Významné výsledky

Výzkumný tým ÚFE řešil projekt TALOS financovaný Evropskou obrannou agenturou zaměřený na výkonový vláknový laser. Připravil thuliové optické vlákno, které bylo použito v koncovém zesilovači. Spolupracující tým z Varšavské vojenské akademie dosáhl s tímto vláknem výkonu 441 W při účinnosti přes 57 % na vlnové délce 2034 nm a 273 W při účinnosti přes 61 % na vlnové délce 1940 nm.

Tým Optické biosenzory studoval možnosti integrace optických a elektrochemických biosenzorických metod do jedné měřící platformy [1]. Tým navrhl a zkonstruoval unikátní vícekanálovou mikrofluidní elektrochemickou celu (MMEC), která umožňuje simultánní použití pro detekci chemických a biologických látek optickou metodou rezonance povrchových plasmonů (SPR) a metodami elektrochemie (EC). MMEC byla využita k simultánnímu multiplexovanému elektrochemickému monitoringu znečišťujících látek v říční vodě [2].

Tým Nano-optiky se věnoval mimo jiné vývoji mikroskopických technik superrozlišení bez použití značek, které překračují difrakční limit při zobrazování biologických systémů. Práce zdůrazňuje nové metody, jako je interferometrická detekce rozptýleného světla (iSCAT), koherentní Ramanův rozptyl a nelineární optické jevy. Tyto techniky nabízejí vysoké rozlišení bez potřeby fluorescenčních značek, což umožňuje dynamické a detailní zobrazování živých buněk.

Technologie pulzního elektrického pole (PEF) jsou široce používány, ale jejich elektrochemické oxidační molekulární účinky na proteiny zůstávají nejasné. Ukázali jsme, že prooxidanty podporují a antioxidanty snižují chemiluminiscenční signály generované PEF, které uvádějí rychlost oxidačních reakcí, z proteinových roztoků. Naše nedestruktivní chemiluminiscenční technika nabízí nový pohled na oxidační procesy vyvolané PEF a potenciální aplikace pro studium biomolekulárního poškození.

Tým Nanomateriálů se podílel na vývoji, přípravě a charakterizaci širokopásových polovodičových materiálů a struktur pro aplikace v senzorech plynů a detektorech hlubokého ultrafialového (UV) záření. Připravili jsme vrstvy oxidu gallitého [1] a vyvinuli unikátní postup pro miniaturizaci grafenových transparentních elektrod s využitím v detektorech UV záření [2]. Jako první jsme odhalili mechanismus detekce oxidujících a redukujících látek při nízkých teplotách v nanostrukturách oxidu gallitého [3].

Tým Optické biosenzory vyvinul novou metodu pro zkoumání souvislosti atypických glykosylací a progrese myelodysplastického syndromu (MDS). Tato metoda využívá biosensor s povrchovými plasmony pro zkoumání interakcí mezi lektiny na čipu a glykoproteiny v krevní plazmě MDS pacientů a zdravých jedinců. Dosažené výsledky ukazují, že změny v charakteristikách glykosylací korelují se stupněm progrese MDS a mohou tak sloužit pro zpřesnění diagnostiky MDS.

Tým Optické biosenzory vyvinul novou metodu, ve které byl poprvé použit „bezznačkový“ biosensor s povrchovými plasmony pro sledování indukovaného uvolňování léčiva z polymerních nanonosičů. Oproti standardně používaným přístupům (HPLC a kapilární elektroforéza), metoda má řadu výhod jako je kontinuální sledování uvolňovaného léčiva ve velkém časovém rozmezí (sekundy – hodiny) a bez nutnosti značení léčiva. Dále se jedná o univerzální metodu, která jako jediná byla schopná sledovat všechna léčiva.

Pro návrh výkonných vláknových thuliových laserů a zesilovačů jsou nezbytné detailní znalosti spektroskopických vlastností aktivního prostředí. Teplotním vlastnostem aktivních optických vláken byla celosvětově dosud věnována překvapivě malá pozornost, ač právě teplotní efekty omezují výstupní výkon laserových systémů. Členové týmu Vláknové lasery a nelineární optika změřili teplotně závislé absorpční a emisní účinné průřezy a vytvořili teplotně závislý model, který umožní provádět přesnější simulace a navrhnout účinnější chlazení thuliových vláknových laserů s vysokým výkonem. Práce vzbudila široký ohlas, který vedl k několika zvaným přednáškám a obzvláště ceněná je ta na konferenci Advanced Solid-State Lasers (ASSL), jedné z nejvýznamnějších konferencí zaměřených na laserové technologie.

Lidská kůže vytváří slabé světlo: endogenní chemiluminiscenci. Tým Bioelektrodynamiky vyvinul metodu, jak tuto luminiscenci měřit a její prostorové rozložení zobrazovat. Bylo ukázáno, jak obrazové a kinetické analýzy této luminiscence mohou sloužit jako zcela neinvazivní, bezkontaktní a okamžitá metoda pro monitorování oxidačních procesů, které často způsobují nebo provázejí různá onemocnění.

