激光光镊的应用

http://www.microimage.com.cnpeanut(2010-07-28 13:07:39)

光镊捕获的粒子在几十纳米到几十微米,在这个尺度上,它提供了一种对宏观现象的微观机理的研究手段,特别是为研究对象从生物细胞到大分子的纳米生物学,提供了活体研究条件,比如激光光镊易于操纵细胞,可有效分离各种细胞器,并在基本不影响环境的情况下对捕获物进行无损活体操作。通过捕获和分离细胞,可了解细胞的诸多特性,如细胞间的粘附力、细胞膜弹性、细胞的应变能力及细胞的生理过程等,从而研究细胞的真实生理过程。
  捕获和牵引微粒
——捕获微粒是光镊最基本的功能,光镊在理论上可稳定捕获直径为几十纳米的粒子,而且目前微米量级的商品光镊装置已经问世。但纳米量级光镊装置比较复杂,涉及多路耦合、纳米精度操作及高分辩率图像处理等高新技术,目前还处于实验阶段。微粒一旦被光镊捕获,光束移动,微粒就会跟着移动。当光束移动速度在微粒的力学响应范围之内时,微粒也会随光束移动,移动速度一般在每秒数十微米以下。利用光镊技术研究玻色-爱因斯坦凝聚物,可将其输运至较以往更远的距离。最近因玻色-爱因斯坦凝聚物的研究成果而荣获诺贝尔物理学奖的沃尔夫冈·克特勒教授及其在麻省理工学院的同事,用波长为1064纳米的激光将凝聚物移动了近半米,而过去通常采用的磁学方法,只能将凝聚物移动很短的距离。
  研究细胞的应变能力
——细胞内部的应变能力在通常情况下很难用显微镜观察。而光镊可对活体细胞进行非侵入微观操纵,能够诱导细胞产生应变。例如光镊发出的近红外连续激光可诱导线虫发生应变,而且在不同激励条件下,线虫的应变各不相同。科学家研究了红细胞的运动,发现红细胞的自转及其转速与光镊激光源的能量呈线性递增关系,而含原虫的血样却未发现细胞的旋转或转速有所降低,有人在室温下磷酸盐缓冲液中红细胞的离解过程之后,阐述了非常态条件下细胞的离解机理。
  测量红细胞膜的弹性
——红细胞膜弹性是血液的生理功能指标,在测量红细胞膜弹性的技术中,双光镊法是最为直接、准确的方法。我国科技工作者利用方法设备相对简单、易于实现的单光镊法测量了正常红细胞和经不同浓度氧化苯砷处理的红细胞的膜弹性。结果显示,浓度与膜弹性间有明显线性关系,这与双光镊法的测量结果一致,从而证实了这种新方法的可行性和灵敏性。斯奥博达等科研人员将小球附着于血红细胞膜上一点,将这一点从样品池表面拉起,并用中性清洁剂灌注样品池,在溶解该点的脂质膜后,活跃的血红蛋白骨架露了出来,斯奥博达等就在没有复杂表面反应的情况下研究其特性。还有人把小球附着于细胞表面后,用光镊向外拉小球,使细胞膜突出细的尖足,这种方法用于研究细胞骨架元的重构,为艰难的细胞骨架研究打开了一道希望之门。
  促进细胞融合
——把光镊同激光微束(光刀)耦联起来,可实现激光诱导细胞融合。有人用此法研究了精子的游动,并对细胞有丝分裂中后期的染色体进行切割,深入研究了染色体的运动、分布和细胞内应力的作用及某些微重力效应,实现了染色体的精细切割、高效收集和植物原生质的融合。利用光镊捕获特定精子后,通过光穿孔送到卵周隙协助授精,结果证明紫外激光微束和光镊捕获结合可成功进行显微授精,为解决这一医学难题带来了曙光。当前最先进的转基因技术就是利用光镊和光刀将DNA导入细胞而实现基因转移,这种方法可节约大量资源、缩短转基因时间、提高成功率。
  对生物分子进行精细操作
——由于光镊径向尺寸很小,产生的势阱深度与布朗运动的能量相近,所以难以直接捕获长链大分子。日本学者使用双光镊法成功实现了基因分子的扭转、打结;我国科研工作者则用光镊解开了DNA的分子缠绕,深入研究了生物大分子的折叠构像,此法有望解开遗传物质同细胞骨架的缠绕。这些都为细胞内蛋白纤维相互作用等分子力学的研究开辟了新途径。

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