ÔN TẬP QUANG HỌC KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG

ÔN TẬP QUANG HỌC KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG I BIOSENSORS FOR MEDICAL APPLICATIONS 1) Nguyên tắc hoạt động chung Cấu tạo cảm biến sinh học  Đầu thu sinh học  Tác nhân cố định  Bổ chuyển đổi tín hiệu  Bộ[.]

ÔN TẬP QUANG HỌC KỸ THUẬT VÀ ỨNG DỤNG I BIOSENSORS FOR MEDICAL APPLICATIONS 1) Nguyên tắc hoạt động chung Cấu tạo cảm biến sinh học:  Đầu thu sinh học  Tác nhân cố định  Bổ chuyển đổi tín hiệu  Bộ xử lý Đầu thu sinh học bắt cặp phát có mặt tác nhân cần phân tích Tác nhân cố định giúp gắn đầu thu lên điện cực Bộ chuyển đổi tín hiệu chuyển đổi tín hiệu sinh học thành tín hiệu đo đạc Bộ phận xử lý để xử lý tín hiệu Nguyên lý: đầu thu nhận đưa vào môi trường cần đo phân tử cần đo tiếp xúc vs đầu thu, tương tác chúng chuyển đổi biến thành tín hiệu cần đo 2) Nhiệt kế xạ - Cấu tạo: mạch điện tử, quang học - Nguyên lý: Đo tính chất xạ lượng môi trường mang nhiệt - Ưu điểm: Dùng môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo - Khuyết điểm: Độ xác khơng cao, đắt tiền - Thường dùng: Làm thiết bị đo cho lò nung, kiểm tra thân nhiệt hành khác sân bay pin nhiệt điện 3) Cảm biến quang Nguyên lý a Hiệu ứng quang điện: Chiếu xạ vào bề mặt kim loại => điện tử hấp thu lượng thắng cơng bề mặt tạo dịng điện b Hiệu ứng quang dẫn (hiệu ứng quang điện trong) Khi chiếu xạ điện từ vào vật liệu bán dẫn, lượng photon ko làm electron khỏi vật liệu, lượng bẻ gãy liên kết tạo thành electron dẫn (tự do), electron dẫn chuyển động tự vật liệu tham gia qt dẫn điện Các loại cảm biến quang điện a) Tế bào quang dẫn (quang điện trở) Điện trở thay đổi có ánh sáng chiếu vào b) Photodiode thay đổi điện trở ánh sáng chiếu vào II THERMAL IMAGING FOR BIOLOGICAL AND MEDICAL DIAGNOSTICS (phƣơng pháp ảnh nhiệt cho chẩn đoán y sinh học) Mọi vật > 0K phát xạ hồng ngoại => dựa vào để đo nhiệt độ phương pháp ảnh nhiệt Chủ yếu dựa định luật Wien Ảnh nhiệt thu từ đầu dò hồng ngoại camera hồng ngoại Định luật Wien: Tích amda đ nh nhiệt độ số chế tạo ảnh nhiệt:  Các vật tầm thu ảnh phát lượng hồng ngoại  ột thấu kính dùng để tập trung lượng vào đầu dò hồng ngoại  Các tín hiệu thu đầu dò hồng ngoại dùng để tạo nên mô h nh nhiệt độ chi tiết đen trắng ảnh nhiệt dựa định luật ien  Ảnh nhiệt chuyển thành tín hiệu điện đưa wa thiết ị thị h nh ảnh cho thấy  Ảnh ta thấy c màu sắc lập tr nh xử lí tín hiệu số thiết ị xử lý thị Ứng dụng Chẩn đoán ung thƣ vú Các tế ung thư phát triển nhanh => Đòi hỏi lượng chất lượng nhiều so với tế nh thường => Đ y nhanh tr nh chuyển h a lượng tưới máu => àm thay đổi nhiệt độ Ảnh sáng tối khác chênh lệch nhiệt độ thể Hình ảnh: khối u (sáng), bình thƣờng (tối), ước sóng hồing ngoại, chỗ đo nhiệt độ cao th ước sóng giảm III ATOMIC SPECTROMETRY IN BIOLOGICAL AND CLINICAL ANALYSYS (phổ nguyên tử chẩn đoán sinh học lâm sàng) 