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激光微束与光钳系统及其在生物学中的应用

贾雅丽;郭周义;田振

  上世纪60年代,激光作为一种新型光源出现,它具有方向性好、亮度高、单色性好等多种独特而优良的光学性质,人们利用它的热效应,用显微光学系统将激光束聚焦,形成微米级的光斑作用于细胞靶体和细胞内容物.进行精细而巧妙的显微外科手术,这就是在生物领域上已成熟应用的激光微束技术。而近年来,激光的光辐射压力又不断地得到开发,即利用激光动量的改变产生的光辐射压来操纵生物粒子。最初,是美国学者Ashkin通过对单激光光束的强聚焦,形成三维光陷阱,成功实现粒子的捕获,建立了光钳技术的雏形,后来,这项技术在生物领域得到了广泛的发展。激光微束与光钳系统(The System of Laser Microbeam and Optical Tweezers)就是二者的结合产物。用两个不同参数的激光器,经耦合器导入显微镜物镜,并辅助一套观洲系统,就构成了该系统的最基本装置。目标生物粒子(细胞、细胞器、染色体、生物大分子等)的折射率大于外界介质的折射率时,光钳激光(TEM00模)穿过粒子发生折射,动量方向发生偏转,在横向和纵向分别产生一个强的梯度力场,形成三维光陷阱,粒子的偏转会引起轴线和垂直于轴线上回复力的产生,而将粒子束缚于光束焦点处。处于被控制状态的粒子,可以通过微束激光随意进行穿孔、切割、焊接、刻蚀、整形等加工。该项微操作加工系统会将细胞和生物大分子层次上部分复杂的研究工序变得简单化,诸如:外源基因导入、体外辅助受精、染色体的显微操纵、细胞融合、生物大分子的显微操纵等。与传统微加工系统相比较,本系统具有下列三大优点:1.无污染。目标生物粒子的微加工微操纵完全用光束来实现,避免了任何机械接触造成的污染。2.无损伤。利用光的穿透性,可以不损伤细胞活体状态而深入内部对胞内粒子进行温和操作。3.定位准确。通过调节光束聚焦点的位置,可使光束聚焦在目标粒子位置,直接对此粒子进行操作,避免了对其它部位的影响。这使得该系统迅速渗入到细胞工程、染色体工程和基因工程中,为单个细胞和单个分子层次上的许多课题研究提供了一个全新的实验环境。本文从激光的生物效应出发,简要阐述了激光微束与光钳系统的出现历程及其装置构造,系统分析了其作用原理,并介绍了其作为一新技术在生物工程中的应用状况,同时对其应用前景作一展望。……