Ученые создали прибор для выявления признаков COVID-19 в выдохе с точностью 85%
Новый анализатор выдоха позволит определять заражение COVID-19 с высокой точностью. Об этом сообщает Колорадский университет в Боулдере.
С каждым выдохом люди выбрасывают более 1000 различных биологических молекул, которые становятся доступны для химического анализа. Они несут информацию о процессах внутри тела, и потому на протяжении многих лет ученые пытались использовать собак и крыс для диагностики различных заболеваний у людей. Однако если вещество способно почувствовать животное, его можно распознать и с помощью газоанализатора.
Теперь инженеры создали лазерный анализатор выдыхаемого воздуха, адаптированный для выявления признаков заражения COVID-19. В ходе испытаний авторы брали образцы дыхания у 170 студентов в период с мая 2021 года по январь 2022 года, каждый из которых прошел ПЦР-тест на ковид. Выяснилось, что результат ПЦР-теста и газоанализатора совпадает в 85% случаев, при том что анализ дыхания проводится в реальном времени. В отличие от взятия мазка из носа, этот метод неинвазивен и не требует воздержания от еды перед процедурой.
Единственным минусом этого прибора являются размеры — его можно сравнить с большим массивным столом, поскольку внутри него заключена система лазеров и зеркал. Однако в перспективе авторы надеются уменьшить его размеры до чипа, что сделает возможным непрерывную диагностику здоровья в реальном времени с помощью носимого устройства. Потенциально так можно будет выявлять не только COVID-19, но и рак и другие опасные заболевания.
Источник: https://www.gazeta.ru/

Исследователи из Орловского государственного университета (ОГУ) имени И. С. Тургенева представили новый алгоритм обработки данных, полученных с помощью метода лазерной спекл-контрастной визуализации. Этот метод используется для детального анализа микроциркуляции в сосудах головного мозга, позволяя эффективно фиксировать изменения кровотока. Предложенный алгоритм позволит детально анализировать физиологические механизмы регуляции кровотока, в том числе при различных патологических состояниях. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом, опубликованы в журнале Biomedical Signal Processing and Control. О нем сообщает пресс-релиз Министерства высшего образования и науки.
В основе метода лазерной спекл-контрастной визуализации (ЛСКВ) – анализ интерференционных спекл-картин, образующихся на поверхности биологического объекта в результате рассеяния лазерного излучения. При исследовании микроциркуляции выбирают длины волн красного и инфракрасного спектральных диапазонов, так как они обеспечивают достаточную глубину зондирования биоткани для регистрации движения эритроцитов и мониторинга изменений кровотока. Метод ЛСКВ специалисты называют сравнительно простым и перспективным для исследования морфологических и функциональных изменений кровотока в биологических тканях in vivo. По словам ученых, преимущество метода заключается в возможности визуализации всей области исследования с высоким пространственным и временным разрешением.
«Ранее существующие алгоритмы в лазерной спекл-контрастной визуализации позволяли анализировать относительные изменения кровотока. Предложенный нами подход на основе спектральной обработки сигналов позволяет проводить картирование осцилляций кровотока. Это, в свою очередь, предоставляет информацию не только об интенсивности кровотока, но и о механизмах его регуляции, связанных с сердечной, дыхательной, миогенной и иной активностью в организме», – рассказал Виктор Дрёмин, старший научный сотрудник Научно-технологического центра (НТЦ) биомедицинской фотоники ОГУ имени И. С. Тургенева.
Для апробации нового алгоритма обработки данных были проведены исследования церебральной микроциркуляции лабораторного животного. По результатам эксперимента была показана возможность качественной визуализации микрососудов головного мозга, а также представлен частотный анализ зарегистрированных сигналов. Далее на основе проведенного частотного анализа данных исследователи продемонстрировали пространственное распределение осцилляций кровотока, ответственных за регуляцию микроциркуляции различными физиологическими механизмами.
