Nieuwe Laser Gemaakt Van Fluorescentie-Eiwitten Van Jellyfish

{h1}

Fluorescerende eiwitten van kwallen die in bacteriën werden gekweekt, werden voor het eerst gebruikt om een ​​laser te maken, volgens een nieuwe studie.

Fluorescerende eiwitten van kwallen die in bacteriën werden gekweekt, werden voor het eerst gebruikt om een ​​laser te maken, volgens een nieuwe studie.

De doorbraak betekent een grote vooruitgang in zogenaamde polariton-lasers, aldus de onderzoekers. Deze lasers hebben het potentieel om veel efficiënter en compacter te zijn dan conventionele en zouden onderzoekswegen in de kwantumfysica en optische computer kunnen ontsluiten, aldus de onderzoekers.

Traditionele polariton-lasers met anorganische halfgeleiders moeten worden gekoeld tot ongelooflijk lage temperaturen. Meer recente ontwerpen op basis van organische elektronische materialen, zoals die worden gebruikt in organische licht-emitterende diodes (OLED-schermen), werken op kamertemperatuur, maar moeten worden gevoed door picoseconde (een-biljoenste van een seconde) lichtpulsen. [Science Fact of Fiction? De plausibiliteit van 10 sci-fi-concepten]

Door de fluorescerende eiwitten die een revolutie hebben betekend voor biomedische beeldvorming te transformeren en wetenschappers in staat te stellen processen binnen cellen te volgen, heeft het team een ​​polariton-laser gemaakt die werkt op kamertemperatuur, aangedreven door nanosecondepulsen - slechts een miljardste van een seconde.

"Picosecondepulsen met een geschikte energie zijn ongeveer duizendvoudiger moeilijker te maken dan nanosecondepulsen, dus het vereenvoudigt het maken van deze polaritonlasers behoorlijk aanzienlijk," zei Malte Gather, een professor in de School of Physics and Astronomy aan de universiteit van St. Andrews in Schotland en een van de uitvinders van de laser.

Een schematische illustratie van een laser met fluorescerend eiwit, polariton in actie. Deeltjes gemaakt van een mengsel van lichte en elektronische energie worden gecreëerd in een film van groen fluorescerend eiwit geproduceerd door levende cellen.

Een schematische illustratie van een laser met fluorescerend eiwit, polariton in actie. Deeltjes gemaakt van een mengsel van lichte en elektronische energie worden gecreëerd in een film van groen fluorescerend eiwit geproduceerd door levende cellen.

Krediet: Dietrich / Höfling / Gather

Verzamel vertelde WordsSideKick.com dat fluorescente eiwitten eerder als een marker in levende cellen of levend weefsel zijn gebruikt, maar nu zijn de onderzoekers ze gaan gebruiken als een materiaal. "Dit werk toont voor de eerste keer dat hun moleculaire structuur in feite gunstig is voor gebruik bij een hoge helderheid - zoals bijvoorbeeld nodig is om er lasers van te maken," zei hij.

Genetisch gemodificeerde bacteriën

Verzamelen en collega's van de universiteit van Würzburg en Dresden University of Technology, beide in Duitsland, genetisch gemanipuleerd E. coli-bacteriën om verbeterd groen fluorescerend eiwit (eGFP) te produceren.

De onderzoekers vulden optische microcaviteiten met dit eiwit voordat ze werden onderworpen aan "optisch pompen", waarbij nanoseconde flitsen van licht worden gebruikt om het systeem op de vereiste energie te brengen om laserlicht te creëren.

Belangrijk is dat, na het bereiken van de drempel voor polariton-laseren, het pompen van meer energie in het apparaat resulteerde in conventionele laserwerking. Dit helpt te bevestigen dat de eerste emissie het gevolg was van polariton-laseren, aldus Gather, iets dat andere benaderingen die organische materialen gebruiken tot nu toe niet hebben kunnen demonstreren.

Conventionele lasers creëren hun intense stralen door te profiteren van het feit dat fotonen kunnen worden versterkt door opgewekte atomen in het zogenaamde "versterkingsmedium" van de laser. Dit wordt meestal gemaakt van anorganische materialen, zoals glazen, kristallen of op gallium gebaseerde halfgeleiders.

Polariton laserlicht is bijna niet te onderscheiden van conventioneel laserlicht, maar het fysieke proces dat het creëert, is afhankelijk van een kwantumverschijnsel om het licht te versterken.

Herhaalde absorptie en re-emissie van fotonen door atomen of moleculen in het versterkingsmedium leidt tot quasideeltjes die polaritonen worden genoemd. Onder bepaalde omstandigheden - voordat het voor de conventionele laserwerking vereiste energieniveau is bereikt - synchroniseren de polaritons in een gezamenlijke quantumtoestand, een condensaat genoemd, dat laserlicht afgeeft.

Conventionele lasers vereisen meer dan de helft van de atomen in het versterkingsmedium om een ​​aangeslagen toestand in te gaan voordat laserlicht wordt geproduceerd. Dit is niet het geval in polariton-lasers, wat betekent dat ze in theorie minder energie nodig hebben om in het systeem te worden gepompt, aldus de onderzoekers.

Laser-innovaties

Volgens Gather is een van de belangrijkste voordelen van de nieuwe aanpak dat het lichtemitterende deel van de eiwitmoleculen wordt beschermd binnen een cilindrische schaal op nanometer-schaal, waardoor ze elkaar niet kunnen hinderen.

Dit overwint een groot probleem dat eerdere ontwerpen heeft geplaagd, zei Stéphane Kéna-Cohen, een assistent-professor bij de afdeling Technische Natuurkunde aan de Polytechnique Montréal in Canada, die heeft gewerkt aan organische polaritonlasers, maar niet betrokken was bij de nieuwe studie.

"Hierdoor kan de laser met veel langere pomppulsen werken, die eenvoudiger te genereren zijn en eenvoudige implementaties mogelijk maken," vertelde Kéna-Cohen aan WordsSideKick.com. "Op dit moment zijn er nog veel uitdagingen voor dergelijke lasers om bruikbaar te zijn omdat de drempel voor [excitatie] zo hoog is, maar ze zijn een fascinerend platform voor het bestuderen van natuurkunde die normaal alleen bij ultralage temperaturen voorkomen."

Verzamel zei dat de fundamentele fysica suggereert dat ontwerpverbeteringen uiteindelijk polaritonlasers met aanzienlijk lagere drempels dan conventionele zouden moeten toestaan, waardoor ze veel efficiënter en compacter zouden kunnen zijn.

Dit maakt de nieuwe studie veelbelovend voor het gebied van optische computerverwerking, zei hij, en een kleine laser op basis van biomaterialen zou mogelijk ook in het menselijk lichaam kunnen worden geïmplanteerd voor medische toepassingen.In de tussentijd voegde hij eraan toe dat ze een bruikbaar model zijn voor het onderzoeken van fundamentele vragen in de kwantumfysica.

De resultaten van de nieuwe studie werden vandaag online gepubliceerd (19 augustus) in het tijdschrift Science Advances.

Oorspronkelijk artikel over WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com