1) Nguyên lý Phổ nguyên tử phân tích định tính định lượng Năng lượng dùng phân tích sóng từ vùng cực tím đến khả kiến Electron tồn mức lượng xác định Để dịch chuyển mức lượng, electron hấp thụ phát xạ lượng dạng photon Do nguyên tử có cấu trúc đặc trưng nên ước s ng photon phát đặc trưng cho nguyên tử đơn lẻ Một số phổ nguyên tử thông dụng: - Phổ hấp thụ nguyên tử - Phổ phát xạ nguyên tử - Phổ huỳnh quang nguyên tử 2) Ứng dụng Ưu điểm: - Độ nhạy cao - Phân tích nhanh - Tốn mẫu Nhược điểm: - Ko ch trạng thái liên kết of nguyên tố mẫu - Đắt tiền, đòi hỏi tr nh độ người dùng (tất phần đo phổ cần coi ví dụ) a) Đo phổ phát xạ of nguyên tử (ICP – AES) Một số nguyên tố Bohr, phosphor, lưu huỳnh đo ằng ICP –AES Theo dõi bệnh nhân suy dinh dưỡng, bệnh nhân mắc bệnh thận mạn tính hay nhiễm độc nhơm Dùng rộng rãi phân tích thực ph m mẫu mô VD: Xác định Bohr phương pháp Boron hấp thụ neutron ICP –AES: tiêm Bo vào thể, bo bám vào khối u Sau đ , ắn chùm neutron vào Bo để phát xạ alpha PP dùng xạ trị ung thư b) Đo phổ hấp thụ of nguyên tử (AAS) Trong phân tích lâm sàng: chữa bệnh thận, nhiễm độc nhơm AAS dùng phịng thí nghiệm để theo dõi dinh dưỡng, rối loạn gen c) Đo phổ huỳnh quang nguyên tử Xác định nguyên tố quan trọng chất độc thủy ngân, asen, selen VD: đo selen máu kèm PP tạo – ước: Q trình quang hóa Trục xuất NO NO2 Tạo Selen IV NANOSENSORS FOR SINGLE-CELL ANALYSES (cảm biến nano cho phân tích đơn bào) 1) Sợi quang Chế tạo pp: - Phương pháp nung n ng kéo dãn phổ biến – đắt tiền - nhanh) - Phương pháp khắc hóa học (rẻ) - Lớp vỏ Lớp phủ Lớp bọc Lõi õi dùng để dẫn ánh sáng Lớp bọc igữ ánh sáng tập trung lõi nhờ phản xạ toàn phần Nogài cịn có thêm lớp phủ lớp vỏ Lớp phủ chống xâm nhập nước, giảm ảnh hưởng uốn cong Lớp vỏ tăng sức chịu đựng cho sợi quang Nguyên lý: tượng phản xạ toàn phần Điều kiện góc tới lớn g c tới hạn 2) Các loại cảm biến nano a Cảm biến quang Sử dụng sợi quang c kích thước nano Đường kính đầu sợi quang nhỏ ước sóng ánh sáng Hạt photon ko thể thoát sợi quang nên ko bị hấp thụ b Cảm biến hóa học Đầu dị nhận dạng hóa chất dạng 3D khoảng cách ngắn Gồm loại: pepple, cảm biến sinh học chấm lượng tử, cảm biến hóa học vỏ sinh học Ứng dụng: Đo pH, oxy phân tử Đo ion khác thể (pepple) c Cảm biến sinh học Áp dụng cơng cụ c kích thước nano vào hệ thống sinh học Sử dụng hệ thống sinh học làm khuôn mẫu để tạo sản ph m Ứng dụng: khám phá thuốc, thiết bị phân phối thuốc, cơng cụ ch n đốn, liệu pháp vật liệu sinh học V GLUCOSE DIAGNOSIS (chẩn đoán glucose) Tƣơng tác glucose với ánh sáng (quang phổ hồng ngoại gần) Khoang trước giác mạc dùng để theo dõi glucose v nơi truyền qua xạ quang học Đo trạng thái ổn định glucose ên giác mạc (dùng quang phổ hồng ngoại gần) Quang phổ hồng ngoại gần Đo lường định lượng nhóm CH, NH, CO, OH Nhược điểm dải phổ chồng chéo lên nhau, ko thích hợp phân tích định lượng  Sử dụng quang