Предложенный новый метод обработки и представления данных ЛСКВ может сыграть большую роль как в фундаментальной медицине для уточнения физиологических механизмов регуляции кровообращения, так и в клинической практике для разработки новых диагностических параметров, применимых в диагностике и лечении заболеваний нервной и микроциркуляторной систем. Также разработанный подход может быть полезен для изучения изменений периферического кровотока под воздействием различных факторов (нагрева, лазерного излучения) или при патологических состояниях организма, например, при сахарном диабете, когда происходят макро- и микрососудистые поражения с изменением характеристик кровотока
Источник: https://indicator.ru/

Специалисты Томского политехнического университета (ТПУ) предложили решение главной проблемы фотодинамической терапии рака и теперь доводят идею до создания полноценного препарата.
В ходе испытаний нового вещества удалось достичь 90% гибели раковых клеток. Одним из малоинвазивных методов лечения рака и предраковых состояний является фотодинамическая терапия. Метод основан на том, что раковые клетки склонны накапливать чувствительные к свету вещества-фотосенсибилизаторы.
В организм пациента вводится фотосенсибилизатор, после чего на опухоль воздействуют лазером. Из-за присутствия фотосенсибилизатора в опухоли генерируются высокоактивные кислородсодержащие радикалы, провоцирующие локальное отмирание опухолевых клеток. Проблема метода в том, что его эффективность сильно зависит от присутствия кислорода в клетках. Для решения проблемы ученые из ТПУ решили использовать молекулы, которые могли бы независимо от кислорода генерировать цитотоксичные (токсичные для клетки) частицы.
Такие частицы атакуют мембраны, ДНК, нарушают нормальную работу клетки и приводят к ее гибели. В качестве нужной молекулы были предложены алкилированные вердазилы (алкилвердазилы), способные под действием света образовывать активные частицы без участия кислорода. Опыты по применению алкилвердазилов в фотодинамическом процессе оказались успешными. Эксперименты на клетках рака молочной железы показали, что при облучении клеток светодиодом фиолетового диапазона алкилвердазилы поглощают свет и распадаются на два радикала, один из которых обладает требуемым цитотоксическим эффектом.
Чтобы придать молекулам необходимую водорастворимость, ученые добавили в их структуру сахарный остаток. После этого были проведены новые испытания с двумя типами сахарных остатков. Испытания проводили на клетках рака простаты и лейкоза. В итоге препарат успешно подействовал на оба типа опухолей. При этом один тип сахарного остатка вызывал гибель клеток, а другой — их постепенное разрушение. Кроме того, в процессе испытаний выросла эффективность применения препарата. Если в начале экспериментов выживало до 40% раковых клеток, то в дальнейшем удалось достичь результата, когда уцелеть могли не более 10% раковых клеток — после первой же дозы препарата. Сейчас ученые работают над применением полученного вещества при облучении на длине волны 500 и более нанометров, чтобы добиться проникновения в ткани на большую глубину. Это позволит максимально приблизить экспериментальные молекулы к реальному препарату и перейти к испытаниям уже на лабораторных животных.
Источник: https://pharmmedprom.ru

Инженеры использовали квантовую технологию для создания лидарной системы, которая делает трехмерные изображения под водой. Исследователи из Университета Хериот-Уатт и Эдинбургского университета продемонстрировали прототип лидарной системы, использующей технологию квантового обнаружения для получения трехмерных изображений при погружении под воду. Высокая чувствительность системы позволяет делать качественные снимки даже в условиях низкой освещенности.
Инженеры разработали лидарную систему, которая использует зеленый импульсный лазерный источник для освещения области съемки. Отраженное импульсное освещение обнаруживается массивом однофотонных детекторов, что обеспечивает сверхбыстрое обнаружение при слабом освещении и значительно сокращает время измерения в средах со слабым освещением.
