Kĩ thuật ảnh giao thoa ba chiều thông minh

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'kĩ thuật ảnh giao thoa ba chiều thông minh', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Kĩ thuật ảnh giao thoa ba chiều thông minh

Kĩ thu t nh giao thoa ba chi u thông minh Chris Lowe, Cynthia Larbey Kĩ thu t ch p nh giao thoa ba chi u ph n ng v i tác nhân lí, hóa và sinh ang mang l i nh ng phép th ch n oán m i v i các ng d ng a d ng t hàng không cho t i y khoa, như Chris Lowe và Cynthia Larbey mô t sau ây. Ít nh t là 6% n n thương m i th gi i, tương ương v i ch ng 200 t ô la m i năm, có liên quan t i các s n phN gi m o. Nhưng con s này th m chí s còn cao hơn n u như không có m kĩ thu t nh giao thoa n i. ư c phát minh cách ây 50 năm, kĩ thu t nh giao thoa n i mang l i các nhãn xác nh n ch ng sao chép, và có th tìm th y m i nơi t th tín d ng, h chi u và gi y b c cho n hàng tiêu dùng, m phN và dư c phN Kĩ thu t nh giao thoa n i cũng là cơ s cho m m. máy quét dùng siêu th và máy hát ĩa CD; nó còn ư c s d ng lưu tr d li u quang 3D. Tuy nhiên, hi n nay kĩ thu t nh giao thoa n i ang bi u hi n chúng là công c chN oán r ti n n m nh m nh t, chúng có th có nhi u ng d ng, nh t là trong hóa sinh h c. Tuy v y, mãi cho n g n ây, kĩ thu t nh giao thoa n i y khoa v n là ch t li u c a truy n vi n tư ng khoa h c. Trong lo t phim truy n hình Star Trek: Vogayer h i năm 1995 ch ng h n, phi hành oàn th k 24 x lí m t toán quân du kích cách xa 70.000 năm ánh sáng, trong chuy n i ó bác sĩ c a con tàu b gi t ch t, phi hành oàn d a vào “kĩ thu t nh giao thoa n i y khoa khN c p” n ch ng . Nhưng truy n vi n tư ng khoa h c nay ang chuy n thành th c t khoa h c, v i m t vài kĩ thu t nh giao thoa n i “thông minh” dùng cho chN oán và các ng n d ng khác ã i vào th trư ng. 21 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Các phép th chN oán th t là cũ rích trong th gi i hi n i – thư ng dùng n ư c nh m i th t b nh t t và an toàn th c phN cho n an ninh và kh ng b sinh h c. Hi n nay, nh ng m công vi c này ư c th c hi n b ng cách o m t vài thông s hóa h c và sinh h c trong v t m u d dàng s d ng và r i g i chúng n phòng thí nghi m trung tâm phân tích. M c dù nh ng phòng thí nghi m như th thư ng là t ng hóa hoàn toàn và th m chí không yêu c u s tinh thông c a m t nhà khoa h c, nhưng có th v n m t vài ngày trư c khi k t qu ư c g i tr l i – s ch m tr có th gây tr ng i cho chN oán. n Có m t s th cách m ng trong chN oán y khoa trong nh ng năm g n ây, v i các th n nghi m tăng cư ng mang n cho ngư i b nh. Ví d , các phép th x lí bên ngư i b nh ã làm gi m th i gian phân tích “tác nhân gây b nh tim” t hàng ngày trong phòng thí nghi m trung tâm xu ng còn hàng phút, nh ó N nhanh ti n y x lí y khoa quan tr ng liên quan t i các cơn au tim. Các xu hư ng tương t bi u hi n trong theo dõi ch t lư ng nư c, m b o an toàn th c phN m và th c u ng và trong ki m nghi m môi trư ng, quân s và ch ng kh ng b . Các phép th “ i m m u” như th còn có th làm gi m giá thành trên m i phép th i hơn m t ph n ba, ng th i ti t ki m nhân s . Tuy nhiên, vì vi c th nghi m thư ng ti n hành trên m t t b ng cách b trí nhân viên và yêu c u trình di n tr c ti p, nên v cơ b n thì công ngh cơ s là m nh và chính xác. Các b c m bi n trên n n kĩ thu t nh giao thoa n i thông minh, tính ch t quang c a chúng thay i