Oddelek za fiziko

Seminar - 1. letnik, II. stopnja

Laser na živo celico

Avtor: Peter Naglič

Mentor: izr. prof. dr. Irena Drevenšek-Olenik

Ljubljana, marec 2012

Povzetek

Ojačevalno sredstvo je ena izmed najpomebnejših komponent laserja, brez katere seveda ne more

delovati. Obstaja mnogo snovi, v katerih je bilo ojačevanje svetlobe uspešno izvedeno. V seminarju

bom predstavil zeleni flourescentni protein (GFP), ki je še posebej zanimiv, saj ga lahko vnesemo v

celice. Prvi del seminarja sestavlja nekaj splošne razlage fizike laserjev in opis, kako do ojačevanja

sploh pride. Drugi del je pa posvečen predvsem eksperimentu, pri katerem so raziskovalci v ZDA

dobili lasersko svetlobo tako s pomočjo proteina GFP, kot tudi s pomočjo celic.

2

Kazalo 1 Uvod ................................................................................................................................................ 2

2 Fizika laserjev ................................................................................................................................... 2

2.1 Lastna valovanja v resonatorju ................................................................................................ 3

2.2 Lastne frekvence resonatorja .................................................................................................. 5

3 Zeleni flourescentni proteini kot ojačevalno sredstvo .................................................................... 7

4 Eksperiment ..................................................................................................................................... 9

5 Analiza eksperimenta .................................................................................................................... 12

6 Možnosti uporabe ......................................................................................................................... 13

7 Zaključek ........................................................................................................................................ 14

8 Literatura ....................................................................................................................................... 14

1 Uvod Laser (angl. light amplification by stimulated emission of radiation) je zagotovo eno izmed

najpomembnejših odkritij v 20. stoletju, ki ga zaznamuje zelo široka uporabnost na mnogih področjih.

Danes si praktično ne moremo predstavljati življenja brez laserja. Ena izmed glavnih komponent

laserja je ojačevalno sredstvo. Trenutno se najpogosteje uporabljajo različni plini, polprevodniki,

dopirani kristali, ekscimerji, organska barvila in še drugi.

Nedavne raziskave so pokazale, da lahko poleg naštetih sredstev za ojačevanje uporabimo

zeleni fluorescentni protein (GFP). Ta protein se nahaja v mnogih živalih, ki so ga sposobne tudi

sintetizirati. Njegova prednost je, da je mogoče praktično vsako celico živih organizmov genetsko

sprogramirati, tako da GFP začne proizvajati sama. Z odkritjem ojačevalnih sposobnosti GFP pa se je

porodila ideja, da bi se kot ojačevalno sredstvo uporabilo kar žive celice z vsebovanim GFP. To

odkritje se je uvrstilo med 10 največjih dognanj v letu 2011 po spletni strani Physics World [1].

V tem seminarju bom najprej predstavil koncept delovanja laserja in izračun lastnih frekvenc

resonatorja z vsebovano eno živo celico. Nato se bom posvetil GFP kot ojačevalnemu sredstvu in

opisu eksperimentov, kjer je bil uporabljen. Na koncu pa bo sledila analiza eksperimenta, primerjava

s teorijo in razprava o pomenu odkritja za nadaljnji razvoj znanosti in tudi za morebitno uporabo v

različnih napravah.

2 Fizika laserjev Laser je sestavljen iz treh osnovnih komponent:

črpalnega vira,

ojačevalnega sredstva,

optičnega resonatorja.

3

Slika 1: Shema delovanja laserja

Črpalni vir priskrbi potrebno energijo za delovanje laserja. Pogosto se uporablja električno

razelektritev, bliskavice, manjše laserske sisteme za črpanje večjih, kemijske reakcije, itd. Kateri

črpalni vir bomo uporabili, je v veliki meri odvisno od ojačevalnega sredstva.

