjęcia poklatkowe i w ten sposób kręcić filmy z przebiegu reakcji chemicznych. I trzecia ważna cecha: ta wiązka ma olbrzymią intensywność. Uderzając nią w materię można wytwarzać zupełnie nowe stany materii wcześniej nieobserwowane.

Jak twierdzi prof. Henryk Fiedorowicz z Wojskowej Akademii Technicznej, spektrum zastosowania lasera XFEL jest ogromne:

- Urządzenie XFEL będzie służyło przede wszystkim do badań podstawowych. Będzie służyło biologom, chemikom, do badania struktury substancji biologicznych, dzięki temu, że wytwarzane będzie spójne promieniowanie rentgenowskie, będzie możliwe badanie struktury substancji niekrystalicznej, co jest niemożliwe z zastosowaniem tradycyjnych źródeł promieniowania rentgenowskiego.

54 proc. ceny lasera XFEL pokryją Niemcy, Rosja – 23 proc., a nas to będzie kosztowało 21,5 mln euro. Długość lasera na swobodnych elektronach to prawie 3,5 km, a pełną wartość operacyjną osiągnie to urządzenie w 2014 roku. Dzięki olbrzymiej mocy impulsów można nim również modyfikować na przykład powierzchnię materiałów, nadając im zupełnie nowe, niezwykłe wprost własności. Chemicy i farmakolodzy już dziś zacierają ręce, a dlaczego? Wyjaśnia prof. Grzegorz Wrochna:

- Dotychczas nie udało się żadnymi metodami zobrazować, jaka jest przestrzenna struktura bardzo skomplikowanych cząsteczek chemicznych, bo żeby w ogóle jakiekolwiek zdjęcie zrobić, to musieliśmy ją w zasadzie zniszczyć. Teraz lasery na swobodnych elektronach umożliwią nam fotografowanie tak złożonych obiektów jak struktury białkowe, tak jak one rzeczywiście trójwymiarowo wyglądają. To są urządzenia tak nowatorskie, że my jeszcze dzisiaj nie potrafimy sobie wyobrazić, do czego one będą miały zastosowanie. To jest następna generacja źródeł światła, tzw. czwarta. Trzecia generacja to są synchrotrony. Kiedy synchrotrony powstawały, też ludzie nie mieli pojęcia, do czego one będą wykorzystywane. A dzisiaj większość białek znamy dzięki synchrotronom. Nawet produkcja czekolady jest już optymalizowana z użyciem synchrotronów.

Przygotował Artur Wolski.

Czytaj także

Największy laser nowej generacji

Polscy naukowcy uczestniczą w budowie unikatowego na skalę światową źródła światła XXI wieku. Nazywa się X-FEL.
Posłuchaj
40'34 Największy laser nowej generacji
więcej

X-FEL powstaje w niemieckim ośrodku badań fizycznych DESY pod Hamburgiem. Jest to laser na swobodnych elektronach, o długości 3,4 km, inaczej nazywany laserem rentgenowskim, ponieważ emituje rentgenowskie promieniowanie X. Dzięki temu największemu na świecie laserowi nowej generacji będzie można niemalże filmować procesy życiowe w naszym organizmie atom po atomie, cząsteczka po cząsteczce.

To nowe narzędzie dla biologii i medycyny będzie wykorzystane także do wytwarzania nowych materiałów oraz do badań naukowych związanych z budową materii. Urządzenie będzie kosztować 1,1 mld euro. Największy wkład finansowy wnoszą Niemcy i Rosjanie. Polska ma dwa procent udziału w budowie, podobne jak Francja, Włochy i Hiszpania. Jesteśmy zatem w dobrym towarzystwie.

X-FEL to gigantyczne urządzenie wymagające ekstremalnych warunków: próżni, bardzo niskich temperatur, bardzo silnych magnesów. W budowie X-FEL uczestniczą trzy polskie instytucje naukowe: Narodowe Centrum Badań Jądrowych w Świerku, Instytut Fizyki Jądrowej w Krakowie i Politechnika Wrocławska.

Wśród gości audycji: prof. Grzegorz Wrochna – dyrektor Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku, prof. Massimo Altarelli – dyrektor DESY, prof. Krzysztof Meisner – dyrektor ds. naukowych Centrum, inż. Jerzy Długołęcki – absolwent Politechniki Gdańskiej, który od kilkudziesięciu lat mieszka i pracuje w Niemczech oraz Frank Poppe z DESY.

Audycję przygotowała Dorota Truszczak.

(ag)

Czytaj także

Zrobią lasery z antymaterii

Nowy sposób na przedłużenie istnienia antymaterii może pozwolić na zbudowanie bardzo mocnych laserów, wytwarzających promieniowanie gamma - informuje "New Scientist".
Laser gamma z antymaterii
Nowy sposób na przedłużenie istnienia antymaterii może pozwolić na zbudowanie bardzo mocnych laserów, wytwarzających promieniowanie gamma - informuje New Scientist".  
 