theo tác nhân bên ngoài, th t thích h p lí tư ng cho ki m nghi m chN oán. n Ngoài vi c mang l i nh ng b c m bi n ơn gi n và áng tin c y v i kh năng cài t s n k t qu n c ư c, nh ng kĩ thu t giao thoa n i như th là có th tr v ng ư c v m t thương m i vì chúng có th ư c ch t o b ng nh ng kĩ thu t ã có t vi i n t h c, công nghi p in n và nhi p nh. Th t v y, s n phNm u tiên như th - m t b c m bi n có kh năng phát hi n ra lư ng nh nư c trong nhiên li u máy bay – s p ư c tung ra b i Smart Holograms, m t công ti tách l p t Vi n Công ngh sinh h c t i i h c Cambridge Anh. Ph n tr c giác và đ y tr ng i Lí thuy t cơ s cho kĩ thu t nh giao thoa n i ư c phát tri n vào năm 1947 b i nhà v t lí sinh quán Hungary Dennis Gabor, nh ó ông ư c trao gi i Nobel V t lí năm 1971. Khám phá c a Gabor ư c th c hi n tình c trong khi c g ng c i thi n phân gi i c a kính hi n vi i n t , và lúc y nó không h có ng d ng khác nào ư c bi t. Th t v y, tháng 9 năm 1948, t ew York Times ã mô t kĩ thu t nh giao thoa n i là “m t t m th m thêu v lai tái t o m t cách huy n bí hình nh thoát ra c a không khí m ng”, và mãi cho t i cu i nh ng năm 1950 thì kĩ thu t ó b cho là “ph n tr c giác và y tr ng i”, thu c v “th c ti n mơ h ”, và th m chí rõ ràng là “m t chú voi tr ng” ! Quan i m ó ã d n thay i. Kĩ thu t nh giao thoa n i là ghi l i m u giao thoa quang h c gi a các sóng ánh sáng. làm phát sinh nh giao thoa n i, hai chùm ánh sáng k t h p – g i là chùm v t và chùm tham chi u – ư c làm cho ch ng ch t trong m t ch t nh y quang như polymer quang hay nhũ tương h p ch t halogen b c. Chùm v t truy n ra t v t và vì th mang thông tin v nó, còn chùm tham chi u dùng ghi nh giao thoa n i. M u giao thoa quang h c ư c lưu tr t nhiên dư i d ng s bi n i h p th , chi t su t hay b dày c a ch t ghi nh – hư ng nó vào m t cách t nhi u x ch a 22 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
thông tin v biên và pha c a hai chùm ánh sáng ban u. B ng cách r i ráng cách t v i chùm tham chi u, m t b n sao y u c a chùm v t ban u có th ư c d ng l i. nh giao thoa n i ư c t o ra b ng cách làm cho hai chùm ánh sáng k t h p – g i là chùm v t và chùm tham chi u – ch ng ch t trong ch t nh y quang. Chùm v t truy n ra t v t và vì th mang thông tin v nó, còn chùm tham chi u dùng ghi và c nh. M u giao thoa quang ư c lưu tr t nhiên dư i d ng s bi n i h p th , chi t su t ho c b dày c a ch t ghi nh – nh ó bi n nó thành m t lo t vân giao thoa (t c là m t cách t nhi u x ) ch a thông tin v biên và pha c a hai chùm tia sáng ban u. B ng cách chi u chùm c lên cách t , m t b n sao y u c a chùm v t ban u – và do ó là v t – xu t hi n tr l i. M c dù hi u ư c làm th nào nh giao thoa n i ho t ng, nhưng các nhà nghiên c u không th nào phát tri n ý tư ng c a Gabor mãi cho n khi phát minh ra laser ch ng 10 năm sau ó. Có ư c m t ngu n ánh sáng k t h p như th là y u t s ng còn i v i kĩ thu t nh giao thoa n i, vì thông tin lưu tr trong nh giao thoa n i ph thu c m nh và pha và bư c sóng c a ánh sáng (không gi ng như thông tin lưu tr trong nh ch p, chúng ch ph thu c vào cư ng ánh sáng). nh giao thoa n i u tiên có th ghi v t ba chi u ư c t o ra vào năm 1962 b i các nhà nghiên c u ngư i Mĩ Emmett Leith và Juris Upatnieks t i i h c Michigan. Nh ng nh này ư c g i là nh giao thoa n i truy n qua vì xem chúng ngư i ta ph i cho m t laser truy n qua nh n i và quan sát nh tái d ng t hư ng ngư c l i so v i hư ng c a ngu n. M t phương pháp tinh vi sau ó, “ nh giao thoa n i truy n qua c u v ng”, cho phép ngư i ta xem nh giao thoa n i có màu s d ng ánh sáng tr ng ph ng. Nh ng nh giao thoa n i này – thư ng g m m t m u trên b m t c a m t t m phim tráng lên m t lá nhôm ph n x - ư c s d ng làm c i m b o m t 23 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
