一种与光镊结合的显微拉曼光谱技术

论述了一种与光镊结合的显微拉曼光谱即"光镊-显微拉曼光谱"系统的构建方案。给出了利用该系统测得的活细胞(大白鼠血细胞,酵母细胞)的微区拉曼光谱,并将红外光镊束缚下的Ar+激光激发的血细胞的拉曼光谱,与用单一Ar+激光光镊束缚并同时激发的血细胞拉曼光谱,以及血细胞直接贴在基底上的拉曼光谱进行了分析对比。实验表明,前者比后两种实验方案的血细胞拉曼光谱信号有显著提高。分析了红外1064 nm光镊激光和可见514.5 nm Ar+激光对活细胞的损伤效应,发现高功率的红外激光对细胞的损伤作用远小于低功率的Ar+激光。并将该系统应用于碳纳米管材料分析,获得了单壁碳纳米管的拉曼光谱。     

人肝癌组织细胞的激光光镊拉曼光谱研究

激光光镊与拉曼光谱相结合形成的激光光镊拉曼光谱系统(LTRS)已用于分析生物组织标本,可对单个活细胞进行操控和光谱收集。从拉曼光谱特征峰位置、强度和线宽可得到有关细胞的组成、结构及细胞内物质相互作用的信息。文章应用LTRS系统,分析了来自人的恶性肝癌组织的不同病变部位标本,包括肝癌组织细胞、肝癌癌旁细胞和远离肝癌组织的肝脏正常的组织细胞,观察到了随肝癌的病变部位变化所出现的一些有趣的拉曼光谱峰的变化。正常的肝组织细胞在1 070和1 266 cm-1处的峰很明显,而肝癌和肝癌癌旁组织细胞的这两个峰则不明显,肝正常组织细胞的1 445 cm-1峰明显高于肝癌和肝癌癌旁组织细胞。已知1 070 cm-1峰代表脂类和核酸,1 266和1 445 cm-1峰代表脂类和蛋白。引起这些峰变化的物质很可能参与了肝癌的发生。上述初步研究结果表明：单细胞激光光镊拉曼光谱可以区分肝癌的不同病变部位,将是检测和分析肝癌组织标本的一种很好的方法。     

心肌梗死患者红细胞的光镊拉曼光谱

利用激光光镊拉曼光谱系统,测定了健康者红细胞和心肌梗死患者的红细胞拉曼光谱,研究其拉曼光谱之间存在的差异性,探讨其红细胞内容物的改变情况及其变化机理,为疾病的诊断提供一种新的、快速简便的光谱分析手段,为临床诊断提供有力的实验依据.     

单个大鼠胎肝干细胞的激光光镊喇曼光谱

激光光镊喇曼光谱系统是将激光光镊与喇曼光谱相结合的一项光学技术,可以在接近自然的生理状态下研究单个生物细胞的识别及其构成成分的检测.本文采用胶原酶消化法,分离10~21天不同孕期大鼠的胎肝干细胞和成体大鼠的肝实质细胞,应用激光光镊喇曼光谱技术检测分离到单个胎肝干细胞和肝实质细胞,以及WB-F344大鼠肝干细胞系细胞,并比较了胎肝干细胞和肝实质细胞的喇曼光谱.结果发现,13天以前孕大鼠胎肝干细胞在1 336cm-1(代表多聚核苷酸链(嘌呤))和1 446cm-1(代表蛋白的弯曲模型)处的峰依次增高,13天孕大鼠胎肝干细胞在1 336cm-1和1 446cm-1处的平均峰值最高,14天以后逐渐降低.结果表明激光光镊喇曼光谱系统可以鉴别不同孕期的胎肝细胞和成体肝实质细胞,分析胎肝干细胞的分化机理,为临床应用肝干细胞治疗奠立基础.     

拉曼光谱测定单个细菌芽孢吡啶二羧酸浓度及机理研究

应用激光镊子拉曼光谱技术(LTRS)测定19株芽孢杆菌的单个细菌芽孢吡啶二羧酸(DPA)浓度,并验证了系统的重现性。一束30 mW,785 nm的近红外激光导入倒置显微镜,形成光镊,随机俘获水溶液中的单个芽孢,同时收集其拉曼光谱信号。细菌芽孢的DPA是以与钙离子形成的鳌合物(Ca-DPA)形式存在,收集到的芽孢拉曼光谱信号反映的是Ca-DPA信息,选用信号最强、与Ca-DPA浓度成线性关系的1 017 cm-1作为其定量的谱峰。通过1 017 cm-1的峰强,推算出Ca-DPA的浓度。结果显示,单个芽孢的拉曼光谱能够很好地反映出单个芽孢的特征信息,不同种、同种不同菌株之间的芽孢的DPA浓度有所不同,同一菌株的不同芽孢个体之间DPA浓度也存在差异。该方法不需要复杂的分离、纯化过程,可在水溶液中直接俘获单个芽孢并收集其拉曼光谱信号,便可得到单个芽孢的信息,读出DPA的浓度水平。     

