Терагерцовая биомедицина

Основные направления исследований:

 

         - Терагерцовая спектроскопия

         - Терагерцовая визуализация

         - Терагерцовая томография

         - Разработка методов диагностики заболеваний

         - Разработка ТГц устройств на метаматериалах

         - Трансформационная оптика

         - Материалы и технологии голографии

 

Разработка методов диагностики заболеваний

Основное направление деятельности - диагностика социально-значимых заболеваний человека методами оптики ультракоротких импульсов (фемтосекундные лазеры и терагерцовое излучение).


Задачи группы состоят в достижении научных и инновационных результатов мирового уровня, в исследованиях по созданию новых методов и технологий оптики ультракоротких импульсов для неинвазивного мониторинга и ранней диагностики структурно функциональных изменений твердых и мягких тканей человека, а также клеточных культур, тестирования физиологически активных биомолекул на предмет наличия эндогенных факторов риска развития заболеваний, патологических процессов в тканях различных локализаций (покровные ткани, внутрисосудистые нарушения и костные ткани), а также оценки эффективности терапии.

Рис.1. (а) Стимуляция роста нервных клеток при их облучении терагерцовым излучением, (b)исследования терагерцовых спектров пропускания катарактально-измененных хрусталиков различной степени плотности.

Методы исследования при помощи наших лабораторных прототипов являются неконтактной, неионизирующей, безопасной технологией неразрушающего контроля, обеспечивающей высокое пространственное разрешение.

 

Группа Молекулярной Спектроскопии

Основной областью исследований - является изучение закономерностей взаимодействия электромагнитной радиации с веществом, сопровождающегося процессами поглощения, излучения и рассеяния света.


Из спектроскопических данных можно получать информацию как о структуре и свойствах молекул, так и о силах межмолекулярного взаимодействия, а следовательно, о строении вещества в целом. 

Рис. 2. Слева: Распределение интенсивностей в молекуле Cr8, дающее представление о силе и типе внутримолекулярных взаимодействий. Справа: Спектры отражения первичных фибробластов (клеток соединительных тканей человека) и фибробластов, пораженных раковыми клетками сигмовидной кишки человека Colo 320HSR.

Молекулярные спектры имеют различную природу возникновения: в результате движения электронов (как валентных, т.е. принимающих участие в образовании химической связи, так и локализованных около ядер соответствующих атомов), в результате периодического изменения положения ядер в пространстве, т.е. колебательного движения молекулы или в результате периодического изменения ориентации молекулы в пространстве, т.е. ее вращательного движения.

В связи с тем, что в качестве объектов спектроскопических исследований могут выступать самые разнообразные вещества, находящиеся в любых агрегатных состояниях, данная область исследований имеет очень широкий круг применений, так, например, молекулярная спектроскопия представляет огромный интерес в диагностике и терапии социально значимых заболеваний человека.

 

Материалы и технологии голографии.

Группа оптической диагностики

Основное направление деятельностииспользование оптических методов для исследования трансформаций биомедицинских объектов в том числе, вызванных воздействием терагерцового излучения.


Особое внимание уделяется специфике применения традиционных и нетрадиционных оптических методов к изучению процессов в биомедицинских препаратах в микроскопическом масштабе.

Рис. 3.  Пример обработки результатов экспериментов по исследованию оптических неоднородностей в прозрачных объектах: А – процесс свободной конвекции жидкости; B – процесс теплопереноса в твердом материале. I - цифровые интерферограммы исследуемых процессов («фазовые портреты»), II - Трехмерные поверхности развернутого изменения разности фаз.

Главный принцип – комплексный подход к проведению исследований, позволяющий изучать и анализировать временные трансформации объектов различными методами с учетом оценок как макропараметров (единицы и десятки миллиметров), так и в микроскопическом масштабе (единицы и десятки нанометров).

 
 

Трансформационная оптика

Основное направление деятельности - разработка устройств  устройств и материалов, позволяющих контролировать свет и его характеристики, посредством варьирования пространственно временных характеристик среды.


Среди приложений трансформационной оптики можно выделить устройства контроля распространения света в среде такие, как поляризаторы, волноведущие структуры, устройства деления пучка, устройства маскировки объектов, частотные преобразователи, оптические чёрные дыры и др.

Рис.4 Красное смещение длины электромагнитного излучения при прохождении света через вселенную.

Основными направлениями группы трансформационной являются разработка маскирующих устройств, а также светоделителей на основе пространственно временных преобразовании,  создание моделей частотных преобразователей на основе пространственно временных преобразований.

 

Метаматериалы

Основное направление деятельности - разработка устройств на основе матаматериалов, композитных структур обладающих детерминированными свойствами для создания устройств контроля терагерцевого излучения.


Изготавливаемые матаматериалы используются для создания фильтров терагерцевого излучения, также исследуются модификации метамаматерилов для применения в устройствах высокого разрешения.



 

Рис. 5. Композитные структуры на основе U - образных резонаторов.


Активно исследуются фотонные кристаллы и диэлектрические метаматериалы. Данные структуры исследования исследуются для применений в устройствах невидимости, деления пучка, фазовращателей и вращателей поляризации терагерцового излучения.

 

 

Рис. 6. С лева: фотонный кристалл выполненный из слоев резонаторов U формы и диэлектрика. С права: диэлектрический метаматериал изготовленный методом фото полимерной 3D печати.

 

 

Графен

Основное направление деятельности - исследование графена и графеноподобных структур.


Графен – шестиугольная двумерная углеродная структура толщиной в один атом, обладающая примечательными свойствами, такими как: высокая мобильность электронов и дырок, изменяемая концентрация носителей заряда, малое время отклика, контролируемое оптическое поглощение и т.д.

Рис. 7. Схематическое изображение структуры графена.

Свойства графена контролируются магнитными и электрическими полями, температурой и оптической накачкой. Графен нашел широкую область применений во многих сферах науки. Его применения лежат в области биомедицины, создавая на его основе биосенсоры; он может использоваться в качестве активной среды для генерации терагерцового излучения, и поэтому на его основе можно создавать терагерцовые лазеры; сенсорные дисплеи компьютеров и мобильных телефонов также могут быть модифицированы с помощью этого материала. Графен одно из популярнейших направлений исследований, большое количество специалистов считают, что графен – это будущее электронных и оптических устройств.

Рис.8. Диаграмма развития технологий на основе графена.