trên th tín d ng và nh ng s n phN khác (Lá nhôm cho phép ánh sáng i ra t phía sau c a nh m n i tái d ng hình nh). Cùng năm ó, nhà v t lí ngư i Liên Xô Yuri Denisyuk t i Vi n Ioffe St Petersburg ã phát tri n m t lo i nh giao thoa n i ph bi n khác: nh giao thoa n i ph n x hay nh giao thoa n i Denisyuk, nó có kh năng tái d ng nhi u màu s c s d ng s r i ánh sáng tr ng trên cùng phía nh n i như ngư i xem. nh giao thoa n i Denisyuk s d ng nhũ tương phim nh c u t o t m t polymer, m t mu i b c nh y sáng (b c bromide) và m t ch t nhu m b t sáng tráng trên n n th y tinh hay plastic và ư c xây d ng b ng cách cho m t laser i qua nhũ tương và i hư ng nó tr l i qua s ph n x kh i m t gương ph ng óng vai trò như v t. M u sóng ng t o ra khi chùm tia t i và chùm ph n x g p nhau ư c b o qu n d ng 3D qua các l p h t b c kim lo i c c kì tinh, nghĩa là nh giao thoa n i d a trên s ph n x nhi u x t các h t b c. mb o r ng s ph n x t các v trí khác nhau giao thoa tăng cư ng l n nhau, các vân b c ph i cách nhau m t cách u n (Nh ng c u trúc tu n hoàn tương t là nguyên nhân c a màu s c lung linh t o ra khi ánh sáng ph n x t CD-ROM hay nh ng cánh bư m “ngũ s c” nh t nh). Trong m t nh giao thoa n i “thông minh”, m u giao thoa ư c lưu tr trong m t ch t mà tính ch t c a nó thay i theo nh ng i u ki n môi trư ng nh t nh, vì th làm bi n i tính ch t c a m u giao thoa và như v y là s bi u hi n c a chính nh giao thoa. nh ch p qua kính hi n vi i n t (bên trái) cho th y nh giao thoa n i c a m t gương ph ng t o ra trong nhũ tương b c halide, trong ó các vân giao thoa c u thành t các h t b c kim lo i ( ư ng kính kho ng 20 nm) phân b trong chi u dày 5-10µm c a polymer thông minh. Các vân g n như song song v i b m t nh giao thoa n i, r t gi ng v i các trang cúa m t cu n sách óng, và cùng nhau tác d ng như m t cách t nhi u x Bragg, mà dư i s r i ánh sáng tr ng làm ph n x m t d i h p bư c sóng nh t nh và tái t o nh ơn s c c a m t ph ng gương ban u (hay b t kì v t nào khác dùng trong ghi nh giao thoa n i). Giao thoa tăng cư ng gi a các chùm ph n x t ng ph n t m i m t ph ng vân cho m t c c i ph c trưng có bư c sóng kho ng ch ng chi ph i b i nh lu t Bragg: mλ = 2ndsinθ, trong ó m là b c nhi u x , n là chi t su t trung bình c a h màng m ng, λ là bư c sóng c a ánh sáng, d là kho ng cách gi a các vân và θ là góc h p gi a hư ng truy n c a ánh sáng t i và m t ph ng nhi u x . B t kì tác nhân lí, hóa hay sinh h c nào làm thay i d, n hay t ng s vân ch a trong l p chi u dày màng s làm phát sinh nh ng bi n i quan sát ư c bư c sóng (màu s c) hay cư ng ( sáng) c a nh giao thoa n i ph n x . 