Ojačevalno sredstvo je vsekakor najpomembnejši del laserja. V njem s pomočjo črpalnega

vira dobimo obrnjeno zasedenost med dvema energijskima nivojema, skratka več atomov ali molekul

sredstva je v nivoju z višjo energijo. Zaradi interakcije s svetlobo lahko atomi ali molekule prehajajo

med tema nivojema na več načinov. Z absorpcijo prehajajo v višje stanje, s čimer se zmanjša število

fotonov svetlobe. Obratno poteka stimulirana emisija, pri kateri atomi ali molekule prehajajo v nižje

stanje zaradi interakcije s svetlobo, pri čemer dobimo foton, ki je popolnoma identičen fotonom

vpadne svetlobe. Tretji proces, s katerim lahko atomi ali molekule prav tako preidejo v nižje stanje, je

spontana emisija, ki je posledica nestabilnosti višjega nivoja. Ta za prehod ne potrebuje zunanjega

polja svetlobe. V tem primeru imajo fotoni naključno smer in fazo. Z obrnjeno zasedenostjo imamo v

ojačevalnem sredstvu več stimulirane emisije kot absorpcije in zato pride do ojačevanja svetlobe.

Pobližje se bomo s tem procesom spoznali v naslednjem poglavju, ko bomo obravnavali GFP kot

ojačevalno sredstvo.

Zadnji pomembnejši del je optični resonator, v katerem lahko vzbudimo stoječe valovanje. Če

v optični resonator postavimo ojačevalno sredstvo, dobimo na začetku s črpalnim virom predvsem

spontano sevano svetlobo, ki se odbija med zrcaloma resonatorja in ojačuje pri prehodu skozi

sredstvo. S tem se ojačujejo tiste lastne frekvence resonatorja, ki so blizu frekvenc nivojskim

prehodom ojačevalnega sredstva. Pri ojačevanju je pomembna moč črpanja, ki mora biti zadosti

velika, da lahko laser začne delovati. Da iz laserja dobimo izhodni laserski snop, mora biti eno od zrcal

delno prepustno.

2.1 Lastna valovanja v resonatorju V stabilnih resonatorjih s konkavnimi zrcali lahko pričakujemo, da bodo lastna valovanja omejena na

okolico osi , ki poteka vzdolž resonatorja. V tem primeru lahko za opis optičnega električnega polja v

resonatorju uporabimo nastavek

(1)

kjer je zelo šibko odvisen od in je glavna odvisnost skrita v . Ta nastavek nato

vstavimo v valovno enačbo za električno polje, zaradi počasne odvisnosti od zanemarimo

in dobimo obosno valovno enačbo

4

(2)

Tu je .

Upoštevati pa moramo tudi robne pogoje v resonatorju in sicer da je električno polje na

zrcalu povsod približno enako nič in mora zato valovna fronta sovpadati s površino zrcala. To je

posledica velike prevodnosti zrcal, ki daje tudi veliko odbojnost. Najbolj znane rešitve zgornje enačbe

so Gauss-Hermitovi in Gauss-Laguerrovi snopi, za našo razpravo bomo pa potrebovali tudi Gauss-

Incejeve snope.

Poglejmo najprej Gauss-Hermitove rešitve, ki so značilne za kartezično geometrijo. Celotno

polje lahko tako zapišemo

(3)

kjer sta in pozitivni celi števili ter polmer snopa

(4)

je polmer snopa v grlu pri in je povezan z kot

(5)

Slednji nam pove na kateri razdalji od grla se polmer snopa poveča za . Parameter nam podaja

kompleksno ukrivljenost snopa, ki jo lahko izrazimo z dejansko ukrivljenostjo valovne fronte in

polmerom snopa

(6)

Dodatna faza

(7)

je pa posledica povečane fazne hitrosti valovanja, kadar je omejeno v prečni smeri. Pojav je

najizrazitejši v bližini snopa. Vse te konstante izračunamo iz podatkov o ukrivljenosti obeh zrcal in

dolžini resonatorja.

Na sliki 2 je prikazanih prvih nekaj redov prečnih profilov Gauss-Hermitovih snopov (prečnih

glede na vzdolžno os ), ki jih ponavadi označimo s (angl. transversal electro megnetic

mode).