Для этого подхода требуются тысячи однофотонных детекторов, каждый из которых генерирует сотни событий в секунду. Это чрезвычайно усложняет получение и обработку данных, необходимых для быстрого восстановления трехмерного изображения, особенно для приложений, работающих в реальном времени. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали алгоритмы для визуализации в условиях сильного рассеяния. Они могут работать на обычных графических процессорах (GPU).
Получение 3D-изображений через океанскую воду — сложная задача. Устройства используют отраженное световое излучение, а любые частицы в воде будут рассеивать свет и искажать снимок. Но обнаружение одиночных фотонов, основанное на квантовой технике, обеспечивает очень высокое проникновение и работает даже в условиях низкой освещенности.
Исследователи протестировали работу системы в резервуаре, в который добавили рассеивающий агент, чтобы сделать воду более мутной. Эксперименты с тремя различными уровнями мутности продемонстрировали успешное получение изображений лидаром на расстоянии до 3 м. Инженеры работают над уменьшением размера системы, чтобы ее можно было интегрировать в подводный аппарат.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Исследователи разработали миниатюрный светодиод, встроенный в фотонный чип. Исследование опубликовано в журнале Nature Comunications. Инженеры из Сингапура и Массачусетского технологического института разработали крошечный светодиод, который можно встроить в фотонный чип и использовать для создания голографического микроскопа из обычной камеры мобильного телефона. Технология использует встроенный в чип источник света и нейронную сеть, которая реконструирует данные голографического микроскопа.
Свет в большинстве фотонных чипов исходит от внешних источников, что приводит к низкой общей энергоэффективности и существенно ограничивает масштабируемость этих чипов, объясняют ученые. Чтобы решить эту проблему, они разработали встроенные источники с использованием различных материалов, таких как стекло, легированное редкоземельными элементами, кремниево-германиевых материалов (Ge-on-Si) и полупроводниковых соединений AIIIBV.
Готовое устройство представляет собой интегрированный с существующими полупроводниковыми технологиями (КМОП) светодиод субволнового диапазона, который может работать при комнатной температуре, демонстрирует высокую пространственную интенсивность (102 ± 48 мВт/см²) и обладает наименьшей площадью излучения (0,09 ± 0,04 мкм²) среди всех известных кремниевых излучателей.
Чтобы продемонстрировать потенциальное практическое применение, исследователи интегрировали этот светодиод в линейный, полностью кремниевый голографический микроскоп сантиметрового масштаба, не требующий ни линзы, ни отверстия.
Часто встречающееся препятствие в безлинзовой голографии — вычислительная реконструкция отображаемого объекта. Традиционные методы обработки изображений требуют детального знания экспериментальной установки для точной реконструкции и чувствительны к трудно контролируемым переменным.
Инженеры разработали нейронную сеть, которая преодолевает это препятствие. Она не требует предварительного обучения и позволяет обрабатывать изображения от новых источников света без предварительного знания спектра источника или профиля луча. Исследователи отмечают, что технология позволяет превратить камеры в повседневных устройствах, таких как мобильные телефоны, в микроскопы только путем модификации кремниевого чипа и программного обеспечения.
Из-за низкой стоимости и масштабируемости процессов микроэлектроники КМОП это можно сделать без увеличения сложности, стоимости или форм-фактора системы. Это позволяет нам преобразовать, с относительной простотой, камеру мобильного телефона в голографический микроскоп этого типа, – Иксунг Канг, соавтор исследования.
Источник: https://hightech.fm/

Исследователи продемонстрировали непрерывно работающее оптическое волокно из разреженного воздуха, которое подойдет для передачи сверхмощных лазерных лучей. Инженеры из Университета Мэриленда использовали разреженный воздух в качестве оптического «кабеля» для передачи сверхмощных лазерных лучей. Масштабирование технологии позволит обеспечить непрерывную передачу воздушных волн на километры и более дальние расстояния с помощью существующей лазерной технологии и доступной мощности установки.