单细胞拉曼光谱研究游离脂肪酸对NIT-1胰岛β细胞生理的影响

运用激光镊子拉曼光谱技术探讨高浓度游离脂肪酸对NIT-1胰岛β细胞生理的影响。实验组细胞以含0.25mmol/L棕榈酸培养12,24,48h,平行对照组中不含任何脂肪酸。通过扫描形式收集各组细胞的拉曼光谱后,使用Hoechs33342/PI荧光染色保留活细胞的光谱,并在OriginPro 8.0系统中比较各组平均光谱的差异。结果显示对照组间的拉曼光谱无明显差异;高脂组光谱在780、1124、1092cm-1及1172cm-1发生拉曼位移,且780、1172、855cm-1及873cm-1峰值强度降低。这些变化的光谱峰在分子归属上指认为细胞内DNA和蛋白质。由此推断高浓度游离脂肪诱导NIT-1细胞损伤在光谱表现为细胞内DNA及蛋白质的结构、含量改变,且该变化与细胞的凋亡有着密切联系。在实验中激光光镊拉曼系统对观察细胞早期损伤有着积极作用。     

拉曼光谱技术的应用及研究进展

本文简述了拉曼光谱产生的机理以及与红外光谱的区别,讨论了拉曼光谱在聚合物、生物分子、蛋白质和无机物等方面研究及应用,介绍了傅立叶变换拉曼、共焦显微拉曼、表面增强激光拉曼、固体光声拉曼光谱的原理及其应用以及拉曼光谱和其他检测手段的联用技术。     

非正常形态红细胞对拉曼光谱判别的影响

血红细胞对环境敏感,细胞形态很容易发生改变,皱缩甚至形成棘形。文章应用光镊拉曼光谱技术俘获、收集来自健康个体和地中海贫血患者的正常形态、一般皱缩和棘形红细胞的拉曼光谱,从平均光谱、主成分分析等方法分析不同形态红细胞的光谱差异与胞内Hb的变化,及其对光谱诊断分析的影响。结果发现,在正常的生理环境下,红细胞发生皱缩甚至形成棘形细胞并不影响光谱判别分析。     

阵列光镊的发展与应用

在生命科学研究中和在微量液体环境下分离液体中的细胞、生物大分子或胶体颗粒一直是一项具有挑战性的工作。"光镊"技术自20世纪80年代被提出到现在,在生命科学研究领域已经得到了日益广泛的运用。激光对细胞捕获的作用已得到进一步扩展,二维"光镊阵列"技术是近年来"光镊"技术中最重要的发展之一。讨论了阵列光镊的发展现状及基本原理,分析了它在生命科学中的应用,并对其发展趋势进行了展望。     

光镊技术在气溶胶物理化学表征中的应用

有机气溶胶的热/动力学研究是多学科交叉的前沿研究领域,其核心问题主要是非理想混合包括挥发性、液-液相分离、非平衡传质动力学等,精确测量这些过程相关理化参数是目前研究的瓶颈。光镊系统可以悬浮气溶胶单颗粒,获得高信噪比受激拉曼光谱,在研究气溶胶物理化学性质与其大气效应中具有独到优势。被广泛用于有机及其与无机混合体系气溶胶的吸湿性、挥发性、水传质动力学、液-液相分离过程研究中。本文综述了激光悬浮气溶胶单颗粒技术的研究进展,主要包括光镊技术的原理和技术手段,以及在气溶胶关键物理化学参数测量中的应用。通过光镊系统,一方面可以获得重要理化参数的精确结果,另一方面可以对实际环境中悬浮液滴的状态进行模拟测量,从而为大气科学的研究与污染治理提供重要支撑。     

Near-infrared Raman spectroscopy of single optically trapped biological cells

We report on the development and testing of a compact laser tweezers Raman spectroscopy (LTRS) system. The system combines optical trapping and near-infrared Raman spectroscopy for manipulation and identification of single biological cells in solution. A low-power diode laser at 785 nm was used for both trapping and excitation for Raman spectroscopy of the suspended microscopic particles. The design of the LTRS system provides high sensitivity and permits real-time spectroscopic measurements of the biological sample. The system was calibrated by use of polystyrene microbeads and tested on living blood cells and on both living and dead yeast cells. As expected, different images and Raman spectra were observed for the different cells. The LTRS system may provide a valuable tool for the study of fundamental cellular processes and the diagnosis of cellular disorders.     

单细胞拉曼光谱结合多元统计方法分析不同酿酒酵母菌株的成分差异

应用单细胞拉曼光谱技术结合多元统计方法分析比较了六株不同来源的酿酒酵母菌株的同步化细胞,从而获知菌株间细胞成分的差异.利用连续密度梯度离心法分离酿酒酵母同步化细胞,分别对六个酵母菌株的同步化单细胞进行拉曼信号收集,并结合主成分分析(PCA)、辨别函数分析(DFA)两种多元统计分析光谱差异.结果表明,细胞的拉曼光谱表征其...     

