Вышедшие номера
Home » Оптика и спектроскопия » Год 2024, выпуск 3 » Статья стр. 310
<<<>>>
Терагерцовая поляризационно-чувствительная микроскопия субволнового разрешения на основе эффекта твердотельной иммерсии
Russian Science Foundation , 22-79-10099
Ильенкова Д.Р.1, Рыбников Д.Д.1, Желнов В.А. 1, Алексеева А.И. 2, Шикунов С.Л. 3, Каледин А.В. 3, Польшина В.И. 4, Небежев А.А.4, Решетов И.В.4, Зайцев К.И. 1, Черномырдин Н.В. 1
1Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Москва, Россия
2Научно-исследовательский институт морфологии человека им. А.П. Авцына, Москва, Россия
3Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН, Черноголовка, Россия
4Первый государственный медицинский университет им. И.М. Сеченова, Москва, Россия
Email: iljenckowa.darya@yandex.ru
Поступила в редакцию: 9 января 2024 г.
В окончательной редакции: 12 января 2024 г.
Принята к печати: 5 марта 2024 г.
Выставление онлайн: 31 мая 2024 г.
PDF версия
Терагерцовые (ТГц) технологии находят множество применений в медицинской диагностике и терапии. Большинство из них основаны на теории эффективной среды, которая предполагает, что биологические ткани оптически изотропны и однородны в масштабах, определяемых ТГц длинами волн. Между тем последние исследования показали возможность визуализации мезомасштабных (~λ) неоднородностей тканей методами ТГц микроскопии, где λ - длина волны. В связи с этим возникает проблема изучения соответствующих эффектов рассеяния и поляризации ТГц излучения при взаимодействии с биологическими тканями, для чего отсутствуют подходящие инструменты. Для решения этой проблемы разработан поляризационно-чувствительный ТГц микроскоп на основе эффекта твердотельной иммерсии, работающий в режиме отражения. Он использует кремниевую полусферическую иммерсионную линзу, поляризатор и анализатор на основе металлических проволочных сеток, лампу обратной волны в качестве источника непрерывного излучения на частоте 0.6 THz (λ=500 μm) и детектор Голея. Данная система позволяет изучать локальный поляризационно-зависимый ТГц отклик мезомасштабных структурных элементов тканей с разрешением до 0.15λ. При помощи разработанного метода получены ТГц изображения тестовых сред для двух ортогональных состояний поляризации падающего ТГц излучения, которые позволили выявить их ТГц двулучепреломление (структурную оптическую анизотропию). Рассмотрена структурная анизотропия ТГц отклика образцов пористой биоморфной карбидокремниевой керамики. Получены распределения показателя преломления свежеиссеченного мозга крысы, где наиболее выраженное ТГц двулучепреломление наблюдается в мозолистом теле (Corpus callosum), образованном ориентированными и плотно упакованными аксонами, соединяющими полушария головного мозга. Полученные результаты показывают перспективность применения ТГц поляризационно-чувствительной микроскопии в биофотонике и медицинской визуализации. Ключевые слова: терагерцовое излучение, терагерцовая микроскопия, эффект твердотельной иммерсии, поляризационно-чувствительная микроскопия, сверхразрешение, двулучепреломление, оптическая анизотропия, головной мозг, Corpus callosum.