Tým Nanomateriálů se v mezinárodní spolupráci podílel na vývoji perspektivních amorfních a krystalických materiálů ve formě tenkých vrstev a nanostruktur pro aplikace ve fotovoltaice a v senzorech plynů a chemických látek. Jako první jsme ukázali, že morfologii a fyzikální vlastnosti amorfních uhlíkových vrstev lze ovlivňovat množstvím zabudovaného dusíku a představili jsme nový koncept pro dosažení vysoké úrovně dopování.

Tým Optické biosenzory se věnoval výzkumu biosenzorů s fotonickými nanostrukturami a jejich potenciálu pro uplatnění v biomedicíně (ref. 1). Tým dále analyzoval detekční účinnost tohoto typu biosenzorů a rozšířil často používaný, avšak nepřesný analytický model činitele detekční účinnosti fotonické nanostruktury (ref. 2). Nový model detekční účinnosti byl pro různé případy optických rezonancí ověřen jak pomocí numerických simulací, tak experimentálně.

Tým Bioelektrodynamiky vyvinul laboratorní mikroskopickou platformu pro studium účinků krátkých, silných elektrických pulzů na mikrotubuly, nanoskopické proteinové tubulární struktury klíčové pro buněčné dělení a vnitrobuněčný transport. Bylo zjištěno, že elektrické pulzy mohou překonat sílu, která váže mikrotubuly k jiným molekulám a umožnit jejich pohyb a zahuštění. Tyto výsledky rozšiřují dostupné nástroje pro manipulaci s nanoskopickými systémy a pomáhají pochopit, jak elektrické pulzy ovlivňují mikrotubuly.

Úplná kontrola nad šířením světla ve volném prostoru je hraničním cílem obecného zobrazovacího systému. Členové týmu Nanooptika představují fototermicky modulovanou optickou strukturu jako vysoce citlivý prostorový modulátor světla, který je schopen vytvářet libovolně tvarované vlnoplochy s možností hladkého i skokového průběhu. Teplotní profil indukující fázový posun v plazmonickém metamateriálu věrně kopíruje vzor intenzity osvětlujícího světla, čímž se vyhýbá běžným omezením rychlosti a prostorového gradientu.

Polovodičové přechody s grafenem mají aplikační potenciál v elektronických a optoelektronických součástkách, jako jsou solární články, senzory plynů a fotodetektory. Pro naplnění aplikačního potenciálu přechodů grafen-polovodič je klíčové pochopit mechanismy transportu elektrického náboje. Pro vysvětlení těchto mechanismů členové týmu Příprava a charakterizace nanomateriálů vyvinuli in-situ měřicí techniku v rastrovacím elektronovém mikroskopu, která umožňuje vyloučit vliv defektů v grafenu na elektrické charakteristiky přechodů s polovodiči.

Tým Vláknových laserů a nelineární optiky zjistil, že opakované tepelné zpracování materiálu při výrobě optických vláken může vést k degradaci luminiscenčních vlastností, zejména doby života, z důvodu změn struktury materiálu, což může vést ke zhoršení účinnosti vláknového laseru. Pro výrobu speciálních optických vláken je tedy nutná optimalizace tepelného zpracování a složení materiálu za účelem minimalizace popsaného jevu. Řešením se jeví např. zvýšení obsahu oxidu hlinitého Al2O3 nebo použití alternativních dopantů jako ZrO2.

Materiálové složení okolí aktivních iontů a interakce mezi nimi mají zásadní vliv na výsledné vlastnosti vláknových laserů. Vylepšení těchto vlastností se členové týmu Vláknové lasery věnovali prostřednictvím následujících přístupů: 1) teoretického popisu přenosu energie mezi ionty thulia, 2) eliminací OH skupin ve skelné matrici a 3) výzkumem stability a fluorescenčních vlastností nanočástic oxidu hlinitého dopovaných vzácnými zeminami. Výsledky práce tohoto týmu přispějí k lepšímu pochopení vlivu matrice na výkon laseru.

Přesné stanovení teploty je nezbytné v mnoha technologických a průmyslových procesech. V extrémních prostředích nelze pro měření teploty použít běžné senzory pracující na principu převodu teploty na změnu elektrické veličiny. Za těchto extrémních podmínek nacházejí uplatnění optické teplotní senzory, jejichž princip je založen na změně optického signálu se změnou teploty. Tým Nanomateriálů ve spolupráci s Ústavem struktury a mechaniky hornin vypracoval metodu přípravy telluričitých skel dopovaných ionty vzácných zemin, která umožňuje rozšířit měřicí rozsah až ke 4 K. [1,2].

Členové týmu Nanooptiky vyvinuli nový typ termooptického prostorového modulátoru světla pro kvantitativní zobrazování fáze pro pokročilé metody mikroskopie jako např. interferometrické detekci rozptýleného světla (iSCAT). Byla demonstrována účinná (fázový posuv > π) a rychlá modulace vlnoplochy (odezva 70 μs, teoretický limit <1 μs) bez difrakčních artefaktů. Aplikační potenciál modulátoru byl ověřen při experimentech s přesnou 3D lokalizací a rychlým trasováním mikrotubulů a jednotlivých proteinů.