南极海洋芳香烃低温降解微生物的拉曼光谱分析

激光镊子拉曼光谱技术可以实现在自然状态下对单个细胞或细胞器较长时间的观察研究.应用激光镊子拉曼光谱技术实时观察南极微生物低温降解芳香烃过程中单个南极细菌的细胞生长和胞内生物大分子的动态变化过程,收集、分析其拉曼光谱,结果发现:单细胞的拉曼光谱反映了其细胞内部的生命物质组成,南极动球菌 NJ41 和希瓦氏菌 NJ49 生...     

Raman sorting and identification of single living micro-organisms with optical tweezers

We report on a novel technique for sorting and identification of single biological cells and food-borne bacteria based on laser tweezers and Raman spectroscopy (LTRS). With this technique, biological cells of different physiological states in a sample chamber were identified by their Raman spectral signatures and then they were selectively manipulated into a clean collection chamber with optical tweezers through a microchannel. As an example, we sorted the live and dead yeast cells into the collection chamber and validated this with a standard staining technique. We also demonstrated that bacteria existing in spoiled foods could be discriminated from a variety of food particles based on their characteristic Raman spectra and then isolated with laser manipulation. This label-free LTRS sorting technique may find broad applications in microbiology and rapid examination of food-borne diseases.     

单个鼻咽癌细胞的拉曼光谱分析的研究

利用激光镊子拉曼光谱系统研究了鼻咽癌细胞株和正常人鼻咽部气道上皮细胞株的单个细胞的拉曼光谱,对于每个细胞在不同部位测3个点。结果显示：正常细胞和癌细胞的平均拉曼光谱有显著差异：正常的细胞光谱强度比癌细胞的明显要高;正常细胞的1304和1336 cm-1处峰的强度比值为1.05,癌细胞的为1.22。用PCA主成分分析和DFA判别分析分别对单个细胞的平均光谱和不同位置所取得的单独光谱进行分析,结果发现：PCA和DFA均可以把癌细胞和正常细胞正确区分,对于单独光谱,DFA的效果更好一些。同时还发现同一个细胞中不同的光谱位置对PCA和DFA的区分度影响不是很大;PCA和DFA的图中还表明癌细胞的均匀度要比正常细胞的差。以上的研究均表明：激光镊子拉曼光谱可以成为区别正常鼻咽细胞和鼻咽癌细胞的有效手段。     

单个血小板的拉曼光谱分析

利用波长为785 nm的激光束构建光镊拉曼光谱系统,俘获悬浮在生理盐水中的人和三种动物(家猪、大鼠、家兔)的单个血小板,激发并收集其拉曼光谱。单个血小板的平均拉曼光谱信号清楚地反映了血小板的生化组成特点,人血小板的拉曼光谱与三种动物的明显不同,1 524 cm-1是人类血小板所特有的拉曼信号峰,而1 157 cm-1在人类中显著高于三种动物的,人类血小板的平均I_{1 157}/ I_{1 003}为0.795,而家猪、大鼠、家兔的分别为0.532,0.502,0.485。多元统计分析结果显示,不同物种血小板的拉曼信号落入不同的空间,可以判别区分。上述结果表明,单个血小板的拉曼光谱基本反映了血小板的主要组成成分,结合多元统计分析可以用于辨别不同的物种的血小板,光镊拉曼光谱系统是实时研究细胞生理、生化变化的快速简便而有效的工具。     

Multiple-trap laser tweezers Raman spectroscopy for simultaneous monitoring of the biological dynamics of multiple individual cells

We report the development of a multiple-trap laser tweezers Raman spectroscopy (LTRS) array for simultaneously acquiring Raman spectra of individual cells in physiological environments. This LTRS-array technique was also combined with phase contrast and fluorescence microscopy, allowing measurement of Raman spectra, refractility, and fluorescence images of individual cells with a temporal resolution of ~5 s. As a demonstration, we used this technique to monitor multiple Bacillus cereus spores germinating in a nutrient medium for up to 90min and observed the kinetics of dipicolinic acid release and uptake of nucleic acid-binding stain molecules during spore germination.     

激光镊子拉曼光谱法优化红法夫酵母合成虾青素条件

用激光镊子拉曼光谱法优化红法夫酵母生产虾青素的条件。首先,将红法夫酵母细胞拉曼光谱与虾青素标准品溶液拉曼光谱进行对比,找出定量虾青素的拉曼特征峰;然后对照红法夫酵母生长曲线与不同时间点红法夫酵母细胞内虾青素含量曲线,进行发酵时间的优化;最后将红法夫酵母分别用不同氮源、碳源培养基培养,对比其细胞的虾青素拉曼特征峰强度,最终优化培养基。由实验可得,适宜定量虾青素的拉曼特征峰是1520cm-1峰;最佳发酵时间为72h;最佳优化培养基氮源含硫酸铵4g/L+硝酸钾4g/L,碳源含蔗糖60g/L。从上述结果可知,用激光镊子拉曼光谱法对红法夫酵母合成虾青素的条件进行优化,充分发挥了其操作简便、耗时短、样品用量少、对样品无损伤等优势,使所得结果更准确可信。因此,激光镊子拉曼光谱法是红法夫酵母细胞合成虾青素条件优化的理想选择。