  1. H. Guerboukha, K. Nallappan, M. Skorobogatiy. Adv. Opt. Photon., 10 (4), 843-938 (2018). DOI: 10.1364/AOP.10.000843
  2. N.V. Chernomyrdin, M. Skorobogatiy, D.S. Ponomarev, V.V. Bukin, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Appl. Phys. Lett., 120 (11), 110501 (2022). DOI: 10.1063/5.0085906
  3. O.A. Smolyanskaya, N.V. Chernomyrdin, A.A. Konovko, K.I. Zaytsev, I.A. Ozheredov, O.P. Cherkasova, M.M. Nazarov, J.-P. Guillet, S.A. Kozlov, Yu. V Kistenev, J.-L. Coutaz, P. Mounaix, V.L. Vaks, J.-H. Son, H. Cheon, V.P. Wallace, Yu. Feldman, I. Popov, A.N. Yaroslavsky, A.P. Shkurinov, V.V. Tuchin. Prog. Quantum. Electron., 62, 1-77 (2018). DOI: 10.1016/j.pquantelec.2018.10.001
  4. Z. Yan, L.-G. Zhu, K. Meng, W. Huang, Q. Shi. Trends Biotechnol., 40 (7), 816-830 (2022). DOI: 10.1016/j.tibtech.2021.12.002
  5. K. Zaytsev, I. Dolganova, N. Chernomyrdin, G. Katyba, A. Gavdush, O. Cherkasova, G. Komandin, M. Shchedrina, A. Khodan, D. Ponomarev, I. Reshetov, V.E. Karasik, M. Skorobogatiy, V. Kurlov, V. Tuchin. J. Opt., 22, 13001 (2020). DOI: 10.1088/2040-8986/ab4dc3
  6. H. Lindley-Hatcher, R.I. Stantchev, X. Chen, A.I. Hernandez-Serrano, J. Hardwicke, E. Pickwell-MacPherson. Appl. Phys. Lett., 118 (23), 230501 (2021). DOI: 10.1063/5.0055259
  7. G.G. Hernandez-Cardoso, L.F. Amador-Medina, G. Gutierrez-Torres, E.S. Reyes-Reyes, C.A.B. Marti nez, C.C. Espinoza, J.A. Cruz, I. Salas-Gutierrez, B.O. Murillo-Ortiz, E. Castro-Camus. Sci. Rep., 12, 3110 (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-06996-w
  8. H. Zhao, Y. Wang, L. Chen, J. Shi, K. Ma, L. Tang, D. Xu, J. Yao, H. Feng, T. Chen. J. Biomed. Opt., 23 (3), 36015 (2018). DOI: 10.1117/1.JBO.23.3.036015
  9. N. Bajwa, S. Sung, D.B. Ennis, M.C. Fishbein, B.N. Nowroozi, D. Ruan, A. Maccabi, J. Alger, M.A.St. John, W.S. Grundfest, Z.D. Taylor. IEEE Trans. Biomed. Eng., 64 (11), 2682-2694 (2017). DOI: 10.1109/TBME.2017.2658439
  10. N. Bajwa, J. Au, R. Jarrahy, S. Sung, M. Fishbein, D. Riopelle, D. Ennis, T. Aghaloo, M. John, W. Grundfest, Z. Taylor. Biomed. Opt. Express, 8, 460 (2017). DOI: 10.1364/BOE.8.000460
  11. O.A. Smolyanskaya, I.J. Schelkanova, M.S. Kulya, E.L. Odlyanitskiy, I.S. Goryachev, A.N. Tcypkin, Ya.V. Grachev, Ya.G. Toropova, V.V Tuchin. Biomed. Opt. Express, 9 (3), 1198-1215 (2018). DOI: 10.1364/BOE.9.001198
  12. X. Ding, G. Costa, A.I. Hernandez-Serrano, R.I. Stantchev, G. Nurumbetov, D.M. Haddleton, E. Pickwell-MacPherson. Biomed. Opt. Express, 14 (3), 1146-1158 (2023). DOI: 10.1364/BOE.473097
  13. J. Wang, Q. Sun, R.I. Stantchev, T.-W. Chiu, A.T. Ahuja, E. Pickwell-MacPherson. Biomed. Opt. Express, 10 (7), 3584-3590 (2019). DOI: 10.1364/BOE.10.003584
  14. O.P. Cherkasova, D.S. Serdyukov, E.F. Nemova, A.S. Ratushnyak, A.S. Kucheryavenko, I.N. Dolganova, G. Xu, M. Skorobogatiy, I.V. Reshetov, P.S. Timashev, I.E. Spektor, K.I. Zaytsev, V.V. Tuchin. J. Biomed. Opt., 26 (9), 90902 (2021). DOI: 10.1117/1.JBO.26.9.090902