24 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Năm 1999, các tác gi hi n nay nh n th y kĩ thu t nh giao thoa n i Denisyuk ư c ghi v i m t xung ơn 10 ns phát ra t m t laser ng c h ng l u yttrium nhôm pha t p neodymium (Nd:YAG) mang l i sáng tương t dư i cùng i u ki n phơi sáng và x lí v i xung phát ra t các ch t ghi nh n i có s n trên th trư ng như gelatin polymer sinh h c. Phương pháp ch t o này cho phép nh giao thoa n i ư c ghi trong h u như b t kì ma tr n polymer nào, nh ó mang l i toàn c nh c a nh giao thoa n i v i tính ch t quang thay i theo tác nhân lí, hóa hay sinh h c như mong i. i u này t cơ s cho m t công ti spin-out tên g i là Smart Holograms, thành l p năm 2004. Thông minh hóa Trong m t nh giao thoa n i thông minh, m t ch t nh n b sung thích h p ư c g n v i ma tr n polymer c a nhũ tương nh sao cho polymer ch u s bi n i lí ho c hóa khi m t ch t ưa thích (g i là ch t phân tích) liên k t v i nó. Như v y, trên nguyên t c, b t kì tác nhân lí, hóa hay sinh h c nào tương tác v i polymer thông minh u s làm phát sinh nh ng bi n i quan sát ư c bư c sóng (t c là màu s c), cư ng ( sáng) ho c nh mã hóa c a nh giao thoa n i ph n x . Thành ph n ho t tính trong m t nh giao thoa n i “thông minh” như th thư ng là m t m ng polymer 3D g i là hydrogel, nó là m t ch t h p th nư c r t t t và có th n ra lên t i 1000% th tích ban u c a nó. B ng cách h p nh t nh giao thoa n i qua th tích c a hydrogel, cách t nh n i có th ư c t o ra tương ng v i, ví d , N nư c, dung môi, ch t khí hòa tan, ion, m, ch t chuy n hóa, thu c, kháng sinh, ư ng ho c enzyme. Trong a s trư ng h p, liên k t c a ch t phân tích m c tiêu v i ch t nh n trong hydrogel làm phát sinh ho c s bi n i tình tr ng tích i n, “liên k t chéo” ng hóa tr hay không ng hóa tr gi a các chu i polymer lân c n, ho c s bi n i các tương tác th c p g m liên k t hydrogen hay tính k nư c. i u này có nghĩa là nh ng nhi u lo n tương i nh trong i u ki n môi trư ng có th gây ra nh ng thay i vĩ mô v i th tích c a hydrogel b i nó h p th nh ng lư ng nư c khác nhau. C u trúc c a các vân giao thoa do ó mang n cho nh giao thoa n i m t v t ch th cài t s n thu c ph m vi mà hydrogel dãn n , nh ó nh ng thay i bư c sóng hay cư ng ca ánh sáng nhi u x , ch ng h n, có th d dàng nh lư ng b ng m t. (Nh ng lo i nh giao thoa n i ph bi n khác, như lo i tìm th y trên th tín d ng, không hành x gi ng như th này vì c u trúc vân c a chúng vuông góc v i m t ph ng b m t ch t n n, khi n cho chúng nh y v i nh ng thay i chi u dày c a màng polymer ch ng ) Hơn n a, vì c u trúc vân c a nh giao thoa n i thông minh không bi n i vĩnh vi n, nên hydrogel có th ch u nhi u chu kì n ra và co l i trư c khi quay tr l i c c i bư c sóng và ph n x như cũ. K t h p v i th i gian ph n ng nhanh c a chúng, nh giao thoa n i thông minh mang l i ti m năng to l n cho vi c theo dõi các bi n i t p trung ch t phân tích trong th i gian th c. M t trong nh ng ng d ng ơn gi n nh t c a các b c m bi n nh n i là o tr c ti p ho t ng nư c trong ch t l ng không tr n l n. Ngâm nh giao thoa n i g c gelatin vào dung môi “Nm” làm cho nư c t kh i dung d ch i vào pha nh n i. S n ra thu ư c và s tăng sau ó (t c là s l ch) bư c sóng nhi u x t l thu n v i n ng nư c c a m u. Do ó, các b c m bi n nh n i 25 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
