1、第七章：光学生物操控技术,主讲教师： 钱 骏 教 授 Email: Tel: 0571-88206516-215/13505815872/ 636278 Homepage： http:/ 通过聚焦光束无损地抓住生物细胞，使它保持不动，移动它或者拉伸它。 一束光使卵子保持原地不动，另一束光移动精子使卵子受精。 在细胞上钻孔，注入用于操控细胞内活动的分子。但细胞膜不会受到永久的创伤，因为它在短时间内就会自动愈合。,提纲：,7.1 激光光镊 基本原理 光学系统 生物医学应用 7.2 激光光刀,7.1 激光光镊-基本原理,光镊光学镊子，顾名思义是一种利用光物理性质实现的工具。具有传统的机械镊子可夹持
2、，操纵微小物体的功能，故称为光镊或光钳。光镊适用于原子、大分子、几十纳米尺度的绝缘小球等微粒，也适用于病毒、活体细胞、细胞器等生物微粒。,最早将光镊应用于生物领域的是贝尔实验室的Ashkin等人（1987）。国内从事光镊研究的主要有中科大的李银妹教授等。,光镊用于生物医学的优点：,不会对被捕获的生物样品造成机械损伤； 不干扰生物样品周围环境和它们的正常生命活动，亦可实现无菌操作； 可实现生物样品间微小相互作用力的实时测量。,用几何光学理论分析激光光镊的原理,光镊的产生是基于由光动量改变而产生的作用力。有了激光，就可以使这一作用力足够大，从而使得微粒能被加速、减速、偏移，使微粒被引导甚至被捕获。
3、用几何光学（射线光学模型）可以很好的解释大颗粒的捕获。如果在光跨越两种折射率不同的介质的临界面时，光的方向发生变化，它的动量也随之改变。根据动量守恒原理，光子的初末动量的变化量被转移到了微粒上。这样就有一个力作用在微粒上。力的大小为：,其中：,X-Y方向光学势阱,高斯光斑，均匀照射,高斯光斑，非均匀照射,前提：小球折射率大于周围介质的折射率，且尺度大于激光波长,梯度力和散射力,Z方向光学势阱,聚焦点在小球内,聚焦点在小球外,通过光散射力、重力、浮力等合力作用，以保持平衡,7.1 激光光镊-光学系统,显微系统：倒置显微镜，正置显微镜均可，但一般以前者居多。,激光光源： 模式选择：单模高斯光斑，有
4、利于形成梯度力 工作方式：连续或准连续(如高重复频率脉冲激光器)输出 波长选择：避开操控样品的光吸收峰，以避免光热损伤；尽可能避免用可见光，防止漫反射造成的杂散光充满整个视场，给观察造成困难 功率要求：输出功率稳定的小功率激光器即可：几mW-几十mW的功率能产生几十pN-几百pN的力,常用的激光光源有：1064 nm CW YAG激光器、钛宝石CW/fs激光器、HeNe激光器、近红外波段（700-900nm）的LD等。,聚焦物镜：具有高数值孔径，能获得更紧凑的聚焦光束，从而生成更强的梯度力。典型的参数如下：NA 1.251.40，放大倍率 40100，油镜。缺点：工作距离短，正置显微镜不利于细
5、胞等生物样品的操作,操作阱台：XYZ三维操作台，操作精度：微米、亚微米量级。如需进行更精密测试，则需相应提高机械操作精度。,动态显示：二色镜分离白光与操纵激光；CCD需成像质量好、速度快、灵敏度高等。缺点：视野与物镜的放大倍率（光镊的操纵能力）成反比。,7.1 激光光镊-生物医学应用,DNA分子操控：,Perkins, 1995,Hirano, 2002,蛋白质-蛋白质相互作用：,Stout，2001,体外受精：,相比波长为800 nm的激光，760 nm的光对精子会造成更大的伤害。 Knig, 1995,Clement-Sengewald，1997,活体动物细胞捕获：,单个红细胞捕获,多个红
6、细胞捕获造成血管堵塞,非接触手术式的血管疏通,李银妹等 自然通讯 2013,近年来光镊的新技术,全息光镊 近场光镊 自旋光镊 涡旋光镊,7.2 激光光刀,脉冲光经高数值孔径的物镜聚焦,在极小的斑点处产生非常高的光子密度,细胞或组织结构发生光化学分解,光烧蚀/光熔接,暂态的孔/细胞融合,光致基因转染：,细胞用光刀钻孔后PI染料能染色,上：细胞被光刀钻孔10s后再加PI染料，不能染色下：先加PI染料，再用光刀在细胞上钻孔，能染色,1554 nm fs laser 20MHz 100mW,加入绿色荧光蛋白(GFP)的基因质粒，再用光刀在细胞上钻孔，细胞能表达出GFP(24h后)。,Optics Letters, 33, 2961, 2008.,光致细胞融合：,1554 nm fs laser 20MHz 100mW，照射10s,Appl. Phys. Lett. 93, 163901 2008,1.5h,4h,3h,钙离子染料示踪,8h,4h,2h,利用PI染料测试融合后的细胞的毒性,End,