  15. H. Cheon, J.K. Hur, W. Hwang, H.-J. Yang, J.-H. Son. Sci. Rep., 13, 4930 (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-31828-w
  16. N.V. Chernomyrdin, G.R. Musina, P.V. Nikitin, I.N. Dolganova, A.S. Kucheryavenko, A.I. Alekseeva, Y. Wang, D. Xu, Q. Shi, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Opto. Electron. Adv., 6 (5), 220071 (2023). DOI: 10.29026/oea.2023.220071
  17. E. Pickwell, B.E. Cole, A.J. Fitzgerald, V.P. Wallace, M. Pepper. Appl. Phys. Lett., 84 (12), 2190-2192 (2004). DOI: 10.1063/1.1688448
  18. S. Yamaguchi, Y. Fukushi, O. Kubota, T. Itsuji, T. Ouchi, S. Yamamoto. Phys. Med. Biol., 61 (18), 6808 (2016). DOI: 10.1088/0031-9155/61/18/6808
  19. A.A. Gavdush, N.V. Chernomyrdin, G.A. Komandin, I.N. Dolganova, P.V. Nikitin, G.R. Musina, G.M. Katyba, A.S. Kucheryavenko, I.V. Reshetov, A.A. Potapov, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Biomed. Opt. Express, 12 (1), 69-83 (2021). DOI: 10.1364/BOE.411025
  20. A.S. Kucheryavenko, I.N. Dolganova, A.A. Zhokhov, V.M. Masalov, G.R. Musina, V.V. Tuchin, N.V. Chernomyrdin, A.A. Gavdush, D.R. Il'enkova, S.V. Garnov, K.I. Zaytsev. Phys. Rev. Appl., 20 (5), 054050 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.20.054050
  21. P. Doradla, K. Alavi, C.S. Joseph, R.H. Giles. J. Biomed. Opt., 18 (9), 90504 (2013). DOI: 10.1117/1.JBO.18.9.090504
  22. C.S. Joseph, R. Patel, V.A. Neel, R.H. Giles, A.N. Yaroslavsky. J. Biophotonics, 7 (5), 295-303 (2014). DOI: 10.1002/jbio.201200111
  23. B. Fan, V.A. Neel, A.N. Yaroslavsky. Las. Surg. Med., 49 (5), 319-326 (2017). DOI: 10.1002/lsm.22552
  24. A. Yaroslavsky, C. Joseph, R. Patel, A. Muzikansky, V. Neel, R. Giles. J. Biomed. Photon. Eng., 3 (1), 3170 (2017). DOI: 10.18287/JBPE17.03.010301
  25. X. Chen, Q. Sun, J. Wang, H. Lindley-Hatcher, E. Pickwell-MacPherson. Adv. Photon. Res., 2 (1), 2000024 (2021). DOI: 10.1002/adpr.202000024
  26. X. Chen, E. Pickwell-MacPherson. APL Photon., 7 (7), 71101 (2022). DOI: 10.1063/5.0094056
  27. R. D' Antuono, J.W. Bowen. J. Microsc., 288 (3), 207-217 (2022). DOI: 10.1111/jmi.13132
  28. U. Schade, K. Holldack, P. Kuske, G. Wustefeld, H.-W. Hubers. Appl. Phys. Lett., 84 (8), 1422-1424 (2004). DOI: 10.1063/1.1650034
  29. C.-M. Chiu, H.-W. Chen, Y.-R. Huang, Y.-J. Hwang, W.-J. Lee, H.-Y. Huang, C.-K. Sun. Opt. Lett., 34 (7), 1084-1086 (2009). DOI: 10.1364/OL.34.001084
  30. Z. Li, Z. Zang, J. Wang, X. Lu, Z. Yang, H. Wang, H.-L. Cui, S. Yan. IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol., 12 (5), 457-463 (2022). DOI: 10.1109/TTHZ.2022.3170010
  31. K. Okada, K. Serita, Q. Cassar, H. Murakami, G. MacGrogan, J.-P. Guillet, P. Mounaix, M. Tonouchi. J. Phys. Photon., 2 (4), 44008 (2020). DOI: 10.1088/2515-7647/abbcda
  32. Z. Li, S. Yan, Z. Zang, G. Geng, Z. Yang, J. Li, L. Wang, C. Yao, H.-L. Cui, C. Chang, H. Wang. Cell Prolif., 53 (4), e12788 (2020). DOI: 10.1111/cpr.12788
  33. K. Okada, Q. Cassar, H. Murakami, G. MacGrogan, J.-P. Guillet, P. Mounaix, M. Tonouchi, K. Serita. Opt. Contin., 1 (3), 527-537 (2022). DOI: 10.1364/OPTCON.448444