làm phát sinh s bi n i màu s c th giác, mang l i s c bán nh lư ng mà không c n thêm thi t b o c nào khác. Như th , chúng có th ho t ng như b c m bi n công su t t do c a ho t ng nư c trong công nghi p hóa d u, th c phN d t, i n t và dư c phN nơi s nhi m m, m, nư c có th gây thi t h i v t ch t hay tài chính. Kĩ thu t nh giao thoa n i ng d ng S n phN m u tiên c a Smart Holograms – m t b c m bi n nh y N g i là H2No – ã m ư c phát tri n trong s h p tác v i nhà cung c p nhiên li u toàn c u Air BP. Ch ng 80 t lít nhiên li u máy bay ã ư c s d ng ch riêng nư c Mĩ năm 2006 và 42 tri u phép ki m tra ã ư c ti n hành i v i s nhi m nư c, thư ng trong nh ng i u ki n th i ti t c c . S nhi m nư c có th làm cho nhiên li u ông c cao l n, có th khóa các b l c v i nh ng h u qu tai h i ti m tàng. Nó thư ng ư c nh n ra b ng cách ti n hành m t phép th “rõ ràng và trong sáng” có ph n ch quan, trong ó bi u hi n th giác l m xác nh n s nhi m nư c vư t quá gi i h n có th ch p nh n là 30 ph n tri u (ppm). M t khác, d ng c c a Smart Holograms – m t ng tiêm c m tay ch a m t b c m bi n nh n i ư ng kính ch ng 1 cm – làm phát sinh t c th i m t ch th p d dàng nh n th y n u như n ng nư c c a nhiên li u n m trên gi i h n này. Công ti trên cũng ang làm vi c v i các công ti ánh bóng ki n trúc phát tri n m t b c m bi n N có th phát hi n xem nư c có l t vào gi a nh ng t m kính hay không do m i hàn m khi m khuy t hay b h ng. Ch ng 370 tri u ơn v l p ghép ôi ư c s n su t trên kh p th gi i m i năm, và nh ng khi m khuy t như th có th gây ra tiêu hao tài chính áng k ng th i làm gi m hi u su t năng lư ng c a công trình. Ngoài ra, chúng ta bi t trư c r ng polymer thông minh có th sơn, tráng hay phun nh ng l p m ng micron lên trên, ho c sáp nh p vào, m t vùng b m t hay ch t li u khác dùng trong công nghi p xây d ng. i u này s mang l i cho các nét ki n th c nh ng c trưng quang h c lí thú nh t nh, ví d như có kh năng làm thay i màu s c hay sáng, hay hi n th tin nh n h n h p hay hình nh v i nh ng tác nhân nh t nh. Ngoài giá tr thN m mĩ thu n túy, i u này có th giúp làm cho công trình an toàn hơn b i cho phép các ch t khí c hay nh ng h p ch t h u cơ d bay hơi ư c theo dõi, hay làm cho ti n nghi hơn b i c m nh n các thay i nhi t , N và s phơi sáng t ngo i. m Kh năng phát hi n s có m t c a các ion, ch t chuy n hóa và ho t ng enzym cũng khi n cho các b c m bi n nh giao thoa n i lí tư ng cho chN oán y khoa – nh t là cho vi c n theo dõi các ch t ánh d u theo dõi b nh bên trong máu. t o ra nh giao thoa n i nh y pH, ch ng h n, các cách t ghi bên trong hydrogel ch a các monomer cơ b n ho c có tính axit: s ion hóa các nhóm ch c c a monomer làm cho cách t dãn ra hay co l i là k t qu c a l c tĩnh i n và th m l c i u khi n hay tr c xu t các ion ngư c l i và nư c vào ho c ra kh i pha hydrogel. Chuy n ng này làm thay i kho ng cách vân c a nh giao thoa n i và gây ra bư c sóng dài hơn ho c ng n hơn ư c ch n cho ph n x . K t qu là bư c sóng nhi u x c a b c m bi n nh giao thoa n i ph thu c vào pH c a môi trư ng chính. 26 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Vòng tròn màu xanh trên b c m bi n H2No c a Smart Holograms bi n i sang ch th p màu n u như s nhi m nư c trong nhiên li u máy bay trên m c 30 ppm. Các nhà nghiên c u t i Cambridge m i ây ã phát tri n kĩ thu t nh giao thoa n i c m bi n cho ion kali và natri, v i m c tiêu chN oán tr c tr c th n và thư ng th n, b nh tiêu ch y và n cao huy t áp và còn theo dõi b nh nhân thN tách th n, li u pháp l i ni u hay ch a tr ti u g t. m i v i m c tiêu sau trên, polymer hydrogel ư c c i t o v i nh ng ch t nh n nh t nh g i là ether crown, hình thành nên nh ng ph c h p thu n ngh ch m nh m v i các ion kim lo i này trong dung d ch. Trong trư ng h p c a m t ch t nh n nh t nh, 18-crown-6, bư c sóng c a kxi thu t nh giao thoa n i ư c tìm th y t l thu n v i t p trung ion kali. Ngoài ra, b c m bi n h u như không b nh hư ng b i các bi n thiên sinh lí bình thư ng m c natri n n, nh ó làm n i b t ti m năng c a nó cho công d ng làm b c m bi n o kali trong máu. Nghiên c u 27 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