Atomy pozytonium (Ps) trudno właściwie nazwać atomami - tworzy je para - elektron i będąca jego przeciwieństwem pod względem ładunku, dodatnio naładowana cząstka - pozyton. Pozytonium istnieje tylko przez milionową część sekundy - elektron i pozyton ulegają anihilacji, czyli unicestwieniu, połączonemu z wyemitowaniem promieniowania gamma. Zjawisko to od lat wykorzystują tomografy PET (pozytonowa tomografia emisyjna), dzięki którym można diagnozować między innymi choroby nowotworowe.
Pozytonium można by teoretycznie wykorzystać do budowy laserów gamma, wytwarzających wysokoenergetyczną wiązkę ekstremalnie krótkich fal elektromagnetycznych, mogących prześwietlać maleńkie struktury, na przykład jądro atomowe.
Problem w tym, że aby laser działał, trzeba by uzyskać gęstą chmurę pozytonium w stanie kwantowym znanym jako kondensat Bosego - Einsteina. Tyle, że nie było wiadomo, jak uniknąć anihilacji.
Zespołowi Christopha Keitela z Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu udało się spowolnić proces anihilacji - wystarczy, aby laser dostarczał promieniowanie o energii wystarczającej do wprowadzenie pozytonium w stan o większej energii, w którym elektron i pozyton okrążają się w większej odległości.
Po pewnym czasie atom pozytonium traci uzyskaną energię emitując fotony i wraca do stanu podatnego na anihilację. Jak jednak obliczyli naukowcy, około połowy pobudzonych atomów pozytonium może przetrwać przeciętnie 28 milionowych części sekundy, czyli istnieją średnio 200 razy dłużej niż niepobudzone. Czas ten może wystarczyć do uzyskania kondensatu Bosego - Einsteina. W kondensacie zachowania wszystkich atomów są ze sobą sprzężone, toteż gdy jeden się rozpadnie, rozpadają się wszystkie, wytwarzając laserowy błysk promieniowania gamma.
Choć może się to wydawać skomplikowane, sprawa jest i tak łatwiejsza niż w przypadku kondensatu ze zwykłych atomów, który powstaje dopiero w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Tymczasem dzięki kwantowym efektom, pozytonium potrzebuje temperatury nieco niższej niż pokojowa. 

Atomy pozytonium (Ps) trudno właściwie nazwać atomami - tworzą je para-elektron i będąca jego przeciwieństwem pod względem ładunku, dodatnio naładowana cząstka: pozyton.

Pozytonium istnieje tylko przez milionową część sekundy - elektron i pozyton ulegają anihilacji, czyli unicestwieniu, połączonemu z wyemitowaniem promieniowania gamma. Zjawisko to od lat wykorzystują tomografy PET (pozytonowa tomografia emisyjna), dzięki którym można diagnozować między innymi choroby nowotworowe.

Pozytonium można teoretycznie wykorzystać do budowy laserów gamma, wytwarzających wysokoenergetyczną wiązkę ekstremalnie krótkich fal elektromagnetycznych, mogących prześwietlać maleńkie struktury, na przykład jądro atomowe.

Problem w tym, że aby laser działał, trzeba uzyskać gęstą chmurę pozytonium w stanie kwantowym znanym jako kondensat Bosego-Einsteina. Tyle, że nie było wiadomo, jak uniknąć anihilacji.

Spowolnili anihilację

Zespołowi Christopha Keitela z Instytutu Maxa Plancka w Heidelbergu udało się spowolnić proces anihilacji - wystarczy, aby laser dostarczał promieniowanie o energii wystarczającej do wprowadzenie pozytonium w stan o większej energii, w którym elektron i pozyton okrążają się w większej odległości.

Po pewnym czasie atom pozytonium traci uzyskaną energię, emitując fotony, i wraca do stanu podatnego na anihilację. Jak jednak obliczyli naukowcy, około połowy pobudzonych atomów pozytonium może przetrwać przeciętnie 28 milionowych części sekundy, czyli istnieją średnio 200 razy dłużej niż niepobudzone. Czas ten może wystarczyć do uzyskania kondensatu Bosego-Einsteina. W kondensacie zachowania wszystkich atomów są ze sobą sprzężone, toteż gdy jeden się rozpadnie, rozpadają się wszystkie, wytwarzając laserowy błysk promieniowania gamma.

Choć może się to wydawać skomplikowane, sprawa jest i tak łatwiejsza niż w przypadku kondensatu ze zwykłych atomów, który powstaje dopiero w temperaturze bliskiej zera bezwzględnego. Tymczasem dzięki kwantowym efektom, pozytonium potrzebuje temperatury nieco niższej niż pokojowa. 

(ew/pap)