  34. N.V. Chernomyrdin, A.S. Kucheryavenko, G.S. Kolontaeva, G.M. Katyba, I.N. Dolganova, P.A. Karalkin, D.S. Ponomarev, V.N. Kurlov, I.V. Reshetov, M. Skorobogatiy, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Appl. Phys. Lett., 113 (11), 111102 (2018). DOI: 10.1063/1.5045480
  35. N.V. Chernomyrdin, M. Skorobogatiy, A.A. Gavdush, G.R. Musina, G.M. Katyba, G.A. Komandin, A.M. Khorokhorov, I.E. Spektor, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Optica, 8 (11), 1471-1480 (2021). DOI: 10.1364/OPTICA.439286
  36. N.V Chernomyrdin, A.S. Kucheryavenko, E.N. Rimskaya, I.N. Dolganova, V.A. Zhelnov, P.A. Karalkin, A.A. Gryadunova, I.V. Reshetov, D.V. Lavrukhin, D.S. Ponomarev, V.E. Karasik, K.I. Zaytsev. Opt. Spectrosc., 126 (5), 560-567 (2019). DOI: 10.1134/S0030400X19050059
  37. A.S. Kucheryavenko, N.V. Chernomyrdin, A.A. Gavdush, A.I. Alekseeva, P.V. Nikitin, I.N. Dolganova, P.A. Karalkin, A.S. Khalansky, I.E. Spektor, M. Skorobogatiy, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Biomed. Opt. Express, 12 (8), 5272-5289 (2021). DOI: 10.1364/BOE.432758
  38. G.R. Musina, N.V Chernomyrdin, E.R. Gafarova, A.A. Gavdush, A.J. Shpichka, G.A. Komandin, V.B. Anzin, E.A. Grebenik, M.V Kravchik, E.V. Istranova, I.N. Dolganova, K.I. Zaytsev, P.S. Timashev. Biomed. Opt. Express, 12 (9), 5368 (2021). DOI: 10.1364/BOE.433216
  39. V.V. Tuchin. J. Biomed. Opt., 21 (7), 71114 (2016). DOI: 10.1117/1.JBO.21.7.071114
  40. A.N. Bashkatov, K. V. Berezin, K.N. Dvoretskiy, M.L. Chernavina, E.A. Genina, V.D. Genin, V.I. Kochubey, E.N. Lazareva, A.B. Pravdin, M.E. Shvachkina, P.A. Timoshina, D.K. Tuchina, D.D. Yakovlev, D.A. Yakovlev, I.Y. Yanina, O.S. Zhernovaya, V.V Tuchin. J. Biomed. Opt., 23 (9), 91416 (2018). DOI: 10.1117/1.JBO.23.9.091416
  41. S.-Y. Lu, R.A. Chipman. J. Opt. Soc. Am., 13 (5), 1106-1113 (1996). DOI: 10.1364/JOSAA.13.001106
  42. R. Ossikovski. J. Opt. Soc. Am., 25 (2), 473-482 (2008). DOI: 10.1364/JOSAA.25.000473
  43. R. Ossikovski. J. Opt. Soc. Am., 26 (5), 1109-1118 (2009). DOI: 10.1364/JOSAA.26.001109
  44. O. Arteaga, A. Canillas. J. Opt. Soc. Am., 26 (4), 783-793 (2009). DOI: 10.1364/JOSAA.26.000783
  45. S. Manhas, J. Vizet, S. Deby, J.-C. Vanel, P. Boito, M. Verdier, A. De Martino, D. Pagnoux. Opt. Express, 23 (3), 3047 (2015). DOI: 10.1364/OE.23.003047
  46. D. Vala, M. Micica, D. Cvejn, K. Postava. RSC Adv., 13 (10), 6582-6592 (2023). DOI: 10.1039/D3RA00101F
  47. N.V. Chernomyrdin, D.R. Il'enkova, V.A. Zhelnov, A.I. Alekseeva, A.A. Gavdush, G.R. Musina, P.V. Nikitin, A.S. Kucheryavenko, I.N. Dolganova, I.E. Spektor, V.V. Tuchin, K.I. Zaytsev. Sci. Rep., 13 (1), 16596 (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-43857-6
  48. P. Greil, T. Lifka, A. Kaindl. J. Eur. Ceram. Soc., 18 (14), 1961-1973 (1998). DOI: 10.1016/S0955-2219(98)00156-3
  49. A.E. Ershov, S.L. Shikunov, V.N. Kurlov. Tech. Phys., 62 (6), 903-910 (2017). DOI: 10.1134/S1063784217060093
  50. C.R. Simovski, P.A. Belov, A.V. Atrashchenko, Y.S. Kivshar. Adv. Mater., 24 (13), 4229-4248 (2012). DOI: 10.1002/adma.201200931
  51. H. van de Hulst. Wiley. Light Scattering by Small Particles (John Wiley and Sons, New York, 1957). DOI: 10.1063/1.3060205
  52. X. Chen, Q. Sun, J. Wang, H. Lindley-Hatcher, E. Pickwell-MacPherson. Adv. Photon. Res., 2 (1), 2000024 (2021). DOI: 10.1002/adpr.202000024
  53. A.V. Shchepetilnikov, A.M. Zarezin, V.M. Muravev, P.A. Gusikhin, I.V. Kukushkin. Opt. Eng., 59 (6), 61617 (2020). DOI: 10.1117/1.OE.59.6.061617
  54. E. Fariza, T. O'Day, A.E. Jalkh, A. Medina. Arch. Ophthalmol., 107 (4), 608-610 (1989). DOI: 10.1001/archopht.1989.01070010622044
  55. Z. Tannous, M. Al-Arashi, S. Shah, A.N. Yaroslavsky. Las. Surg. Med., 41 (1), 10-16 (2009). DOI: 10.1002/lsm.20736
  56. I. Ahmad, M. Ahmad, K. Khan, M. Ikram. Photodiagnosis Photodyn. Ther., 14, 134-141 (2016). DOI: 10.1016/j.pdpdt.2016.04.004
  57. S. Shrestha, A. Deshpande, T. Farrahi, T. Cambria, T. Quang, J. Majeski, Y. Na, M. Zervakis, G. Livanos, G.C. Giakos. Biomed. Signal. Process. Control, 40, 505-518 (2018). DOI: 10.1016/j.bspc.2017.05.009
  58. S. Alali, K.J. Aitken, A. Schröder, A. Gribble, D.J. Bagli, I.A. Vitkin. Biomed. Opt. Express, 5 (2), 621-629 (2014). DOI: 10.1364/BOE.5.000621
  59. H. Mueller, F. Melsheimer. Zeitschrift Fur Technische Physik, 22, 53-63 (1941)
  60. J.L. Pezzaniti, R.A. Chipman. Opt. Eng., 34 (6), 1558-1568 (1995). DOI: 10.1117/12.206161
  61. N. Ghosh, M.F.G. Wood, I.A. Vitkin. J. Biomed. Opt., 13 (4), 44036 (2008). DOI: 10.1117/1.2960934
  62. J. Song, N. Zeng, H. Ma, V.V. Tuchin. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 29 (4), 1-9 (2023). DOI: 10.1109/JSTQE.2022.3197599
  63. D.H. Goldstein. Appl. Opt., 31 (31), 6676-6683 (1992). DOI: 10.1364/AO.31.006676
  64. Z. Chen, X. Chen, L. Tao, K. Chen, R. Zhang, M. Long, E. Pickwell-MacPherson, J. Xu. ACS Photon., 9 (11), 3633-3641 (2022). DOI: 10.1021/acsphotonics.2c01128
  65. X. Liu, X. Chen, E.P.J. Parrott, C. Han, G. Humbert, A. Crunteanu, E. Pickwell-MacPherson. APL Photon., 3 (5), 51604 (2018). DOI: 10.1063/1.5010940
  66. X. Liu, X. Chen, E.P.J. Parrott, E. Pickwell-MacPherson. Photon. Res., 5 (4), 299 (2017). DOI: 10.1364/PRJ.5.000299
  67. C. Han, E.P.J. Parrott, E. Pickwell-MacPherson. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 23 (4), 1-6 (2017). DOI: 10.1109/JSTQE.2016.2641581
  68. A.I. Hernandez-Serrano, Q. Sun, E.G. Bishop, E.R. Griffiths, C.P. Purssell, S.J. Leigh, J. Lloyd-Hughes, E. Pickwell-MacPherson. Opt. Express, 27 (8), 11635 (2019). DOI: 10.1364/OE.27.011635
  69. A.I. Hernandez-Serrano, D.M. Mittleman, E. Pickwell-MacPherson. Opt. Lett., 45 (5), 1208 (2020). DOI: 10.1364/OL.45.001208

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.

Учредители

Издатель

© 2024 Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Powered by webapplicationthemes.com - High quality HTML Theme