2019. szeptember: jegyzet, fizika, biofizika, biológia, lézer, tudomány, kémia, egészségipar, portré, bioinformatika, egyetem, ipar 4.0, innováció, öntészet, fenntarthatóság, energiagazdálkodás, disszemináció, zöldkörnyezet, építés, környezetvédelem, ipari automatizálás, it, mesterséges intelligencia

Anizotróp szerkezetek feltárása poláros fénnyel

A Biofotonika Kutató és Fejlesztő Kft. már korábban is fejlesztett polarimetriás berendezéseket, amelyekkel rangos nemzetközi kiállításokon több díjat is nyertek. Legutóbbi fejlesztésük a Stokes polarimetriás kiegészítő egység lézersugár-pásztázó mikroszkópokhoz.


Feltételezem, hogy a legutóbb összeállított prototípusuk is kapcsolódik a korábbi fejlesztési munkáikhoz.

Garab Győző ügyvezető: A korábbi fejlesztési munkánk gyümölcse, a differenciálpolarizációs lézerpásztázó mikroszkóp (DP-LSM), ma már az Euro-BioImaging hálózat egyik, felhasználók által pályázaton is elérhető berendezése, amely az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpontban található. A nemrég – GINOP 2.1.7-15-2016 tá­mogatással – kifejlesztett Stokes-polarimetriás (SP) rendszerünk több szempontból is jelentős továbblépésnek tekinthető. A prototípus most kifejlesztett, mikroszkóphoz illesztett (SP-LSM) egysége gyorsabb, könnyebben kezelhető leképezési eljárásokat kínál a felhasználónak, mint a DP-LSM, amely mindamellett – a képponton­kénti mérések pontosságában – továbbra is verhetetlen. A két be­rendezés jól kiegészíti egymást, annál is inkább, mert a most befejezett fejlesztés eredményeként rendelkezésre áll egy olyan mak­roszkópos SP mérőberendezés is, amelyen a mikroszkópos mérésekkel lényegében azonos körülmények között végezhetők el ellenőrző és beállító mérések.

A Stokes-polarimetriás mérőrendszer egy elrendezése és általános blokksémája

Az SP-berendezésünk így további lehetőségeket nyújt komplex molekuláris szerkezetek – más módszerrel nem feltárható – ani­zot­­róp molekuláris szerveződésének nagy pontosságú, részletes jellemzésére. Ezen a területen, elsősorban alkalmas műszerek hiányában, az ismereteink rendkívül hézagosak. Ezért is tartom, illetve tartjuk fontos feladatnak, hogy olyan berendezéseket fejlesszünk ki, amelyek lehetővé teszik a fény-anyag kölcsönhatás mélyebb megértését, de akár csak egy-egy speciális biológiai minta vagy intelligens anyag felépülésének részletesebb megértéséhez vezetnek.

Anizotróp molekuláris szerkezetek feltárására összeállított rendszer egy lehetséges konfigurációja
Mit tekint a fejlesztés legfontosabb elemeinek?

G. Gy.: A problémafelvetéshez sokéves kutatói tapasztalat nélkül aligha jutottam volna el. A megoldáshoz már sokkal több kell. Számos lehetséges megoldást kell kipróbálni és optimalizálni. Ebben számíthattunk a területen nagy tapasztalattal rendelkező kisvállalkozások közreműködésére, de mindenekelőtt sok­oldalúan képzett munkatársakra volt szükségünk – és rájuk számítunk a jövő­ben is. Át is adom a szót két tehetséges, a téma iránt elkötelezett fiatal kollégámnak.

Steinbach Gábor Miklós: A fizikus és mérnöki diplomám mellett biofizikus PhD-vel rendelkezem. A fejlesztőmunkában nagyon hasznos a több lábon állás, a különféle technikák összefésülése, legyen az optika, elektronika vagy informatika. Ezek kizárólag együtt alkalmasak egy új mérőműszer előállítására.
Az elkészített eszköz egy makroszkó­pos és egy mikroszkópos mérő­kör­nye­­­zetből áll: ez tartalmazza az opto­me­chanikai alkatrészeket, valamint a mikroszkópba beépített feltéteket: egy jel­fel­dolgozó áramkört és egy olyan vezér­lő­­rendszert, amely irányítja a mérést és szoftveresen kiértékeli a kapott eredményeket.

A lézerpásztázó mikroszkópba beépített Stokes-polarimetriás feltét

Sipka Gábor: A biológiai mérési gyakorlatban általánosan elterjedt mennyiségek mérését oldottuk meg az eddiginél rugalmasabb módon, felhasználóbarát környezetben. Fizikusként biofizika PhD-t szereztem, de a műszerépítés és a biológiai alkalmazások is közel állnak hozzám.
Elsősorban biológiai minták polarizációs anizotróp sajátsá­gait vizsgáljuk, valamint azokat a tulajdonságaikat, amelyek a fény polarizációjától függnek vagy azt módosítják. Az SP-LSM mérőrendszer a lézerpásztázó mikroszkópok és a spektropolariméterek által biztosított szerkezeti információk kinyerését végzi egyidejűleg; ilyen módon nyerhetünk molekuláris szerkezeti információt a vizsgált anyagokról. A fejlesztés során ezenkívül nagy hangsúlyt kapott a rugalmas, felhasználóbarát megvalósítás is.