phổ truyền dẫn NIRS để phân tích tham số hóa học Ứng dụng phổ hồng ngoại gần: Phản ứng sinh học, nuôi cấy tế bào Điều khiển tự động nồng độ glucose thông qua giám sát liên tục cải thiện suất Do có phức hợp protein, amino acid, muối cacbohidrat nên fức tạp ptích Phổ Raman:  Ứng dụng: bị ảnh hưởng nước  phân tích mẫu trực tiếp  Liên kết khác dẫn đến tán xạ điện từ khác  Thiết bị phổ Raman:  Nguồn sáng laser đơn sắc  Nguồn sáng laser: máy đơn sắc phân tán / quang phổ kế Ứng dụng chung:  Theo dõi tiểu đường, lấy mẫu, tra mẫu vs dải test đọc kết  Sử dụng thuốc nhuộm VI OPTICAL COHERENCE TOMOGRAPHY IMAGING (Phƣơng pháp chụp cắt lớp OCT) 1) sở lý thuyết + OCT phương pháp chụp cắt lớp quang học kết hợp, cho hình ảnh c độ phân giải cao phương pháp tạo ảnh không tiếp xúc, không xâm lấn + Dựa sở giao thoa ánh sáng Michelson + Chụp cắt lớp quang học kết hợp xét mối tương quan phương pháp giao thoa để đo lường thời gian phản hồi chậm trễ phản xạ tán xạ với phạm vi hoạt động độ nhạy cao 2) Ứng dụng OCT nhãn khoa Phương pháp cho ảnh mắt phân giải cao, ko gây kích ứng, biến chứng Ch n đốn ệnh lý mắt:  Tật khúc xạ  Tăg nhãn áp  Gai thị  Đánh giá t nh trạng sẹo, biến chứng sau phẫu thức Ứng dụng phẫu thuật khúc xạ: Máy OCT bán phần, trước nhãn cầu - Đưa thông số đo đạc chi tiết, đánh giá toàn diện mắt - Ch định phương pháp phẫu thuật thích hợp - Đánh giá t nh trạng sau phẫu thuật VII PHỔ HỒNG NGOẠI TRONG LÂM SÀNG VÀ CHẨN ĐỐN & ĐỊNH LƢỢNG QUANG HỌC KHƠNG XÂM LẤN sở lý thuyết phƣơng pháp phổ hồng ngoại Phổ hấp thu hồng ngoại phổ dao động - quay hấp thu xạ hồng ngoại chuyển động dao động chuyển động quay bị kích thích Bức xạ hồng ngoại c độ dài sóng từ 0,8 đến 1000μm chia thành ba vùng: Cận hồng ngoại (near infrared): λ = 0,8 – 2,5 μm (12500 - 4000 cm-1) Trung hồng ngoại (medium infrared): λ = 2,5 – 25 μm (4000 - 400 cm-1) Viễn hồng ngoại far infrared : λ = 25 – 000 μm (400 - 10 cm-1) Ứng dụng a Camera soi tĩnh mạch Nguyên lý: Trên camera gắn đèn led vòng quanh phát ánh sáng cận hồng ngoại lên gương n ng qua da, từ đ thu ức xạ hồng ngoại từ da qua gương vào camera chụp lại gửi qua xử lý qua projector chiếu ánh sáng xanh da để xác định tĩnh mạch b Máy Infrascanner kiểm tra não Ứng dụng: Phát huyết khối não Cấu tạo: - Một đầu phát sóng cận hồng ngoại laser diode - Một đầu thu sóng silicone - PDA để thu nhận xử lý hiển thị số liệu Các thiết bị kết nối với hệ thống luetooth để truyền nhận thông tin Nguyên lý: Khi có máu tụ, nồng độ hemoglobin tập trung cao khu vực xuất huyết, độ hấp thụ sóng NIR (hồng ngoại) tăng Biểu thức: OD = log (I0/IA) So sánh độ hấp thụ khu vực não trái não phải: ΔOD= | OD1 – OD2 | OD : độ hấp thụ bên trái OD2 : độ hấp thu bên phải đối xứng) Nếu: ΔOD < 0.2: ko có tụ huyết não ΔOD>= 0.2: có tụ huyết não, xem OD bên lớn th ên đ ị VIII PHỔ RAMAN sở lý thuyết Khi chiếu xạ điền tử c lượng hv vào phân tử lượng