Наиболее распространенные оптические волокна представляют собой стеклянные нити, которые плотно удерживают свет на больших расстояниях. Но такие структуры плохо подходят для направления сверхмощных лазерных лучей: они повреждают стекло и приводят к рассеянию энергии из волокна.
Инженеры продемонстрировали метод оптического наведения, который использует вспомогательные ультракороткие лазерные импульсы для создания волоконно-оптических волноводов в самом воздухе. Эти короткие импульсы образуют кольцо высокоинтенсивных световых структур, называемых «нитями», которые нагревают молекулы воздуха, образуя расширенное кольцо с низкой плотностью, окружающее центральную невозмущенную область.
В исследовании, опубликованном в январе этого года, физики показали, что с помощью этого метода можно формировать волноводы длиной 50 м, которые существуют в течение десятков миллисекунд, пока не рассеются из-за охлаждения окружающим воздухом. В новом исследовании они модифицировали технологию, чтобы поддерживать непрерывное существование оптического воздушного волновода.
В предыдущем эксперименте исследователи использовали лазер, который испускал импульс каждые 100 мс (частота — 10 Гц). В новом исследовании ученые увеличили частоту импульсов до 1000 Гц. Это формирует воздушный волновод, поддерживающийся за счет нагрева, который происходит быстрее, чем окружающий воздух может его охладить. В результате получается непрерывно работающее оптоволокно, которое может направлять инжектированный непрерывный лазерный луч. Исследователи отмечают, что технологию легко масштабировать для передачи сигнала на расстояние 1 км и более.
Используя воздух в качестве волокна можно управлять очень высокими мощностями лазерного излучения, добавляют авторы работы. Его можно использовать для сбора дистанционных оптических сигналов, обнаружения загрязнений и радиоактивных источников. При этом такой волновод не требует предварительного прокладывания кабеля в определенном направлении, а может быть «развернут» в любом направлении.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru

Специалисты московского Университета науки и технологий МИСИС разработали фотоэлемент, который сможет вырабатывать электричество не только от солнечного света, но и от обычных светодиодных или флуоресцентных ламп. Промышленные прототипы, представленные российскими учеными, достигли рекордной производительности при разном сочетании цветов света — 36,1% и готовы к массовому выпуску.
Обычно солнечные элементы изготавливают из кремния, но это дорогой в производстве материал, из которого не изготовишь гибких солнечных панелей. Кроме того, КПД кремниевых фотоэлементов быстро приближается к пределу. Альтернативой могут стать элементы из перовскитов — такие тонкопленочные устройства дешевле, к тому же их можно наносить на гибкую подложку.
Многие лаборатории мира активно исследуют возможности тандемных фотоэлементов, сочетающих сильные стороны и кремния, и перовскита. Но команда ученых из НИТУ МИСИС добилась успеха в создании тонкопленочных перовскитовых устройств, причем обладающих важным свойством — они преобразуют в электрическую энергию не только солнечный свет, но и свет из искусственных источников.
Перовскитовый элемент с повышенным содержанием брома оказался эффективнее кремния в 2,5 раза при разной цветовой температуре. Максимальную производительность — 36,1% — прототип показал при теплом освещении.
«Перовскит с повышенным содержанием брома крайне эффективно преобразуют цвета различных цветовых температур в электроэнергию при так называемом горячем освещении (1700 Кельвин). Бром, в данном случае, помогает сдвигать край спектра поглощения в область высокоэнергетических фотонов», — пояснила Нигина Талбанова, соавтор работы.
Авторы исследования предлагают использовать тонкие перовскитовые фотоэлементы внутри помещений, в условиях плохой освещенности для питания датчиков и устройств интернета вещей и прочей мелкой электроники.
Источник: https://hightech.plus/

В будущем новая экспериментальная конструкция TPM позволит фиксировать быстрые биологические процессы и может значительно улучшить наше понимание их. Объединив два режима лазерного сканирования, исследователи разработали универсальную систему двухфотонной микроскопии, которую можно использовать для наблюдения за чрезвычайно быстрыми биологическими процессами с высокой частотой кадров и пространственным разрешением.
