Лаборатория биофотоники

Основная цель деятельности лаборатории биофотоники – развитие научно-технических основ разработки новых методов диагностики и лечения с использованием технологий биоэлектродинамики. При этом решаются две главные задачи: 1) разработка физических основ бесконтактной диагностики биотканей, физиологических параметров человека, развитие методов малоинвазивной лазерной хирургии; 2) подготовка высококвалифицированных кадров в области биофотоники. Результаты исследований найдут применение в первую очередь в медицине.

Лаборатория биофотоники ведет исследовательскую работу по следующим направлениям:

  • Развитие научно-технических основ визуализации внутренней структуры человека со сверхвысоким разрешением.
  • Разработка научно-технических основ бесконтактной диагностики заболеваний на основе контроля содержания профиля летучих маркеров в биопробах пациентов.
  • Развитие научно-технических основ малоинвазивной хирургии биотканей с использованием фемтосекундных лазеров.

Авторы проекта имеют существенный научный задел в виде разработанных базовых моделей биотканей, методов решения обратных задач по определению электродинамических параметров на основе экспериментальных исследований с использованием спектрометров с интегрирующими сферами, НПВО и разработанных авторами численных методов анализа. Например, одна из статей авторов проекта (A.N. Bashkatov, E.A. Genina, V.I. Kochubey, V.V. Tuchin. Optical properties of human skin, subcutaneous and mucous tissues in the wavelength range from 400 to 2000 nm. J. Phys. D: Appl. Phys., vol. 38, 2005, pp. 2543-2555) на эту тему процитирована более 300 раз.

Участниками коллектива разработаны ТГц-спектрометры на нестационарных эффектах (V. Vaks, High-Precise Spectrometry of the Terahertz Frequency Range: The Methods, Approaches and Applications// Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2012, 33(1), p. 43-53) для аналитических исследований, обладающие рекордными чувствительностью и разрешающей способностью одновременно.

Членами коллектива – сотрудниками ИОА СО РАН были проведены первые российские эксперименты по филаментации фемтосекундного тераваттного лазерного излучения в реальной атмосфере. Накопленный экспериментальный и теоретический опыт создает предпосылки к тому, что в процессе выполнения настоящего проекта лабораторией будут получены новые экспериментальные и теоретические данные, необходимые для понимания физической природы взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с веществом, а также возможность применения реализуемых эффектов в том числе для решения задач малоинвазивной хирургии.

Текущие исследования

  • Разработка новых подходов к оптической визуализации структуры биотканей на основе биосовместимых нанокомпозитов, просветляющих агентов и механической компрессии.
  • Разработка лазерных и светодиодных устройств визуализации структуры биотканей и терапевтических воздействий.
  • Исследование электродинамического (биофизического и физиологического) отклика биологических тканей с помощью высокочувствительных оптических методов с высоким пространственным разрешением.
  • Исследование специфичности проб выдыхаемого воздуха для пациентов с бронхолегочными заболеваниями в ИК области спектра (2,5–11 мкм) и терагерцовой области спектра.
  • Проведение экспериментальных исследований филаментации коллимированных и сфокусированных фемтосекундных импульсов Ti:Sa-лазера на первой и второй гармониках (800 и 400 нм), включающих в себя нахождение эмпирических количественных связей между исходными характеристиками лазерных импульсов (энергия, мощность, диаметр и числовая апертура пучка, длительность импульса) и пространственными характеристиками филаментов (длина, диаметр, положение в пространстве, количество филаментов). Результаты данных исследований позволят построить прогностическую полуэмпирическую модель трансформации пространственно-энергетических свойств излучения для дальнейшего исследования биоэффектов в широком диапазоне интенсивностей (до сотен ТВт/см2).
  • Проведение исследований по воздействию фемтосекундных лазерных импульсов различной интенсивности на биоткани с последующим морфологическим анализом.
  • Повышение эффективности прецизионной лазерной деструкции биотканей при ее оптическом просветлении с помощью биосовместимых иммерсионных агентов и использования наночастиц-акцепторов излучения.
  • Исследование влияния несферичности формы и неоднородности внутреннего состава (градиентные среды, наличие контрастных оболочек) фокусирующих оптическое излучение микрочастиц на пространственные и мощностные характеристики создаваемого ими «оптического скальпеля» (фотонной «наноструи»). 

Руководители лаборатории

Научный руководитель
В.В.Тучин, доктор физико-математических наук, заслуженный деятель науки РФ. Профессор, заведующий кафедрой оптики и биофотоники СГУ, Узловой лидер по РФ Всемирного консорциума по биофотонике BP4L (Node Leader of Biophotonics4Life Worldwide Consortium), вице-президент Российского фотобиологического общества, директор Научно-образовательного института по оптике и биофотонике при СГУ, директор Международного научно-образовательного центра оптических технологий в промышленности и медицине (МНОЦ) «Фотоника» при СГУ.

Заведующий лабораторией
Ю.В. Кистенев, доктор физико-математических наук, профессор, зам. проректора по научной работе ТГУ.

Партнёры

  • Саратовский государственный университет
  • Университет города Оулу (Финляндия)
  • Институт физики микроструктур РАН, г. Нижний Новгород
  • Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
  • ИОА СО РАН, СибГМУ