Tým Bioelektrodynamiky vyvinul novou metodu pro monitorování stavu samo-skládání mikrotubulů (proteinových vláken buněčného skeletu), procesu klíčového pro život buňky a cíleného např. v léčbě rakoviny. Naše metoda je založena na širokopásmovém mikrovlnném mikrofluidickém čipu, který jsme vyvinuli, vyžaduje pouze malý objem vzorků a žádné chemické značení. Tento přístup překonává omezení jiných metod a otevírá novou cestu v mikrovlnné analytice v bionanotechnologických a biomedicínských aplikacích.

Tým Optických biosenzorů vyvinul novou analytickou metodu, která dokáže detekovat nukleové kyseliny ve vzorcích krevní plasmy rychle a s extrémní citlivostí. Metoda jako první využívá kontrolovaného uvolnění nanočástic z povrchu čipu pomocí speciálně navržených nukleových kyselin. Díky tomu umožňuje detekovat nukleové kyseliny v koncentracích nižších než 350 attomol/l, což představuje nejcitlivější způsob detekce nukleových kyselin dosažený pomocí bezznačkových optických biosenzorů.

Práce členů výzkumného týmu Nano-optika se zabývá novou metodu bezznačkového zobrazování strukturních změn makromolekul, kterou využívá k vysokorychlostnímu sledování dynamické nestability mikrotubul. Díky unikátním možnostem zobrazování fluktuací na úrovni pouhých několika molekul s milisekundovým časovým rozlišením dokázali vědci tohoto výzkumného týmu popsat sekvenci změn vedoucích ke zkracování a prodlužování buněčných organel, které ovlivňují mechanické děje v buňce včetně jejich pohybu nebo dělení.

Růst polovodičových nanostruktur z roztoků ve statických reaktorech je pro svou experimentální nenáročnost široce využívanou metodou s potenciálem využití v elektronice a optoelektronice. Tým Příprava a charakterizace nanomateriálů navrhnul litografické metody pro přesnou kontrolu nukleace nanostruktur a s pomocí teoretického modelování detailně popsal jejich růstové mechanismy a časovou závislost rychlosti růstu [1]. Výsledky umožňují připravovat nanostruktury s přesně definovanou morfologií a fyzikálními vlastnostmi pro specifické aplikace, jako jsou solární články, piezoelektrické nanogenerátory či UV fotodetektory.

Členové týmu Vláknové lasery a nelineární optika navrhli [1] a patentovali [2] nový typ difrakční mřížky, která se vyznačuje vysokou difrakční účinností v širokém spektrálním intervalu. Na rozdíl od konvenčních difrakčních mřížek nepotřebuje speciální profil vrypů, a proto se dá vyrobit litografickou cestou. Excelentní vlastnosti difrakční mřížky byly demonstrovány ve vláknovém laseru, který členové týmu jejím prostřednictvím ladili v rozsahu 1058-1640 nm [1]. Princip fungování mřížky byl vysvětlen v teoretické práci [3].

Mikrotubuly, proteinová vlákna buněčného skeletu, jsou klíčová v zásadních aktivitách živých buněk, například v buněčném dělení. Tým Bioelektrodynamiky vyvinul speciální čipová zařízení, která umožňují dodávat do buněk velmi krátké (nanosekundové) a intenzivní elektrické pulzy a zároveň buňky sledovat super-rozlišovacím mikroskopem. Vědci tohoto týmu rovněž ukázali, že tyto elektrické pulzy mají schopnost remodelovat mikrotubulární síť buňky. Tyto poznatky by mohli pomoci v léčbě nádorových onemocnění.

Tým Optických biosenzorů vyvinul ve spolupráci s vědci z Národního ústavu duševního zdraví biosensor pro studium biomolekulárních interakcí podílejících se na rozvoji Alzheimerovy choroby (ACH). V rámci tohoto výzkumu byly studovány a charakterizovány interakce mezi molekulami cypD, 17β-HSD10 a Aβ odehrávající se v mitochondriích. Na základě získaných informací byl navržen model simulující průběh těchto interakcí ve vybraných situacích (fyziologický stav, stavy asociované s ACH), který ukázal, že stavy asociované s ACH významně ovlivňují rovnováhu mezi biomolekulami v mitochondrii. Výsledky tohoto výzkumu přispěly k lepšímu pochopení biomolekulárních procesů odehrávajících se během vzniku a rozvoje ACH. Ve druhé části výzkumu byl vyvinut biosenzor pro citlivou detekci nového potenciálního biomarkeru pro včasnou diagnostiku ACH (komplex tau-Aβ) v mozkomíšním moku. Vyvinutý biosenzor umožní detekovat fyziologické koncentrace komplexu a lépe tak zhodnotit jeho potenciál pro diagnostiku ACH.