thêm cho th y kĩ thu t nh giao thoa n i có th dùng phát hi n các ion sinh lí khác, như calcium (Ca2+) và magnesium (Mg2+). Hi n nay, Smart Holograms ang phát tri n m t máy theo dõi glucose máu nh m h tr b nh nhân ái tháo ư ng theo dõi n ng glucose c a h . B nh ái tháo ư ng hi n nay hành h ch ng 6% dân s th gi i và s ca s tăng lên g p ôi vào năm 2025. a s b nh nhân hi n nay o n ng glucose trong máu c a h b ng m t d ng c cơ i n enzym dùng m t l n r i b , nhưng kĩ thu t nh giao thoa n i ba chi u ch t o t màng hydrogel ch a m t ma tr n polymer ư c c i t o v i m t ch t nh n glucose nh t nh (phenylboronic acid) mang l i m t ch n l a r hơn có th còn theo dõi n ng glucose m t cách liên t c. Nh ng nghiên c u ban u do các nhà nghiên c u Cambridge th c hi n cho th y bư c sóng c a kĩ thu t nh giao thoa n i c m bi n là hàm c a t p trung glucose qua vùng glucose sinh li bình thư ng. Smart Holograms hi n ang ư c lư ng hi u qu c a các kĩ thu t nh giao thoa n i c m bi n này trong môi trư ng sinh h c ph c t p, v i m c tiêu t o ra m t d ng c s cho phép b nh nhân t h ki m tra n ng glucose trong máu c a h . M t b c m bi n như th s ư c h p nh t vào m t ng thông ư ng ti u g n trong thích h p v i m t b c m bi n s i quang phát hi n s n lư ng, ch ng h n, ho c vào m t kính ti p xúc có th theo dõi liên t c n ng glucose trong d ch l c a m t. Nh ng phương pháp như th không òi h i i u ch nh thư ng xuyên và phép chN oán là liên t c, chính xác và ph n ng trong th i gian th c. n Kĩ thu t nh giao thoa n i thông minh ghi l i trong các polymer thi t k chuyên d ng thay i theo tác nhân lí, hóa hay sinh h c nh h p nh t v i các nhóm ch c hay nhóm ph n ng. Như v y, chính kĩ thu t nh giao thoa n i v a mang l i ma tr n polymer ph n ng v i m t kích thích hay ch t nh t nh mà ngư i ta mu n o, v a là phương ti n hình dung ra ph n ng ó. Ví d , nh giao thoa n i thông minh màu xanh lá cây phun ethanol mô t phép ki m tra n ng c n th lên ng th màu xanh dương khi polymer co l i. Các khung hình ch p v i kho ng th i gian 20 ms. Các nhà nghiên c u ã s d ng nh ng b c m bi n nh giao thoa n i tương t theo dõi s tan ra c a glucose trong s tăng trư ng c a sinh v t t t o bào t Bacillus subtilis - m t h 28 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
hàng g n gũi c a Bacillus anthracis, tác nhân gây b nh than và vì th là m t vũ khí sinh h c ti m tàng. Trong trư ng h p này, kĩ thu t nh giao thoa n i mang l i s thu n l i áng k so v i các b c m bi n g c enzyme truy n th ng s d ng ph n ng sinh hóa tr c ti p vì chúng không tiêu th glucose và vì th không làm gi m n ng ch t trong m u v t th tích nh , th có th mang l i k t qu không chính xác. Chúng ta hi n ang ư c nh ti m năng c a m t b c m bi n như m t h nh n d ng b nh than dùng cho d ch v c p c u sau m t s c kh ng b . Thông minh và an toàn Trong bài báo này ch có th tóm lư c m t s trong nh ng ng d ng