Hogyan lehetne összefoglalni a mérőrendszer működését?

S. G.: Az anyagi tulajdonságok mérése – a fény kölcsönhatása a molekuláris szerkezettel – a mintán áthaladó fény polarizációs tulajdonságainak módosításán alapul. A tervezés központi kérdése a polarizációs anizotrópia paraméterek meghatározása. Ehhez a megvilágító lézerfényt megfelelő polarizációs állapotúvá kell alakítani. A minta kettőstörésének és dikroizmusának (polarizációfüggő fényelnyelésének) mérésére a minta előtt a lézersugarat átvezetjük egy úgynevezett polarizációs állapot generátoron. Ez a lézersugarat lineárisan vagy cirkulárisan polárossá alakítja. A dikroizmus, kettőstörés vagy a polarizált emisszió, vagy reflexió meghatározásához szükség van egy polarizációs állapot analizátorra is, amelyen keresztülhaladva a mintáról származó fényt egy detektorba juttatjuk.

S. G. M.: A berendezés leglényegesebb elemei a minta előtt és után elhelyezkedő modulátorok, amelyek számítógépről vezérelhetőek. Mind a mérés levezénylését, mind a kiértékelést elvégezhetjük automatikusan.

Ugyanaz a berendezés alkalmas a mikroszkópos és a makroszkópos vizsgálatok lefolytatására?

S. G. M.: A makroszkópos mérőkörnyezetet a külső mechanikai hatásoktól izolált rezgésmentes asztalon alakítottuk ki. Az aktív mérőelemeket igen pontosan rögzíthető optomechanikai eszközök tartják. A berendezést a környezeti hatások ellen is védeni kell.
A rendszer beépítése a mikroszkópba – úgy, hogy az alapkészülék működését ne zavarja – egy kicsit bonyolultabb. Itt a mikroszkóp mechanikai és optikai felépítésére egyaránt figyelni kell. Mivel az LSM-ek önmagukban csúcstechnológiás termékek, és a polarizációs optika is érzékeny technika, ez alkalmasint sok fejtörést okozott.
A mérőegység mikroszkópos működését – és az SP-LSM leképezést – egy lézersugár-pásztázó konfokális mikroszkópba beépítve demonstráltuk. A polarizációs egységeket egy nemrégiben kifejlesztett, úgynevezett újrapásztázó konfokális mikroszkópba építettük be. Ebben a mikroszkópban is lézerfény gerjeszti a fluoreszcens festékkel jelölt (vagy eredendően fluoreszcenciával rendelkező) mintát olyan módon, hogy a fókuszált lézersugár pontról pontra tapogatja le a vizsgálni kívánt területet. A polarizációs állapotok felvett képenként változnak, az adatfeldolgozás a teljes képre kiterjed – erre egy Matlab környezetben elkészített programunk szolgál.

Milyen várható hatása lehet az SP-LSM-nek a biológiai kutatásokra?

G. Gy.: A mikro­világban igen gyakoriak az olyan magasan szervezett szerkezetek – például önszerveződő aggregátu­mok, amiloi­dok, összetapadt membrán­régiók, párhuzamosan futó makro­molekula-láncok vagy a növényi sejtfalat felépítő cellulózszálak –, amelyek különösen érdekes alakzatok, és amelyek felépítéséről és fiziológiai szerepéről ma még keveset tudunk. Az ilyen struktú­rák ily módon feltárt anizotróp szerkezete iránymutató lehet in­telligens anyagok tervezésében is.

Kongóvörös fluoreszcens festékkel jelölt növényi metszetek (Salix matsudana) fluoreszcencia-detektált lineáris dikroizmus leképezése

Eredményeinket nemzetközi konferenciákon is bemutattuk, és szakfolyóiratban publikáltuk. Berendezésünk segítségével a leg­változatosabb kutatási területekhez nyújthatunk segítséget. Ha­zai és nemzetközi partnerekkel együttműködve már meg is kezdtük a munkát. Magam és kollégáim alapszakterületén – a foto­szin­te­ti­kus szerkezetek kutatásán – túlmenően dolgozunk a cel­lu­lóz mint energiahordozó átalakításán, növényi sejtfalak mecha­nikai stabi­litásának és deformálható­sá­gá­nak vizsgálatán, diag­nosztikai és fotokatalitikus célokra kifejlesztett önszerveződő nano­szer­ke­ze­teken és biológiai, valamint mesterséges membránok ani­zot­róp felépítésének megértésén. Nyitottak vagyunk további együttműködésekre. A know-how iránt is mutatkozott kereslet; keressük az értékesítés és hasznosítás formáit.•

 
Innotéka