5

Slika 2: Različni prečni profili Gauss-Hermitovih snopov [2]

Še drugi snopi, ki nas bodo zanimali, so Gauss-Incejevi. Ti so značilni za eliptično geometrijo.

Električnega polja tukaj ne bomo navajali, poglejmo le grafično predstavitev prečnih profilov (slika 3).

Leva stran predstavlja rešitve, ki jih podamo s sodimi Incejevimi polinomi, medtem ko desne z lihimi.

Slika 3: Prikaz prečnih profilov Gauss-Incejevih snopov. Red označimo z . [3]

2.2 Lastne frekvence resonatorja Lastne frekvence resonatorja dobimo s pomočjo pogoja, da mora biti faza valovanja po enem obhodu

enaka , kjer je celo število. To je nujno, saj se morajo lastna valovanja po enem obhodu

reproducirati in če bi imeli različne faze, bi se nam amplitude seveda odštele. Resonančne frekvence

so tako podane z zvezo [4]

(8)

kjer so , in pozitivna cela števila, pa povprečni lomni količnik v resonatorju. nam pove

celoten red spremembe faze po enem obhodu. lahko precej prikladno izrazimo z ABCD

formalizmom, ki je poznan pripomoček iz geometrijske optike in nam omogoča izračun lastnih

frekvenc za resonator z vsebovanimi optičnimi elementi. Označimo matriko, ki opisuje nek optični

element kot

6

(9)

Kompleksni ukrivljenosti pred in za optičnim elementom in lahko povežemo kot

(10)

S pomočjo matrike, ki opisuje prehod od enega do drugega zrcala v resonatorju, lahko izrazimo tudi

(11)

kjer je predznak odvisen od predznaka produkta elementov matrike. Vstavimo v prejšnjo

enačbo in dobimo

(12)

označuje longitudinalne načine, in pa transverzalne (npr. je ).

Poglejmo sedaj primer izračuna lastnih frekvenc za resonator z eno vsebovano celico, saj

bomo ta rezultat kasneje tudi potrebovali. Iz slike lahko vidimo, da bomo za opis enega prehoda v

prvem približku potrebovali pet matrik.

Slika 4: Prikaz propagacije valovanja po resonatorju [6]

1. Propagacija skozi raztopino z lomnim količnikom , ki obkroža celico:

(13)

2. lom na krogelni meji dveh različnih lomnih količnikov iz v , kjer je slednji povprečje, saj

vemo, da celica ni homogena. V prvem približku torej kar rečemo, da je celica dielektrična

krogla:

(14)

7

3. propagacija skozi celico s povprečnim lomnim količnikom . Tu seveda upoštevamo obosno

aproksimacijo:

(15)

4. lom na krogelni meji dveh lomnih količnikov iz v :

(16)

5. in propagacija do drugega zrcala skozi raztopino:

(17)

Celotna ABCD matrika za en prehod je tako

(18)

Komponenti matrike A in D vstavimo nazaj v enačbo (12) in dobimo okviren rezultat za lastne

frekvence. Končni rezultat je precej obsežen, tako da bo pri analizi eksperimenta podana le

numerična vrednost.

3 Zeleni flourescentni proteini kot ojačevalno sredstvo Zeleni fluorescentni protein (GFP) je bil sprva pridobljen iz vrste meduze Aequorea victoria in se

uporablja na najrazličnejših področjih. Še verjetno najbolj znana sta fluorescentna mikroskopija in

monitoring bioloških procesov v celicah. Pri slednjih GFP inkorporiramo v genetski material

organizmov in tako spremljamo, kaj se dogaja.

GFP sestavljajo β-plašč (angl. β-barrel, na sliki 5 pasovi v rumeni barvi) in α-vijačnice (na sliki v

vijolični barvi), ki potekajo skozi valj. Ta skelet seveda sestavljajo amino kisline. V sredini je na α-

vijačnice pritrjen kromofor p-hidroksibenzilideneimidazolin-ena (molekula v modri barvi), ki je

odgovoren za fluorescenčnost proteina.

Slika 5: Struktura zelenega flourescentnega proteina [5].

8

Z umetno mutacijo kromofora so se izboljšale mnoge lastnosti GFP proteinov, predvsem pomembni

pa sta svetlost in stabilnost. Zaradi dobrih optičnih lastnosti, visokega absorpcijskega preseka

in 80% kvantnega izkoristka iz absorpcije v emisijo, je dober kandidat za ojačevanje

svetlobe s stimulirano emisijo. GFP tvori kvazi 4 nivojski sistem (slika 6). Z absorpcijo fotona lahko

GFP preide iz osnovnega stanja v eno izmed mnogih vibracijskih stanj v višjem elektronskem stanju

. Po vzbuditvi sledijo pikosekundne relaksacije v najnižje vibracijsko stanje, ki potem s stimulirano

emisijo preide v možna vibracijska stanja v osnovnem stanju . Življenjski čas najnižjega stanja v

je reda , kar pomeni, da za obrnjeno zasedenost, kjer je več molekul proteina v vzbujenem kot v

osnovnem stanju, potrebujemo na primer optično črpanje z nanosekundnimi ali krajšimi pulzi [6].

Slika 6: Shema kvazi 4 nivojskega sistema energijskih nivojev v GFP [6]

Oglejmo si sedaj bolj podrobno optično črpanje trinivojskega sistema (npr. atome plina, slika 7), ki ga

imamo v resonatorju, kar bo dovolj za osnovno razumevanje ojačevanja svetlobe s stimulirano

emisijo [7]. Zanima nas predvsem, kako se energija svetlobe v resonatorju spreminja z optičnim

črpanjem. Dobili bomo karakteristično odvisnost, ki je značilna samo za laserje. To bo tudi pokazatelj

pri eksperimentu, da je do delovanja laserja zares prišlo.

Recimo, da sistem črpamo z energijo, ki vzbuja atome iz osnovnega stanja v vzbujeno

stanje in da imamo v resonatorju monokromatsko svetlobo s frekvenco , ki ustreza prehodu med

stanjema in . Slednjo bi po preletu resonatorja radi ojačili. Zasedenost nivojev se bo ustrezno

spreminjala (slika 7). Osnovno stanje se bo praznilo zaradi črpanja v stanje in polnilo zaradi

spontane emisije iz stanj in . Stanje se bo praznilo zaradi absorpcije monokromatske svetlobe

v stanje in spontane emisije v ter polnilo zaradi spontane emisije iz stanja . Zasedenost

najvišje ležečega stanja bo naraščala zaradi črpanja iz stanja in absorpcije monokromatske

svetlobe iz in padala zaradi spontane emisije v in ter stimulirane emisije v . Z

reševanjem zasedbenih enačb v stacionarnem primeru dobimo, da mora biti za obrnjeno zasedenost

med nivojema in razpadni čas stanja krajši od stanja . Zanima nas pa tudi, kako se število

fotonov monokromatske svetlobe in tako ustrezno tudi energija spreminja pri prehodu skozi

sredstvo. Po enem preletu resonatorja se bo svetloba ojačila, saj bomo zaradi obrnjene zasedenosti

imeli več stimulirane emisije kot absorpcije. Energija svetlobnega valovanja v resonatorju se bo

tako na en prelet povečala

črp

anje

spo

nta

na

em

isij

a

stim

ulir

ana

emis

ija

abso

rpci

ja

Slika 7: Shema 3 nivojskega sistema in možnih prehodov, ki jih upoštevamo

9

(19)

Ta enačba velja za majhna ojačenja. je koeficient ojačenja in je med drugim sorazmeren energiji

črpanja sistema, saturacijska energija in dolžina resonatorja. Energija pa se bo na prelet zaradi

izgub tudi zmanjšala

(20)

V smo pospravili vse izgube zaradi sipanja, absorpcije in nepopolnega odboja od zrcal. V

stacionarnem stanju se morajo izgube ravno pokriti z ojačenjem , od koder dobimo,

da je energija bodisi bodisi

(21)

Od tod lahko končno vidimo, da je energija pozitivna le, če je ojačenje večje od vrednosti na pragu

(22)

Energija svetlobnega valovanja v laserju je tako pod pragom nič, nad pragom pa linearna funkcija

ojačevanja. To prikazuje tudi slika 8.

1

0

energ

ija v

alo

vanja

W

G/Gpr

Slika 8: Potek energije svetlobnega valovanja W v resonatorju v odvisnosti od ojačevanja

4 Eksperiment Prvi del eksperimenta se nanaša na uporabo 50 vodne raztopine eGFP kot sredstva za ojačevanje.

eGFP je široko uporabljen umetno mutirani protein, ki omogoča vnos tudi v celice sesalcev.

Resonator je v eksperimentu sestavljen iz dveh zrcal (slika 9), ki sta v medsebojni oddaljenosti

in imata ukrivljenosti ter . Zrcali sta dobro prepustni za ter visoko

reflektivni ( ) za valovne dolžine med in . Vodno raztopino eGFP so črpali z

optičnim oscilatorjem ( ), ki je proizvajal sunke dolžine s frekvenco .

10

Slika 9: Shema prvega dela eksperimenta [6]

Slika 10: Energija izhodne svetlobe v odvisnosti od črpanja [6]

Slika 10 prikazuje odvisnost energije izhodne svetlobe iz resonatorja od energije črpanja na en sunek.

Prag črpanja, kjer se intenziteta izhodne svetlobe začne drastično povečevati, je nekje

. Pri tem prehodu se spektralna širina emisijskega vrha močno zoži ( ) v

primerjavi s spontano fluorescenco ( ). To nakazuje, da je prišlo do laserskega

delovanja in da je eGFP mogoče uporabiti kot ojačevalno sredstvo. Eksperiment je tudi pokazal, da je

valovna dolžina izhodne laserske svetlobe neodvisna od valovne dolžine črpalne svetlobe. To izloči

stimulirano sipanje, kot možno razlago za opaženi proces.

Slika 11: Abs - absorpcijski spekter proteina, PL - spekter spontane fotoluminiscence, barvne črte - ozek spekter izhodne laserske svetlobe pri različnih molarnih koncentracijah proteina v vodi [6]

Slika 12: Izmerjeni prečni profili izhodnega laserskega snopa [6]

Slika 12 prikazuje dobljene prečne prostorske profile laserskega snopa, kjer je (i) . Z manjšim

premikom zrcal, tako da nista bili več poravnani, pa so dobili tudi snope višjih redov (ii) , (iii)

, in (iv) . Kot vidimo, gre za Gauss-Hermitove snope. Iz prvega dela eksperimenta sledi

ugotovitev, da bi za ojačevalno sredstvo morda lahko uporabili tudi živo celico z vsebovanim GFP.

Za izdelavo laserja na živo celo so uporabili človeške ledvične celice, vzgojene v

nadzorovanem okolju. Tokrat je bil resonator sestavljen iz dveh visoko reflektivnih Braggovih zrcal,

oddaljenih za (slika 13). Koncentracija suspenzije celic v vodi je bila takšna, da so bile

celice v resonatorju med seboj oddaljene za več kot in tako niso koagulirale. Omenjeni

11

resonator je na meji stabilnosti zaradi ravnih zrcal. Reši nas sferična oblika celice, ki ima malo večji

lomni količnik kot okoliška raztopina in tako deluje kot neke vrste zbiralni optični element. Brez

laserskega črpanja so celice oddajale zeleno svetlobo homogeno po celotni prostornini, kar je tudi

moč opaziti na sliki 14.

Slika 13: Shema postavitve drugega dela eksperimenta [6]

Slika 14: Celica posneta z različnimi metodami; a) DIC (angl. differential interference contrast microscopy), b) konfokalna fluorescenčna mikroskopija, c) združene posamezne plasti slike v z smeri, da se vidi prečni profil (skala ) [6]

Črpanje energije v resonator je potekalo podobno kot v prvem delu eksperimenta, s pomočjo

optičnega oscilatorja ( ), tokrat kar skozi objektiv mikroskopa, da je bilo mogoče celice

tudi posneti. Prag energije črpanja, pri katerem je intenziteta izhodne svetlobe začela močno

naraščati, je v tem primeru bil (slika 15), kar je kljub nehomogenostim v resonatorju

občutno manj kot prej. Nad pragom so se ojačile samo določene emisijske črte, kar ponazarjata sliki