ư c phát tri n nh t c a các b c m bi n nh giao thoa n i, nhưng ti m năng c a kĩ thu t nh giao thoa n i thông minh th t to l n. Ví d , kĩ thu t nh giao thoa n i thông minh có th cho phép các nhà nghiên c u ang tìm ki m nh ng lo i thu c m i ki m tra nhanh chóng nhanh chóng m t s lư ng l n các phân t ti m năng. Kĩ thu t ó còn có th giúp trong s phát tri n quy trình. Kĩ thu t nh giao thoa n i c m bi n ư c dùng theo dõi s n phN chuy n hóa c a nh ng s lên men vi khuN m n nh (c 30 nl), ví d , b ng cách theo dõi s th i r a c a s a b i Lactobacillus casei qua s thay i pH phát sinh trong quy trình lên men. Th t v y, nh ng b c m bi n như th có th dùng c nh báo ngư i tiêu dùng khi s a th t s b h ng mà không d a trên tem in ngày s d ng và vì th có th tr thành m t tiêu chuN ch t lư ng trong siêu th . n Hơn n a, th c t thì hình nh tr c quan t o ra b i kĩ thu t nh giao thoa n i thông minh có th làm cho xu t hi n hay bi n m t dư i tác nhân hóa hay sinh thích h p và vì th ư c s d ng hi n th s th hi n tr c quan c a phép cô phân tích – khi n cho chúng lí tư ng cho s d ng trong máy phân tích n ng c n hơi th , theo dõi tr ng thái tim và cho nhi u h th ng b o m t và óng gói “thông minh” a d ng. Smart Holograms v a tung ra m t lo t s n phN b o v nhãn m mác d a trên nh ng hình nh nét cao a thành ph n c c kì khó sao chép. Công ti này còn phát tri n “kĩ thu t nh giao thoa n i ki u h t” m i dùng cho m phN nư c sơn, m c in và l p tráng m, ngoài cho chơi, và theo dõi các ch t khí môi trư ng c h i, nơi yêu c u các b c m bi n chi m d ng di n tích l n. Kĩ thu t nh giao thoa n i c m bi n h u như không th o ngư c thi t k hay sao chép, là “linh ho t nh d ng” phù h p v i nhu c u cá nhân, không yêu c u ngu n c p i n, có th phóng to thu nh n b t kì kích thư c nào, có th c song song, và ư c ch t o b ng m t quy trình s n su t s n sàng tích h p vào các chu i cung c p hi n có. Như v y, trong th k 21, không gi ng như th k 24, chúng ta không ph i thêm m m d m mu i c t truy n v i nh ng c i m Star Trek màu mè ưa ra nh ng ng d ng m i i v i công ngh nh giao thoa n i. Công ngh ó gi ã s n sàng. T trưng bày đ n th trư ng: ngu n g c c a Smart Holograms Công ngh mà Smart Holograms ang phát tri n s n phN c a nó phát sinh vào cu i th p m niên 1990 trong nhóm nghiên c u c a m t trong hai tác gi hi n nay (CL) t i Vi n Công ngh Sinh h c t i i h c Cambridge Anh. Cùng v i nhà v t lí Roger Millington, CL hình thành nên ý tư ng khi ang nghiên c u các phương pháp m i không t ti n cho các b c m bi n quang 29 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
sinh h c, và khái ni m ư c trau chu t thêm b i m t nghiên c u sinh ti n sĩ khi ó là Jan Groves, nhà kĩ thu t nh giao thoa n i Jeff Blyth và nhà hóa sinh Andrew Mayes. Công trình ban u này ã thi t l p a s các khái ni m cơ s then ch t c a kĩ thu t nh giao thoa n i ph n ng nhanh ( ư c ghi nh n v i b n b ng phát minh), ng th i s ng h 25.000 b ng t trư ng i h c ã tài tr m t nghiên c u ban u ư c nh tính kh thi c a vi c thành l p m t công ti m i. Smart Holograms thành l p năm 2004 trên cơ s c a các ng d ng phát minh ư c ch p nh n và trình v i s tài tr t Qu thách th c trư ng i h c Cambridge (250.000 b ng), t ch c Sáng ki n nghiên c u kinh doanh nh i u hành b i y h i nghiên c u sinh h c và công ngh sinh h c (216.000 b ng) và qu tư b n m o hi m (5 tri u