bị hấp thu phát xạ Tán xạ tổ hợp Raman: tần số ánh sáng tán xạ thay đổi Vạch có cường độ sáng mạnh (vạch chính) quang phổ ánh sáng tán xạ có số tần số ánh sáng kích thích Vạch c cường độ sáng yếu vạch phụ) nằm hai bên vạch - Mỗi vạch (vạch Rayleigh) ánh sáng tán xạ có hai vạch phụ nằm đối xứng hai bên vạch - Vạch phụ có tần số thấp ước sóng dài) gọi vạch phụ đỏ – vạch Stock - Vạch phụ có tần số cao ước sóng ngắn) gọi vạch phụ tím – vạch đối Stock Phƣơng pháp phổ Raman - Quang phổ Raman tán xạ hồng ngoại gần (NIR): Dựa hấp thụ số ánh sáng đặt biệt glucose số chất khác Quang phổ Raman dùng phép biến đổi Fourier (FT) Quang phổ Raman cách tăng bề mặt (SERS): tăng cường độ Raman Quang phổ Raman cộng hƣởng UV (UVRR): tăng cường độ Raman Ứng dụng chẩn đoán lâm sàng Ch n đốn từ bên ngồi Đặc tính phổ Raman of ptử sinh học acid nucleic, protein, lipid, dùng để ch n đốn tính chất bệnh lý Ch n đoán số quan: ngực, thực quản, cổ tử cung Ung thƣ vú Dùng Raman cắt lớp mô vùng ngực để quan sát thấy mơ c đặc tính khác (lành tính, ác tính) từ sóng khác Ung thƣ da - Xét ngiệm vùng tốn thương từ sinh thiết - Dùng phổ FT-Raman để xác định đặc điểm da Dùng phổ Raman dựa vào phương pháp in vitro để phân biệt vùng mô ung thư vùng mô thường IX ĐẶ TÍNH MƠ VÀ TƢƠNG TÁC ÁNH SÁNG – MÔ Các loại tƣơng tác ánh sáng mô - Hấp thụ Truyền qua Huỳnh quang Tán xạ ( bao gồm phản xạ ngược) Raman Ứng dụng Đo nhịp tim Đo ằng PP hấp thụ: - Tim dãn, áp suất máu giảm, hấp thụ - Tim co, áp suất máu tăng, hấp thụ nhiều Cường độ ánh sáng Photodiode nhận biến thiên theo nhịp tim Đo nồng độ Oxy máu Mức độ bão hoà oxi: - Hb hấp thụ nhiều tia đỏ hấp thụ tia hồng ngoại HbO2 hấp thụ tia đỏ hấp thụ nhiều tia hồng ngoại Điều trị tật khúc xạ mắt Điều trị laser Excimer ĐK sử dụng: laser cực ngắn: (vùng tử ngoại) công suất 106-108 W/m2 Máy đếm tế bào C phương pháp đếm tế bào: - PP trở kháng điện - PP quang học đo phổ hấp thụ): - Tế đưa vào ống Nguồn sáng chiếu => tế bào qua => ánh sáng tán xạ => detector thu nhận => đếm tế bào X KỸ THUẬT CHẨN ĐOÁN BẰNG X –QUANG Tƣơng tác tia X với thể Khi chùm tia X chiếu lên mơ xảy loại tương tác sau: phản xạ lại, tán xạ, truyền qua mô mô hấp thụ, gây phản ứng quang hóa quang nhiệt Cấu tạo máy chụp tia X  Bộ nguồn  Đầu đèn phát tia X: o Ống tia X o Bộ chu n trực  Bàn chụp: Cassete chứa film X-quang Phƣơng pháp chụp Chụp thường quy (có film) CR ( computed Radiography): chụp film đưa vào thu nhận scan lên máy tính DR (Digital Radiography): chụp ảnh đưa thẳng vào máy tính khơng qua film Gồm phương pháp:  Trực tiếp: tia X => tín hiệu điện  Gián tiếp: Tia X => ánh sáng khả kiến => tín hiệu điện Ứng dụng y học Chụp x-quang xương, răng, đo loãng xương, xạ trị, - XI PHỔ CỘNG HƢỞNG TỪ HẠT NHÂN sở lý thuyết Phổ cộng hưởng từ hạt nhân gồm loại: hạt nhân điện tử Có loại chuyển động: quay quanh hạt nhân, chuyển động nội Khi quay quanh hạt