Na našoj planeti ima mnogo stvorenja sa naprednijim čulima od ljudi. Kornjače mogu da osete Zemljino magnetno polje. Mantis škampi mogu otkriti polarizovano svetlo. Slonovi mogu da čuju mnogo niže frekvencije od ljudi. Leptiri mogu da percipiraju širi spektar boja, uključujući ultraljubičasto (UV) svetlo.
Inspirisan poboljšanim vizuelnim sistemom leptira Papilio kuthus, tim istraživača je razvio senzor za snimanje koji je sposoban da „vidi“ u UV opsegu nedostupnom ljudskim očima. Dizajn senzora koristi naslagane fotodiode i nanokristale perovskita (PNC) sposobne za snimanje različitih talasnih dužina u UV opsegu. Koristeći spektralne potpise biomedicinskih markera, kao što su aminokiseline, ova nova tehnologija snimanja je čak sposobna da razlikuje ćelije raka i normalne ćelije sa 99% pouzdanosti.
Ovo novo istraživanje, koje su vodili profesor elektrotehnike i računarstva Viktor Gruev i profesor bioinženjeringa Šuming Ni sa Univerziteta Ilinois Urbana-Champaign, nedavno je objavljeno u časopisu Science Advances.
„Inspiraciju smo dobili iz vizuelnog sistema leptira, koji su u stanju da percipiraju više regiona u UV spektru, i dizajnirali smo kameru koja replicira tu funkcionalnost“, kaže Gruev. „To smo uradili korišćenjem novih nanokristala perovskita, u kombinaciji sa tehnologijom snimanja silikona, a ova nova tehnologija kamere može detektovati više UV regiona.
UV svetlo je elektromagnetno zračenje sa talasnim dužinama kraćim od vidljive svetlosti (ali duže od rendgenskih zraka). Najviše smo upoznati sa UV zračenjem sunca i opasnostima koje ono predstavlja po ljudsko zdravlje. UV svetlo je kategorisano u tri različita regiona—UVA, UVB i UVC— na osnovu različitih opsega talasnih dužina. Pošto ljudi ne mogu da vide UV svetlost, teško je uhvatiti UV informacije, posebno uočavajući male razlike između svakog regiona.
Leptiri, međutim, mogu da vide ove male varijacije u UV spektru, kao što ljudi mogu da vide nijanse plave i zelene. Gruev primećuje: „Intrigantno mi je kako su oni u stanju da vide te male varijacije. UV svetlo je neverovatno teško uhvatiti, jednostavno ga sve apsorbuje, a leptiri su to uspeli da urade izuzetno dobro.“
Ljudi imaju trihromatski vid sa tri fotoreceptora, gde svaka boja koja se percipira može biti napravljena od kombinacije crvene, zelene i plave. Leptiri, međutim, imaju složene oči, sa šest (ili više) klasa fotoreceptora sa različitom spektralnom osetljivošću. Konkretno, Papilio kuthus, žuti, azijski leptir lastin rep, ima ne samo plave, zelene i crvene, već i ljubičaste, ultraljubičaste i širokopojasne receptore. Dalje, leptiri imaju fluorescentne pigmente koji im omogućavaju da pretvore UV svetlost u vidljivu svetlost koju onda mogu lako osetiti njihovi fotoreceptori. Ovo im omogućava da uoče širi spektar boja i detalja u svom okruženju.
Pored povećanog broja fotoreceptora, leptiri takođe pokazuju jedinstvenu slojevitu strukturu u svojim fotoreceptorima. Da bi ponovio mehanizam UV senzora leptira Papilio kuthus, tim UIUC-a je emulirao proces kombinovanjem tankog sloja PNC-a sa višeslojnim nizom silicijumskih fotodioda.
PNC su klasa poluprovodničkih nanokristala koji pokazuju jedinstvena svojstva slična kvantnim tačkama — promena veličine i sastava čestice menja svojstva apsorpcije i emisije materijala. U poslednjih nekoliko godina, PNC-ovi su se pojavili kao zanimljiv materijal za različite primene senzora, kao što su solarne ćelije i LED diode. PNC-ovi su izuzetno dobri u otkrivanju UV (pa čak i nižih) talasnih dužina za razliku od tradicionalnih silicijumskih detektora. U novom slikovnom senzoru, PNC sloj je u stanju da apsorbuje UV fotone i ponovo emituje svetlost u vidljivom (zelenom) spektru koju zatim detektuju višeslojne silicijumske fotodiode. Obrada ovih signala omogućava mapiranje i identifikaciju UV potpisa.
Postoje različiti biomedicinski markeri prisutni u kancerogenim tkivima u većim koncentracijama nego u zdravim tkivima — aminokiseline (građevinski blokovi proteina), proteini i enzimi. Kada su uzbuđeni UV svetlom, ovi markeri svetle i fluoresciraju u UV i delu vidljivog spektra, u procesu koji se naziva autofluorescencija. „Snimanje u UV regionu je ograničeno i rekao bih da je to bila najveća prepreka za naučni napredak“, objašnjava Nie. „Sada smo smislili ovu tehnologiju gde možemo da slikamo UV svetlo sa visokom osetljivošću i takođe možemo da razlikujemo male razlike u talasnim dužinama.“
Pošto kancer i zdrave ćelije imaju različite koncentracije markera i stoga različite spektralne potpise, dve klase ćelija se mogu razlikovati na osnovu njihove fluorescencije u UV spektru. Tim je procenio njihov uređaj za snimanje na osnovu njegove sposobnosti da razlikuje markere vezane za rak i otkrio da je sposoban da razlikuje rak i zdrave ćelije sa 99% pouzdanosti.
Gruev, Nie i njihov saradnički istraživački tim predviđaju da mogu da koriste ovaj senzor tokom operacije. Jedan od najvećih izazova je znati koliko tkiva treba ukloniti da bi se osigurale jasne ivice, a takav senzor može pomoći da se olakša proces donošenja odluka kada hirurg uklanja tumor raka.
„Ova nova tehnologija snimanja nam omogućava da razlikujemo kancerogene od zdravih ćelija i otvara nove i uzbudljive aplikacije koje ne spadaju samo u zdravlje“, kaže Nie. Postoje mnoge druge vrste osim leptira koje su sposobne da vide u UV zračenju, a postojanje načina da detektuje tu svetlost pružiće zanimljive prilike biolozima da saznaju više o ovim vrstama, kao što su njihove navike u lovu i parenju. Dovođenje senzora pod vodu takođe može pomoći u boljem razumevanju tog okruženja. Iako se voda apsorbuje mnogo UV zračenja, još uvek ima dovoljno toga da prođe da ima uticaj, a pod vodom ima mnogo životinja koje takođe vide i koriste UV svetlo.