16 in 17. Prva podaja emisijski spekter za dve različni energiji črpanja nad pragom, druga pa emisijski

spekter črpane celice nad in pod pragom. Ko celica začne oddajati lasersko svetlobo, opazimo veliko

večjo nehomogenost intenzitete izsevane svetlobe kot pri spontani emisiji. To nas navaja na idejo, da

je vzorec izsevane svetlobe morda superpozicija različnih načinov lastnih nihanj resonatorja. To

hipotezo bomo podrobneje razdelali pri analizi eksperimenta.

Slika 15: Izhodna energija laserske svetlobe v odvisnosti od energije črpanja [6]

Slika 16: Emisijska spektra pri dveh različnih energijah nad mejno vrednostjo praga [6]

12

Slika 17: Emisijska spektra izhodne svetlobe iz celice; a) črpanje pod pragom, b) črpanje nad pragom (skala ) [6]

5 Analiza eksperimenta V tem poglavju se bomo posvetili lastnostim laserske svetlobe, ki jo dobimo iz žive celice. V ta namen

so snop laserske svetlobe usmerili na spektrograf, ki jo je razklopil po valovnih dolžinah. To so potem

usmerili na CCD detektor (slika 18a) in posneli sliko dobljenega spektra. Kot lahko vidimo, se je

navidezno povsem nepravilen vzorec razdelil v nam znane prečne profile lastnih snopov iz

resonatorja, ki smo jih omenili v poglavju 2.1. Predvsem na sliki 18b lahko identificiramo osnovni

Gaussov snop, ki ga označimo s in še višje rede, ki pripadajo Gauss-Incejevim snopom. Redi so

označeni v oglatih oklepajih kot .

Slika 18: a) postavitev sistema za zajemanje izhodne svetlobe iz celice, b-d) pridobljeni spektri za posamezne celice različnih velikosti, e-f) primerjava posameznih posnetih prečnih profilov z modeliranimi [6]

13

Zanimivo je, da dobimo podoben set vzrocev pri dveh različnih valovnih dolžinah. Gre za sosednja

longitudinalna načina. Drugi set je označen s . Glavni vzrok, da dobimo večinoma samo Gauss-

Incejeve snope je verjetno zaradi rahle eliptičnosti celic, ki torej le niso povsem sferične oblike. Na

splošno se na slikah od 18b do 18d vidi, da se prečni profili laserjev med seboj precej razlikujejo od

celice do celice. Odvisni so od velikosti celice, energije črpanja in koncentracije proteina eGFP v sami

celici. Slike od 18e do 18g prikazujejo primerjavo med posnetim snopom še iz drugih celic in

modeliranim. Eden pomembnejših rezultatov eksperimenta je pa vsekakor to, da je celica preživela

obsevanje z okoli 1000 sunki z energijo tudi do 50-krat večje od praga /sunek). Vidnih posledic

ni bilo.

Oglejmo si bolj podrobno še razmike med sosednjimi transverzalnimi in longitudinalnimi

načini. V eksperimentu je bil izmerjen razmik med prvima dvema transverzalnima načinoma,

medtem ko sta longitudinalna bila narazen za . To bi seveda radi primerjali z izračunom, ki

smo ga naredili v poglavju 2.2. Spomnimo se naprej enačbe za lastne frekvence (12).

Frekvenčni razmik med sosednjima longitudinalnima načinoma je

(23)

Razmik med transverzalnima pa je

(24)

Za naš problem s celico v resonatorju imamo sledeče podatke: , ,

in [10]. Dobimo

(25)

Rezultat se dobro ujema z izmerjeno vrednostjo. Na tem mestu je potrebno še omeniti, da če bi vzeli

razmike transverzalnih načinov višjih redov, bi zaradi obosne aproksimacije ujemanje med meritvijo

in izračunom postajalo čedalje slabše.

6 Možnosti uporabe Ker gre za razmeroma novo odkritje, se različne možnosti za uporabo pojavljajo sproti. Prednost

proteinov eGFP je vsekakor v tem, da jih je mogoče inkorporirati v celice in tudi razmnoževati, saj so

praktično neškodljivi. Zaradi teh lasnosti je ta protein zelo prikladen za proizvajanje laserske svetlobe

v samih živih organizmih. Ena izmed možnih uporab bi bila pri tridimenzionalnem sondiranju

procesov v notranjosti celic, saj so transverzalni načini močno odvisni od lomnega količnika in bi to

lastnost lahko izrabili.

Stimulirana emisija iz celic je v primerjavi z navadno fluorescenco močnejša v intenziteti in

ima ožji spekter, s čimer nam bi pomagala izboljšati resolucijo in občutljivost pri mikroskopskem

slikanju. Poleg tega lahko s stimulirano emisijo povsem pokrijemo izgube zaradi absorpcije in sipanja

in bi s tem lahko dosegli večjo vdorno globino v tkivo. Razvijajo se tudi mikroresonatorji, ki bi

omogočali z vnosom v organizem kontrolirano sprožanje fotokemičnih reakcij na točno določenem

mestu s pomočjo proizvedene laserske svetlobe. Seveda so to vse bolj še ideje.

14

7 Zaključek Laser od samega odkritja velja za nenadomestljiv pripomoček v najrazličnejših področjih znanosti in

tehnologije. Ena izmed glavnih komponent laserja je ojačevalno sredstvo. Odkritih je bilo že mnogo

snovi, ki omogočajo ojačevanje, toda še nikoli pa ni bilo zabeleženo delovanje laserja na žive celice, ki

so ostale nepoškodovane tudi tekom procesa. V tem seminarju smo si pobližje ogledali predvsem

glavno komponento tj. zeleni flourescentni protein, ki se obnaša kot kvazi 4 nivojski sistem, s katerim

lahko dosežemo obrnjeno zasedenost. To je potreben pogoj, da do ojačevanja tudi pride. V prvem

delu eksperimenta smo si ogledali ojačevanje svetlobe s stimulirano emisijo v raztopini eGFP in

ugotovili, da je izhodna svetloba res laser, saj smo dobili ozek spekter in značilno energijsko odvisnost

svetlobe od ojačevanja. To je dalo tudi upanje, da bi eGFP kot ojačevalno sredstvo lahko uporabili v

celicah. Dobili smo spet vse karakteristike laserske svetlobe in prečne profile uspešno primerjali s

teoretičnimi ter dobili primerljive razlike valovnih dolžin sosednjih longitudinalnih in transverzalnih

načinov v primerjavi z našim izračunom. Potencial laserja na žive celice se kaže na možni uporabi na

mnogih področjih, vendar so te še bolj v idejni fazi, saj je odkritje razmeroma novo.

8 Literatura [1] http://physicsworld.com/cws/article/news/48126 (26.2.2012)

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Gaussian_beam (26.2.2012)

[3] M. A. Bandres in J. C. Gutiérrez-Vega, Ince-Gaussian modes of the paraxial wave equation

and stable resonators, J. Opt. Soc. Am. A 21, 873–880 (2004)

[4] O. Svelto, Principles of Lasers (Springer, 4th ed., New York, 1998)

[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Green_fluorescent_protein (16.3.2012)

[6] M. C. Gather in S. H. Yun, Single-cell biological lasers, Nature Photonics, Vol. 5, 406 (2011)

[7] M. Čopič, Fotonika (skripta, Fakulteta za matematiko in fiziko, Univerza v Ljubljani, 2011)

[8] D. J. Pikas et al, Nonlinear saturation and lasing characteristics of green fluorescent protein, J.

Phys. Chem. B 106, 4831–4837 (2002)

[9] B.E.A. Saleh, M.C. Teich, Fundamentals of photonics (John Wiley and Sons, Kanada, 1991)

[10] B. Kemper et al, Integral refractive index determination of living suspension cells by

multifocus digital holographic phase contrast microscopy, J. Biomed. Opt. 12, 054009 (2007)