nhân: có momen động lượng quỹ đạo Chuyển động nội tại: c momen động lượng riêng L , momen từ quỹ đạo  S  S (S  1) , momen từ spin s Zeman: chuyển động electron quay quanh hạt nhân, mức lượng bị tách làm Xét chuyển động hạt nhân quy quanh nó:  : moment từ hạt nhân quay quanh trục riêng  S  : tỷ số hồi chuyển từ S : spin Spin bị lượng tử hóa: S  S (S  1) Đặt hạt nhân hidro vào từ trường B để tách thành mức lượng: - Kích nguồn phát sóng Radio - - Yếu tố: thời gian hồi phục:  T1: thời gian hồi phục thành phần momen từ chiếu lên phương z, song song với B0  T2: thời gian hồi phục thành phần momen từ chiếu lên mặt phẳng thẳng góc với B0 2 Cấu tạo máy MRI Bộ phận: - Tạo từ trường không thay đổi theo thời gian - Tạo từ trường không đổi theo không gian (phân biệt độ sâu) Nguồn phát sóng Radio: gây cộng hưởng từ Bộ thu tín hiệu Radio Bộ xử lý hình ảnh: - Mật độ hidro of mơ khác => cường độ tín hiẹu khác => hình ảnh sáng tối khác - Thời gian hồi phục T1, T2 mơ khác => (mã hóa) hình ảnh sáng tối khác Ứng dụng y học Chụp cộng hưởng từ hạt nhân: chụp mạch máu, não, mô mềm (các mô chứa nhiều nước) XII PHƢƠNG PHÁP PHỔ HUỲNH QUANG Nguyên lý Hấp thụ (A) : Ở trang thái cân bằng, nhóm phân tử có phân bố nhiệt mức dao động quay thấp trạng thái ản S0 Khi phân tử hấp thụ lượng kích thích, nhảy từ S0 tới mức dao động trạng thái singlet kích thích, Sn, dãy S1,…,Sn Hồi phục dao động (VR): e có khả trở vị trí chưa ị kích thích Phát huỳnh quang (F): e chuyển mức từ S1 mức lượng khác S0 Nguyên tắc kích thích thu nhận - Có nhiều cách kích thích,dùng ánh sáng khả kiến có phổ liên tục phổ gián đoạn để kích - thích Nguyên tắc thu nhận huỳnh quang: dùng cảm biến quang để thu nhận quang phổ huỳnh quang phát Ứng dụng a) Ung thư dày - Ta tiến hành đo phổ phát xạ từ mơ bị kích thích với ước sóng 325nm từ nguồn helium cadmium laser - ta thấy có khác biệt rõ rệt mơ bị khối u ác tính, tiền ác tính, mơ dày nh thường Khi khác biệt đ dùng thơng số dùng để ch n đốn, th phân loại mơ bị khối u ác tính, tiền ác tính b) Xơ vữa động mạch - Dùng xung laser kích thích - Những tín hiệu phổ liên tục thu từ mẫu mô nh thường hay động mạch không bị xơ vữa, mảng xơ vữa biểu đường bậc cao dải phổ nguyên tử (nguyên tử phát xạ) với đ nh lên ước sóng 397, 442, 450, 461, 528 558 nm  ... nguyên tử thông dụng: - Phổ hấp thụ nguyên tử - Phổ phát xạ nguyên tử - Phổ huỳnh quang nguyên tử 2) Ứng dụng Ưu điểm: - Độ nhạy cao - Phân tích nhanh - Tốn mẫu Nhược điểm: - Ko ch trạng thái liên... photon ko làm electron khỏi vật liệu, lượng bẻ gãy liên kết tạo thành electron dẫn (tự do), electron dẫn chuyển động tự vật liệu tham gia qt dẫn điện Các loại cảm biến quang điện a) Tế bào quang. .. λ = 0,8 – 2,5 μm (12500 - 4000 cm-1) Trung hồng ngoại (medium infrared): λ = 2,5 – 25 μm (4000 - 400 cm-1) Viễn hồng ngoại far infrared : λ = 25 – 000 μm (400 - 10 cm-1) Ứng dụng a Camera soi