b ng). Ngày nay, công ti ó s d ng trên 40 nhân viên Cambridge, b o v tài s n trí tu c a nó v i ch ng 40 b ng phát minh ư c ch p nh n/ ang trình, và b y thương hi u ã trình, và ã kí h p tác phát tri n v i các nhà d n u n n công nghi p chip xanh. Công ngh c t lõi c a nó là kĩ thu t nh giao thoa n i “thông minh” thay i ph n ng v i tác nhân bên ngoài, có ng d ng trong công nghi p b o v nhãn mác, xác nh n và chăm sóc s c kh e. Th h s n phN m u tiên c a Smart Holograms (H2No) ư c thi t k phát hi n Nm trong nhiên li u máy bay. Nghiên c u ban u t i Vi n Công ngh Sinh h c Cambridge cho th y d u l a b nhi m bN nư c v i n ng n 100 ph n tri u (ppm) có th làm thay i màu s c nh giao thoa n i gelatin t xanh lá cây sang b i s phân chia nư c thành pha giao thoa n i và vì th làm dãn m t ph ng nhi u x Bragg và làm l ch bư c sóng chi u l i. 30 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Năm 2005, Smart Holograms thi t l p m t chương trình nghiên c u phát tri n v i s ng h c a công ti nhiên li u Air BP nh m t o ra phép th m u i m cho s nhi m nư c trong nhiên li u máy bay. H2No là b c m bi n nh giao thoa n i dùng m t l n phát ra d u “x” màu trên n n màu xanh lá cây khi n ng nư c t do trên 30 ppm. H th ng ó ư c b o v quy n phát minh, ư c ăng kí thương hi u và ã tr i qua th nghi m r ng rãi trong phòng thí nghi m và trong ngành t i m t vài a i m c a Air BP. Nhân t ch ch t ưa phép ki m nghi m ra th trư ng là thi t l p năng l c s n su t t i t h p Cambridge c a Smart Holograms có th t o ra 42 tri u hay ng n y ơn v th yêu c u hàng năm. Kĩ thu t nh giao thoa n i thông minh Kĩ thu t nh giao thoa n i, kĩ thu t ghi l i m u giao thoa quang h c, ư c s d ng r ng rãi làm khóa xác nh n và lưu tr d li u. a s nh giao thoa n i c nh trong m t ch t nh y quang, nhưng m i ây các nhà nghiên c u ã t o ra ư c nh giao thoa n i “thông minh” b ng cách t o ra chúng trong nh ng ch t như hydrogel nh y v i các i u ki n môi trư ng. Vì hydrogel có th dãn ra hay co l i ph n ng v i các tác nhân lí, hóa hay sinh nh t nh, nên kĩ thu t nh giao thoa thông minh có th ư c s d ng làm b c m bi n chN oán và thư ng có n công su t tr c quan rõ ràng. Smart Holograms – m t công ti spin-out t trư ng i h c Cambridge năm 2004 – v a tung ra s n phNm u tiên c a nó: b c m bi n có kh năng phát hi n nư c trong nhiên li u máy bay. M t trong nh ng th trư ng ti m năng l n nh t cho kĩ thu t nh giao thoa n i c m bi n là lĩnh v c chN oán y khoa, ví d như mang l i cho b nh nhân ái tháo ư ng m t máy theo dõi n ng n glucose trong máu ơn gi n và áng tin c y. Tài li u tham kh o J Blyth et al. 1999 A diffusion method for making silver bromide based holographic recording material Imaging Sci. J. 47 87–91 C R Lowe 1999 Chemoselective biosensors Curr. Opin. Chem. Biol. 3 106–111 C R Lowe 2007 Holographic sensors Handbook of Biosensors and Biochips (ed) R S Marks et al. (Wiley, Chichester) pp587–596 G Saxby 1994 Practical Holography (Prentice Hall, Englewood Cliffs) Smart Holograms Ltd: http://www.smartholograms.com/ Chris Lowe (Giám c Vi n Công ngh Sinh h c, i h c Cambridge, Anh) Cynthia Larbey (giám c i u hành c a Smart Holograms Ltd., Cambridge, Anh) Ngu n: Holography gets smart (Physics World, tháng 2/2008) hiepkhachquay d ch An Minh, ngày 10/03/2008, 22:35:06 31 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay