Создан лазер на основе биологической клетки

Рис. 1. Схематический рисунок, демонстрирующий принципы индуцированного излучения. Квантовая система (атом) переводится из основного состояния (Ground level) c энергией E1 в возбужденное (Excited level, зеленый кружок) с энергией E2. Перевод осуществляется при помощи фотона (красная пунктирная линия), чья энергия — hν, произведение постоянной Планка и частоты фотона — равна разности энергий ДE возбужденного и основного состояний. Присутствие внешнего электромагнитного поля той же частоты (то есть энергия фотонов hν) стимулирует переход атома обратно в основное состояние. Этот переход сопровождается излучением фотона с энергией hν, при этом направление излучения, а также другие его характеристики, совпадают с направлением движения фотонов внешнего поля. Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Одним из ключевых элементов конструкции лазера является активное вещество — среда, в которой происходит генерация лазерного излучения. С момента создания первого лазера в качестве активного вещества использовались полупроводники, допированные кристаллы, органические красители и чистые газы. Теперь ученые из США и Южной Кореи создали лазер, в котором активным веществом выступает биологическая клетка с внедренным в нее зеленым флуоресцентным белком. Интересно, что после генерации лазерного излучения клетка остается живой.

За почти 50-летнюю историю существования лазеры стали неотъемлемой частью передовых научных исследований и современной промышленной индустрии. Своей востребованностью эти устройства обязаны уникальным характеристикам излучения, которое они производят. Во-первых, лазерный луч обладает высокой направленностью (и, как следствие, сильной яркостью) и способен проходить довольно большие расстояния с очень малой расходимостью. Во-вторых, излучение лазера имеет очень узкий частотный (или волновой) диапазон, такой, что можно говорить о монохроматическом свете (излучении с определенной длиной волны или частоты). Наконец, наиболее значимым преимуществом лазерного излучения и его характерным отличием от других источников света является его когерентность.

Принцип работы и устройство лазера

Источником лазерного излучения может быть только квантовая система, то есть атом или ассоциация атомов, например молекула. Согласно теории, энергетическое состояние произвольной квантовой системы образовано набором дискретных значений энергии. Эти значения формируют систему энергетических уровней, или энергетический спектр. Изолированный от внешнего окружения атом — яркий пример дискретного энергетического спектра.

У атомов и молекул в твердом теле спектр более насыщен уровнями. Они могут расщепляться и уширяться, превращаясь фактически в отдельные полосы, между которыми находятся интервалы с запрещенными значениями энергий. Это происходит вследствие того, что атом взаимодействует с другими атомами кристаллической решетки твердого тела.

Квантовая система может изменить свое энергетическое состояние и перейти с одного уровня на другой, если она поглотит (излучит) фотон, тем самым переместившись в более высокое (низкое) энергетическое состояние. Состояние квантовой системы с наименьшим значением энергии называется основным. Нахождение системы на вышележащих (в смысле большего значения энергии) уровнях означает, что она находится в возбужденном состоянии. Если это произошло, то имеется вероятность перехода системы в более низкое или даже основное состояние с испусканием фотона (есть также вероятность, что переход будет и безызлучательным, то есть без испускания фотона). Такой процесс именуют спонтанным излучением. Спонтанное излучение некогерентно в том смысле, что атомы излучают независимо друг от друга, их излучение никак не скоррелировано и направление излучения может быть произвольным.

Если же на атом действует электромагнитное поле с частотой, равной частоте излучаемого фотона, то вероятность перехода в нижележащее состояние увеличивается. При этом излучение атома имеет ту же частоту, направление распространения и другие характеристики, что и внешнее поле. Такое излучение называется индуцированным, или вынужденным (рис. 1). Индуцированное излучение когерентно, то есть излучение атомов является скоррелированным. Именно благодаря индуцированному излучению стало возможно появление лазера.

Однако этого еще недостаточно. Необходимое условие создания и дальнейшей работы лазера — нарушение равновесия между процессами поглощения и испускания фотонов в квантовой системе. Иными словами, систему нужно заставить излучать больше, чем поглощать. Для этого требуется, чтобы число атомов в возбужденном состоянии было больше, чем в основном состоянии. Чем больше будет эта разница, тем более интенсивным будет индуцированное излучение. Если такое произошло, то говорят, что система обладает инверсной заселенностью, при этом квантовые системы, в которых была создана инверсная заселенность, образуют активное вещество.

Чтобы на практике реализовать инверсную заселенность и тем самым создать лазер, двух уровней — основного и возбужденного — оказалось недостаточно. Для появления инверсной заселенности обычно используют так называемую трехуровневую и четырехуровневую систему (рис. 2).

Рис. 2. Диаграммы энергетических уровней лазеров, работающих по принципу трехуровневой (слева), четырехуровневой (в центре) и квазитрехуровневой систем. Горизонтальные черные линии показывают уровни энергий: чем они выше, тем больше энергия. На картинках сплошными голубыми стрелками показана накачка (pump) атомов на верхние уровни и перемещение их с верхних уровней на нижние уровни, сопровождающееся генерацией лазерного излучения (laser). Стрелки из голубых точек соответствуют безызлучательному переходу атома с верхних уровней на нижние. Рисунок с сайта www.rp-photonics.com

В лазере, работающем по принципу трехуровневой системы, атомы, изначально находящиеся в основном состоянии, переводятся (накачиваются) на самый высокий уровень (рис. 2, слева). Затем они очень быстро и безызлучательным образом спускаются на уровень ниже, в течение довольно длительного по атомным масштабам времени там накапливаются и затем когерентно излучают. То есть получается, что задействовано три уровня-состояния.

Недостаток трехуровневой системы заключается в необходимости значительных энергетических затрат на накачку (перевод атомов в возбужденное состояние) и создание приемлемой разницы в количестве атомов, находящихся в основном состоянии и в возбужденном.

Более экономичным является лазер, работающий на основе четырехуровневой системы (рис. 2, центр). Здесь атомы из основного (нижнего) уровня накачиваются на самый верхний, откуда они очень быстро, без излучения, переходят на соседний, расположенный чуть ниже. На этом уровне в течение некоторого времени происходит накопление возбужденных атомов. Далее частицы перемещаются на второй снизу уровень, сопровождая этот процесс когерентным (индуцированным) излучением. На втором уровне они также долго не задерживаются и очень быстро, без излучения, переходят в основное состояние.

Как видно, инверсная заселенность и лазерное излучение создаются между третьим и вторым уровнями. Наличие второго уровня, на котором атомы долго не задерживаются из-за того, что он не является основным, позволяет создавать инверсную заселенность при помощи небольшого (по сравнению с трехуровневой системой) количества атомов. Собственно, отсюда и возникает экономия энергии.

Существуют также лазеры, которые работают по принципу квазитрехуровневой или даже квазичетырехуровневой системы. Приставка «квази» означает, что имеет место «почти» трехуровневая система (наличие очень близкого к основному уровня не позволяет причислить ее к системе с четко выраженными тремя уровнями; см. рис. 2, справа). Квазичетырехуровневая система помимо уровня, расположенного неподалеку от основного, имеет еще и такого же близкого соседа чуть ниже самого верхнего уровня.

Интересно, что как для квазитрехуровневой системы, так и для квазичетрырехуровневой количество близкорасположенных уровней может быть больше одного. В этом случае лазер может генерировать излучение на разных (хотя и близких) длинах волн, а не только на одной.

Устройство лазера схематически можно изобразить в виде рисунка (рис. 3). В оптический резонатор, представляющий собой два зеркала с высоким коэффициентом отражения, помещают активное вещество — среду, в которой создается инверсная заселенность и генерируется лазерное излучение. Инверсная заселенность создается специальным устройством — источником накачки. В зависимости от типа активной среды (газ, полупроводник, допированные кристаллы, органический краситель) применяется своя разновидность накачки (газоразрядные лампы, электрический разряд, ток высокого напряжения и т. д.).

Рис. 3. Упрощенный рисунок конструкции лазера. Показаны основные элементы: источник накачки, активное вещество и зеркала резонатора. Рисунок из статьи М. Ф. Сэм «Лазеры и их применение» в Соросовском образовательном журнале

Сгенерированное излучение, распространяющееся в направлении, перпендикулярном зеркалам, поочередно отражается от них и усиливается при каждом прохождении через активное вещество. Поскольку одно зеркало делается частично прозрачным, то на выходе из резонатора получаем желаемое лазерное излучение заданной длины волны.

Важно заметить, что лазерное излучение появляется лишь в том случае, когда мощность источника накачки превышает определенное пороговое значение. Пока оно не превышено, свет, выходящий из резонатора, не является лазерным. График зависимости мощности источника накачки от мощности выходящего из резонатора излучения выглядит примерно так (рис. 4).

Рис. 4. Типичный пример зависимости мощности излучения лазера от мощности накачки. Генерация лазерного излучения наступает лишь тогда, когда мощность накачки превышает пороговое значение, которое определяется конструкцией лазера (потерями в резонаторе) и его типом. Рисунок с сайта www.rp-photonics.com

Как только мощность накачки достигает определенного уровня, происходит значительное увеличение мощности излучения, выходящего из резонатора. В этом случае можно утверждать, что конструкция действительно рождает лазерное излучение.

Активное вещество — биологическая клетка

К списку активных веществ, используемых в конструкции лазера, теперь можно добавить и живой организм, точнее эукариотическую клетку. На ее основе ученым из США и Южной Кореи удалось создать устройство, которое, как показали дальнейшие исследования, имеет полное право назваться лазером. Статья об этом опубликована в журнале Nature Photonics.

Сразу отметим, что клетка как активное вещество обязательно должна содержать зеленый флуоресцентный белок. Этот белок примечателен тем, что при освещении его синим светом он с 79-процентной эффективностью (см. Quantum yield; отношение числа поглощенных фотонов к числу вышедших из вещества) излучает (флюоресцирует) «взамен» зеленый свет. Благодаря данному свойству белок стал незаменимым атрибутом в биомедицинских исследованиях как маркер для отдельных молекул, внутриклеточных структур и целых клеток. Этот белок ответственен и за генерацию лазерного излучения. Строго говоря, наличие клетки не обязательно, что и было продемонстрировано в первой части статьи, когда активным веществом лазера был только этот белок. Использование клетки в обсуждаемой работе, по всей видимости, необходимо лишь для того, чтобы усилить эффект от открытия и показать, что создать лазер можно на базе живого организма, если предварительно «внедрить» в него зеленый флюоресцирующий белок.

Работа лазера с активным веществом в виде эукариотической клетки осуществлялась по принципу квазичетырехуровневой системы (рис. 5). При оптической накачке белок из основного состояния S₀ переходил в возбужденное S₁. Оба состояния составлены из большого числа очень близких уровней, что дает возможность (пусть и небольшую) варьировать длинами волн лазерного излучения.

Рис. 5. Лазер на основе биологической клетки работает по принципу четырехуровневой системы. Зеленый флуоресцентный белок является квантовой системой. Схема его уровней представляет собой набор состояний S0, близко расположенных к основному, и такое же плотное множество возбужденных состояний S1. Процесс поглощения (absorption) фотонов синего света (они показаны голубой волнистой линией) переводит белок из основного состояния в одно из возбужденных состояний из набора S1. Оттуда система безызлучательно переходит на самый нижний уровень из набора S1. Далее система спускается в одно из состояний набора S0, сопровождая свой переход индуцированным (stimulated emission), если мощность накачки превышает пороговое значение, или спонтанным (spontaneous emission), если порог не превышен, излучением зеленого света (фотоны показаны волнистыми линиями). После излучения система падает в основное состояние (самый нижний уровень из набора S0). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Photonics

Конструкция лазера представлена на рис. 6. Сферическая клетка диаметром приблизительно 15 мкм помещалась в резонатор, образованный двумя зеркалами с высоким коэффициентом отражения и разделенных расстоянием 20 мкм.

Рис. 6. (a) Схема лазера на основе эукариотической клетки. Клетка с зеленым флуоресцентным белком помещалась в резонатор между двумя сильно отражающими зеркалами (расстояние между ними 20 мкм) и накачивалась синим светом. Лазерное излучение, генерируемое зеленым флуоресцентным белком, было зеленым светом. (b) Зависимость энергии излучения лазера в относительных единицах от энергии его накачки (pump energy) в наноджоулях (нДж, nJ). Точки соответствуют данным эксперимента, крестики показывают ошибки измерения отображаемых на графике величин. Сплошная прямая линия — это линейная интерполяция экспериментальных данных. Рисунки из обсуждаемой статьи в Nature Photonics

Оптическая накачка проводилась при помощи импульсов монохроматического синего света с длиной волны 465 нм. Как только мощность накачки превышала предел, приблизительно эквивалентный энергии 0,8±0,2 нДж (наноджоуль = 10^–9 Дж), наблюдалось резкое возрастание мощности (энергии) выходящего из резонатора излучения, что доказывает факт генерации лазерного излучения (рис. 6b).

Чтобы узнать, можно ли исходящий свет действительно назвать лазерным, авторы статьи провели спектральный анализ излучения.

Спектральный анализ определяет частоты, которые входят в заданное излучение. Если оно монохроматическое (каковым является лазерное), то спектр света должен состоять из одного или нескольких рядом стоящих ярко выраженных пиков. В противном случае на спектре будет присутствовать большое количество пиков приблизительно одинаковой высоты.

Чтобы разделить моменты, когда рождающееся излучение можно назвать лазерным, а когда нет, ученые представили результаты спектрального анализа исходящего из резонатора света, когда мощность накачки не превышает порогового значение (лазерного излучения нет) и когда оно больше порогового в несколько раз (рис. 7a и 7c).

Рис. 7. Сравнение выходящего из резонатора излучения при энергии накачки ниже и выше порогового значения. (a) Спектр выходящего из резонатора излучения, когда энергия накачки не превышает порога. (b) Распределение интенсивности внутри пучка света, сгенерированного в резонаторе, когда энергия накачки меньше пороговой величины. (c) Спектр выходящего из резонатора излучения, когда энергия накачки в три раза больше значения порога. (d) Распределение интенсивности внутри сгенерированного светового луча для случая, когда энергия накачки больше пороговой величины. Длина масштабной линейки 5 мкм. Рисунки из обсуждаемой статьи в Nature Photonics

Прекрасно видно, что при энергии накачки меньше пороговой величины спектр излучения насыщен множеством равнозначных по интенсивности пиков, в то время как при энергии больше пороговой в три раза спектральный анализ демонстрирует несколько ярко выраженных всплесков, сосредоточенных в окрестности длины волны 520 нм. Это подтверждает, что рождающееся излучение имеет полное право называться лазерным.

Авторы приводят также распределение интенсивности внутри светового пучка, который рождается в резонаторе. Сравнивая рисунки 7b и 7d, нетрудно обнаружить на последнем рисунке яркие места, указывающие на то, что при накачке выше порогового значения интенсивность излучения сосредоточена в отдельно взятых местах (а это признак лазерного луча), в отличие от очень однородного распределения интенсивности в случае, когда мощность накачки не превышает порога.

В заключении авторы отмечают, что с помощью флуоресцентных белков (не только зеленого) в лазер можно превратить любой живой организм. Полученное таким способом лазерное излучение может помочь визуализировать трехмерную структуру клетки, а также улучшить разрешение изображений микроскопических биологических объектов, что очень важно в различных биомедицинских приложениях.

Источник: Malte C. Gather, Seok Hyun Yun. Single-cell biological lasers // Nature Photonics. Published online 12 June 2011.

Юрий Ерин