Orientador: Carlos Lenz Cesar / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-22T08:41:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Thomaz_AndreAlexandrede_D.pdf: 9291787 bytes, checksum: 9554ec1cfb5b3952506ff59b61aec5f9 (MD5) Previous issue date: 2013 / Resumo: A comunidade científica concorda que há grandes chances que a próxima revolução tecnológica virá do controle dos processos biológicos. Grandes mudanças são esperadas, desde como produzimos alimentos até como combatemos as doenças. O controle dos processos biológicos nos permitirá produzir carne sintética para alimentação, produzir biocombustíveis retirando CO2 da atmosfera, produzir órgãos inteiros para transplante e combater de forma eficiente doenças como câncer, por exemplo. Está claro para o nosso grupo que para se obter esses resultados é necessário entender a biologia na sua unidade mais básica: a célula. A partir do entendimento e domínio das reações químicas que acontecem dentro da célula, e mais especificamente do controle do DNA, é que vamos conseguir atingir essas previsões e revolucionar a maneira como vivemos hoje. Com esse pensamento em mente, o objetivo dessa tese foi desenvolver uma plataforma fotônica integrada para estudos de processos celulares. Nós acreditamos que as ferramentas fotônicas são as ferramentas que preenchem todos os requisitos para os estudos de processos celulares, pois possibilitam o acompanhamento dos processos em tempo real sem causar dano as células. As técnicas presentes são: fluorescência excitada por 1 ou 2 fotons, geração de segundo ou terceiro harmônico, pinças ópticas, imagem por tempo de vida da fluorescência e "fluorescence correlation spectroscopy" (FCS). Nesta tese demonstramos como montar essa plataforma integrada e mostramos sua versatilidade com resultados em várias áreas da biologia e também para o estudo de quantum dots. / Abstract: The scientific community believes there is a great chance that the next technological revolution is coming from the control of biological processes. Great changes are expected, from the way we produce food up to the way we fight diseases. The control of biological processes will allow us to produce synthetic meat as food, to produce biofuels extracting CO2 directly from the atmosphere, to produce whole synthetic organs for transplant and to fight diseases, like cancer, in more efficient ways. It is clear to our group that in order to obtain these results it is necessary to understand biology from its most basic unity: the cell. Only from understanding and controlling chemical reactions inside a cell, and more specifically from the DNA controlling, it will be possible to achieve these predictions and cause a revolution in the way we live nowadays. Bearing these thoughts in mind, the objective of this thesis was to develop an integrated photonic platform for study of cellular processes. We believe that photonic tools are the only tools that fulfill all the requeriments for studies of cellular processes because they are capable to follow processes in real time without any damage to the cells. The techniques integrated are: 1 or 2 photon excited fluorescence, second or third harmonic generation, optical tweezers, fluorescence lifetime imaging and fluorescence correlation spectroscopy. In this thesis we demonstraded how to assemble this integrated plataform and we showed its versatility with results from different areas of biology and quantum dots. / Doutorado / Física / Doutor em Ciências

In this study we demonstrate the use of third harmonic (TH) and second harmonic (SH) generation in imaging dental sections. Teeth are the hardest and most indestructible part in human body. The TH and SH greatly facilitate observation of porous structures and collagen within the dental sections, respectively. Strong SH has been found on various biological specimens, such as collagen, potato starch, and skeletal muscles. These materials all possess periodical nano-structures that are often referred as (nonlinear) bio-photonic structures. In particular, collagen is an extra-cellular structural protein and is a major component of bone, cartilage, skin, and other tissues. Collagen fibrils have a triple-helical structure and it is believed that this structure enables collagen to generate SH signal from a wide range of wavelengths in the infrared region. For comparison, microtubule structures within dentin, due to its large index mismatch with surrounding, can be clearly seen with THG imaging. The THG also facilitate observation of prismatic structures in enamel. The successful construction of a multi-photon laser scanning microscope that can operate in both reflection and transmission modes is the key for this study. A femtosecond, sync-pumped optical parametric oscillator (OPO) is used to generate second and third harmonics from dental sections. Dental sections have large index of refraction¡]n~1.68¡^and scatter visible light severely. The employment of excitation wavelength at 1260 nm greatly reduces scattering and absorption within the sample. Its corresponding SH and TH wavelengths are at 630 nm and 420 nm, respectively. Additionally, 3-D structural views are also reconstructed from the optically sectioned images by the use of specialized 3D image processing software.

Orientador: Carlos Lenz Cesar / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin / Made available in DSpace on 2018-08-11T10:58:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Thomaz_AndreAlexandrede_M.pdf: 10062018 bytes, checksum: 1e19c55cb5a4e709c2015e2d90f3ac13 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: A pesquisa em fotônica biomedica está claramente tomando a direção do entendimento de processos biológicos a nível celular. A resolução necessária para atingir esse objetivo requer praticamente ferramentas fotônicas. Contudo, uma integração de diferentes ferramentes fotônicas e uma aproximação funcional serão necessárias para acessar os processos biomecânicos e bioquímicos celulares. Deste modo nós podemos observar eventos bioquímicos disparados mecanicamente ou eventos mecânicos disparados bioquimicamente, ou até mesmo observar simultâneamente eventos biomecânicos e bioquímicos disparados por outros meios, entre outros, eletricamente. Uma das grandes vantagens das ferramentas fotônicas é a sua facilidade de integração. Nós desenvolvemos uma ferramenta integrada incorporando pinça óptica simples com Microscopia Confocal "Single-photon" e Multifóton. O sistema consegue realizar microscopias de fluorescência excitada pela absorção de dois fótons e geração de segundo harmônico em conjunto com manipulações ópticas. Medidas de força, elasticidade e viscosidade de membranes esticadas podem ser monitoradas em tempo real pelas microscopias confocais, bem como protozoários capturados opticamente, como, por exemplo, Trypanosoma cruzi. Nós mostraremos vários exemplos do uso de tal ferramenta integrada e seu potencial para observar processos mecânicos e bioquímicos a nível celular / Abstract: The research in biomedical photonics is clearly evolving in the direction of the understanding of biological processes at the cell level. The spatial resolution to accomplish this task practically requires photonics tools. However, an integration of different photonic tools and a multimodal and functional approach will be necessary to access the mechanical and biochemical cell processes. This way we can observe mechanicaly triggered biochemical events or biochemicaly triggered mechanical events, or even observe simultaneously mechanical and biochemical events triggered by other means, e.g. electricaly. One great advantage of the photonic tools is its easiness for integration. Therefore, we developed such integrated tool by incorporating single Optical Tweezers with Confocal Single and Multiphoton Microscopies. This system can perform 2-photon excited fluorescence and Second Harmonic Generation microscopies together with optical manipulations. Force, elasticity and viscosity measurements of stretched membranes can be followed by real time confocal microscopies. Also opticaly trapped living protozoas, such as Trypanosoma cruzi. Integration with CARS microscopy is under way. We will show several examples of the use of such integrated instrument and its potential to observe mechanical and biochemical processes at cell level / Mestrado / Física / Mestre em Física

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