バイオフォトニクス

バイオフォトニクスは生物学とフォトニクスの組み合わせを意味する。フォトニクスとは光子、量子単位の光の生成、操作、検出の科学技術である。フォトニクスは電子工学や光子と関係がある。光子は電子工学で電子が行うようなようなことを光ファイバーなどの情報技術において行い中心的な役割を果たす。

バイオフォトニクスは「生体分子、細胞、組織の研究に対する光学技術、特にイメージングの開発及び応用」ともいえる。バイオフォトニクスを構成する光学技術を用いる主な利点の1つは、調査する生体細胞を完全な状態で保存できることである。

それゆえ、バイオフォトニクスは生物学的なものと光子の相互作用を扱うすべての技術の確立した一般用語となっている。これは生体分子、細胞、組織、生物および生体材料からの放射、検出、吸収、反射、修飾、発光生成を指す。応用領域は生命科学、医学、農学、環境学である。「電気」と「電子工学」の違いと同様に、主にエネルギーを伝えるために光を用いる治療や手術などの分野と、物質を励起して情報をオペレータに返すという光を用いる診断などの分野には違いがある。ほとんどの場合、バイオフォトニクスは後者の応用を指す。

1. 応用
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バイオフォトニクスは電磁放射と生体物質の相互作用を含む学際的な分野である。

近年では、流体、細胞、組織と関係する臨床診断および治療のための新たな応用を創出している。これらの進歩により、科学者や医者は血管や血液に関する優れた非侵襲的な診断、および皮膚病変のより良い検査のための道具の使用が可能になっている。新たな診断道具に加え、バイオフォトニクス研究の進歩により、新たな光熱、光力学、組織療法がもたらされている。

皮膚科学 光と生体物質の間の多数の複雑な相互作用を観察することにより、バイオフォトニクスの分野は医師が利用できる独自の診断技術を提示する。バイオフォトニクスイメージングは、皮膚がんの診断に使える唯一の非侵襲的技術を皮膚科に対して提供する。皮膚がんの伝統的な診断法は、視覚的な評価と生検が必要であるが、新たなレーザ誘導蛍光分光法により、皮膚科医が患者の皮膚の分光写真と悪性組織にあたる分光写真を比較することができる。これにより医師には早期診断と治療の選択肢がもたらされる。 「光学技術の中でも、レーザー走査に基づく新出のイメージング技術である光コヒーレンストモグラフィー(OCTイメージング）（すなわち低エネルギーに緩和し、それによりプランク・アインシュタイン関係式E={\frac {hc}{\lambda }}により支配されるように、吸収された励起光よりも放出される光子はより短い波長にある。<WtXmlEndTag />

2. バイオルミネッセンス
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バイオルミネッセンスは生体内の化学反応による光の自然生成であるという点でバイオフルオレッセンスとは異なるが、ともに自然環境からの光の吸収と再放出を意味する。

3. バイオフォスフォレッセンス
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バイオフォスフォレッセンスは、励起エネルギーの供給源としての特定波長の光を必要とするという点でバイオフルオレッセンスと同様である。ここでの違いは、励起された電子の相対的な安定性にある。バイオフルオレッセンスとは異なり、ここでは、電子は禁制三重項状態で安定性を保持し、発光時間が長くなり、結果として刺激光源が取り除かれてからもずっと長く「暗闇の中で輝き」続ける効果が生じる。

4. 光源
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主に使われる光源はビーム光である。LEDやスーパールミネッセントダイオードも重要な役割を果たす。バイオフォトニクスで使われる典型的な波長は600nmから3000nmである。

4.1. レーザ
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レーザはバイオフォトニクスにおいてますます重要な役割を果たしてきている。正確な波長選択、最も広い波長範囲、最も高い集束性とそれによる最高のスペクトル分解能、強い出力密度、広範囲の励起時間のようなそれぞれ固有の特性により、幅広い用途のための最も普遍的な光ツールとなっている。結果として、多くのサプライヤーから出ている様々な異なるレーザー技術を市場で見ることができる。

4.1.1. ガスレーザ
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バイオフォトニクスの用途で使われる主要なガスレーザ及び重要な波長は以下の通り