Двухфотонная микроскопия (two-photon microscopy, TPM) произвела революцию в области биологии, позволив исследователям наблюдать сложные биологические процессы в живых тканях с высоким разрешением. В отличие от традиционных методов флуоресцентной микроскопии, TPM использует низкоэнергетические фотоны для возбуждения флуоресцентных молекул для наблюдения. Это, в свою очередь, позволяет проникать в ткань намного глубже и гарантирует, что флуоресцентные молекулы или флуорофоры не будут постоянно повреждены возбуждающим лазером.
Однако некоторые биологические процессы происходят слишком быстро, чтобы зарегистрировать их даже с помощью самых современных TPM.
Есть один из конструктивных параметров, ограничивающих производительность TPM — частота строчной развертки, измеряемая в кадрах в секунду (frames per second, FPS). Это относится к скорости, с которой образец-мишень можно просканировать лазером в одном направлении (например, при горизонтальной прокрутке). Низкая частота сканирования также влияет на общий FPS системы, поскольку определяет, насколько быстро лазер перемещается в другом направлении, т. е. в вертикальном направлении. Вместе они создают компромисс между временным разрешением микроскопа и размером кадра наблюдения.
Чтобы решить эту проблему, международная группа исследователей из Китая и Германии разработала мощную установку TPM с беспрецедентно высокой частотой линейного сканирования. Согласно отчету, опубликованному в журнале Neurophotonics, эта система микроскопии была разработана для визуализации быстрых биологических процессов с высоким временным и пространственным разрешением.
Одним из ключевых факторов, отличающих предлагаемые TPM от традиционных, является использование акустооптических дефлекторов (acousto-optic deflectors, AOD) для управления сканированием возбуждающего лазера. AOD — это особый тип кристалла, показатель преломления которого можно точно контролировать с помощью акустических волн, перенаправляя через него лазерный луч. Также они обеспечивают более быстрое лазерное управление, чем это достигается с помощью гальванометров, используемых в обычных TPM.
Соответственно, ученые разработали специальный AOD, используя кристалл диоксида теллура (TeO2), достигнув высокой частоты линейного сканирования. С этим кристаллом лазер сканировал строку в кадре всего за 2,5 микросекунды, что соответствует максимальной частоте сканирования строки 400 кГц. Точно так же исследователи использовали AOD для достижения разумной низкой частоты сканирования в другом направлении.
Чтобы еще больше улучшить адаптируемость микроскопа, ученые добавили возможность переключения на механизм лазерного сканирования на основе гальванометра, когда это необходимо. Это позволило сканировать большие области образца с приемлемым разрешением и скоростью, упрощая поиск небольших областей интереса перед переключением на сканирование AOD.
Команда провела несколько экспериментов по проверке концепции с недавно разработанным TPM. Так, им удалось точно измерить скорость распространения кальция в дендритах нейронов мозга мышей, а также визуализировать траекторию отдельных эритроцитов в кровеносных сосудах.
Источник: https://hightech.fm/

Новый способ модификации двумерных материалов, когда частицы серебра с помощью лазера наносятся на определенную область материалов и тем самым меняют химические свойства материалов, нашли ученые Томского политехнического университета (ТПУ). Это позволит сделать технологию изготовления оптогибких электронных более быстрой и эффективной, сообщили ТАСС в среду в пресс-службе вуза.
Двумерные материалы — это кристаллические пластинки, которые состоят из отдельных слоев толщиной от одного до десятка атомов. Благодаря упорядоченной структуре и малой толщине, они хорошо подходят для создания быстродействующей электроники и, в частности, гибких электронных устройств. Особенность 2D-материалов заключается в том, что у них можно «отщипнуть» один слой, и они будут иметь свойства, отличные от объемного «исходника». Это также делает их перспективными для применения в гибкой электронике.
«Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий впервые выяснили, что на локальные свойства двумерных материалов влияет взаимная ориентация слоев, особенности их структуры и деформация. Они использовали этот эффект для осаждения наночастиц серебра при помощи лазера в строго заданной области, что, в свою очередь, дает возможность управлять химическими свойствами материалов», — сказано в сообщении.
В качестве образцов они использовали графен, селенид галия и сульфид индия цинка. Для исследования политехники наносили двумерные материалы на подложку из высокоориентированного пиролитического графита также, как это делали нобелевские лауреаты Новоселов и Гейм — с помощью скотча. После чего ученые исследовали свойства этих материалов в неизменной форме, а также проводили лазерную абляцию образцов, то есть удаляли при помощи лазера слой вещества. Затем на образовавшиеся структуры наносили наночастицы серебра.
«Интересно, что при осаждении 2D-материалов на графит, сильное взаимодействие между ними вызывает деформацию двумерного материала даже на неровностях толщиной в один атом. Деформация, в свою очередь, приводит к локальным изменениям реакционной способности. За счет возникновения локальных деформационных дефектов можно избирательно осаждать наночастицы серебра точно на напряженную область, что позволяет менять химические свойства материалов», — приводятся слова руководителя проекта, профессора Рауля Родригеса.
Лазерная обработка и функционализация наночастицами серебра позволяют управлять свойствами двумерных материалов в строго определенных областях. Это расширяет перспективы для их применения в гибкой электронике — технология изготовления устройств может стать проще, быстрее, эффективнее. Кроме того, с помощью такого же способа модификации можно добиться получения свойств, актуальных для оптоэлектроники, катализа и создания фотодетекторов. Исследование проводилось при поддержке гранта Российского фонда научных фундаментальных исследований.
Источник: https://nauka.tass.ru/

Светочувствительный компонент органических фотоэлементов состоит из полимеров и малых молекул. Такие элементы легко производить, они получаются очень тонкими и гибкими. Однако их эффективность все еще намного уступает стандартным кремниевым вариантам. Добавив слой оксида олова, физики из Нидерландов создали органические фотоэлементы с КПД свыше 17%, самым высоким среди материалов такого типа.
Органические фотоэлементы изготавливаются из тонких слоев различных материалов, каждый со своими свойствами, которые размещаются на подложке. Самый важный — светочувствительный слой, преобразующий свет в электрический заряд и отделяющий электроны от дырок, а также запирающий и транспортный слой, который выборочно направляет электроны к электроду.
«В большинстве органических фотоэлементов транспортный слой делают из оксида цинка, прозрачного и проводящего материала, который располагается под активным слоем, — сказал Давид Гарсия Ромеро, один из исследователей. — Оксид цинка обладает большей реакционной способностью, чем оксид олова, поэтому последний должен дать большую стабильность».
Хотя оксид олова уже показал в прошлом высокий потенциал, оптимальный способ его превращения в подходящий транспортный слой для органических фотоэлементов не был найден. Ученые из Университета Гроненгена использовали метод нанесения слоя атомов, который позволяет вырастить слои высокого качества и подходит для массового производства рулонов фотоэлементов, пишет Science Daily.
Испытания показали, что эффективность органических фотоэлементов с атомно-тонким слоем оксида олова достигает 17,2%. Коэффициент заполнения, важный параметр качества солнечного элемента, достиг 79%, то есть рекордных показателей для такого типа структуры.
Более того, оптические и структурные характеристики слоя оксида олова можно настроить изменением температуры нанесения материала. Максимальный КПД был достигнут в элементах, транспортный слой которых был нанесен при температуре 140 градусов Цельсия.
Разработчики убеждены, что высокие показатели нового органического фотоэлемента — отличный отправной пункт для дальнейшего развития устройства, обладающего превосходными механическими свойствами и прозрачностью.
Источник: https://hightech.plus/