アルゴンイオンレーザ: 457.8   nm, 476.5   nm, 488.0   nm, 496.5   nm, 501.7   nm, 514.5   nm
クリプトンイオンレーザ: 350.7   nm, 356.4   nm, 476.2   nm, 482.5   nm, 520.6   nm, 530.9   nm, 568.2   nm, 647.1   nm, 676.4   nm, 752.5   nm, 799.3   nm
ヘリウムネオンレーザ: 632.8   nm 
HeCdレーザ: 325   nm, 442   nm二酸化炭素、一酸化炭素、窒素、酸素、キセノンイオン、エキシマ、金属蒸気レーザのような他の市販のガスレーザは、バイオフォトニクスにおいてはあまり重要ではない。バイオフォトニクスにおけるガスレーザの主な利点は、固定波長、完全なビーム質、低い線幅/高コヒーレンスである。アルゴンイオンレーザはマルチラインモードでも動作する。主な欠点は、高い電力消費、ファン冷却による機械的ノイズの発生、限られたレーザ出力である。主なサプライヤーには、Coherent, CVI/Melles Griot, JDSU, Lasos, LTB, Newport/Spectra Physicsがある。

4.1.2. ダイオードレーザ
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バイオフォトニクスでダイオードレーザに使われる最も一般的な集積レーザダイオードは、GaNもしくはGaAs半導体材料のどちらかに基づく。GaNは375-488nmの波長スペクトルをカバーし、GaAsは635nmからの波長スペクトルをカバーする。

バイオフォトニクスでのダイオードレーザの最も一般的に使われる波長は、375, 405, 445, 473, 488, 515, 640, 643, 660, 675, 785   nmである

レーザダイオードは4つのクラスで使用できる:

シングルエッジエミッタ/ブロードストライプ/ブロードエリア
表面エミッタ/VCSEL
エッジエミッタ/リッジ導波路
格子安定化 バイオフォトニクス用途では、最も一般的に使用されるレーザダイオードは単一横モードであり、ほぼ完全なTEM00ビーム質に最適化することができるエッジエミッタ/リッジ導波路ダイオードである。共振器のサイズが小さいため、デジタル変調は非常に高速になる。コヒーレンス長が短く、一般的な線幅はnm範囲になる。通常の出力レベルは約100mWである。主なサプライヤはCoherent, Melles Griot, Omicron, Toptica, JDSU, Newport, Oxxius, Power Technologyである。格子安定化ダイオードレーザは、リソグラフィ組み込み格子または外部格子 のいずれかを有する。結果として、コヒーレンス長は数メートルの範囲に増加するが、線幅はpmより下にずっと下がる。この特性を用いるバイオフォトニクス応用には、ラマン分光法や分光ガスセンシングがある。

4.1.3. 固体レーザ
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固体レーザは、レアアースもしくは遷移金属イオンでドープされた結晶またはガラスなどの固体利得媒質に基づくレーザ、もしくは半導体レーザである。イオンドープ固体レーザは、バルクレーザ、ファイバレーザ、他の種の導波管レーザの形式で作ることができる。固体レーザは数ミリワットから数キロワットの出力電力を生成することがある。

4.1.4. ファイバレーザ
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4.1.5. ピコ秒レーザ
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4.1.6. 超高速レーザ
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4.1.7. ウルトラクロームレーザ
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バイオフォトニクスにおける多くの高度な応用では、複数波長で個別に選択可能な光が必要になる。その結果、一連の新しいレーザ技術が導入され、現在は正確な表現が求められている。

最も一般的に使われる用語は、広いスペクトルにわたる可視光を同時に放出する超連続レーザである。この光はフィルター交換リングされる。例えば、音響光学変調器を介して1つもしくは最大8つの異なる波長に変換する。この技術への一般的なサプライヤはNKT PhotonicsやFianiumである。近年、NKT PhotonicsがFianiumを買収し、市場における超連続技術の主要サプライヤとして残った。

別のアプローチでは、超連続は赤外線で生成され、その後単一の選択可能な波長で可視領域に変換される。このアプローチではAOTFが必要なく、背景なしのスペクトル純度がある。

2つの概念がともにバイオフォトニクスにとって重要であるので、総称として「ウルトラクロームレーザ」がしばしば用いられる。

4.1.8. OPOs
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4.1.9. Swept sources
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Swept sourceは、放出された光の周波数を時間的に連続変化させるように設計されている。典型的には予め定義された周波数範囲を連続的に巡回する。テラヘルツ範囲のSwept sourceは実証されている。バイオフォトニクスでのswept sourceの典型的な応用は光コヒーレンストモグラフィーである。

4.1.10. テラヘルツ源
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4.2. LED
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4.3. SLED
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4.4. ランプ
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4.5. 単一光子源
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単一光子源は単一粒子や光子を光として放出するもので、コヒーレント光源および熱光源とは異なる新たな種類の光源である。

5. 脚注
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