激光生物光谱

激光光谱技术有很高的光谱分辨率和分析灵敏度，利用它可以深入地研究生物分子反应动力学及某些生物分子的光化学反应机理，把激光生物学的研究提高到分子水平，有助于阐明生物分子的结构和功能，揭示生命现象的奥秘．本文介绍了激光皮秒光谱、荧光光谱、反射光谱、透射光谱等技术，在研究生物分子、生物细胞、各种生物过程以及诊断癌症等方面的进展及应用前景；同时也介绍了几种生物光谱仪器．     

激光微光束技术在细胞生物学中的应用

 世界上第一台激光器问世后不久,激光技术就在细胞生物学的研究上得到了广泛的应用,并出现了一门新学科--激光细胞生物学．细胞是生物体的形态结构和生命活动的基本单位,要研究生命现象的活动规律就必须研究细胞的内部结构及其功能．但是,细胞本身的体积极小,直径只有几个微米到几十微米,细胞内部的结构则更加精细复杂,所以在揭示生命奥秘的过程中,现代化的研究工具和手段是不可缺少的．激光由于具有强度高、方向性好和单色性好等优点,经过透镜聚焦后可以形成功率密度高而光斑直径仅为微米量级的微光束,利用激光微光束可以对细胞进行俘获、打孔、融合、切断、转移和移植等操作.     

激光细胞微手术的发展和应用

现代生命科学的发展在很大程度上依赖于对活细胞的加工和操纵,比如切除细胞内的某些特定蛋白或细胞器等.激光细胞微手术是一个强有力的工具,近年来在细胞微手术精度控制方面取得很大的进展.综述了激光细胞微手术的最新发展及其在生物学和生物医学工程中的应用,对目前激光细胞微手术中存在的主要问题进行了讨论,对比了普通激光聚焦法、飞秒激...     

激光等离子体效应对细胞烧蚀特性研究

研究对比了激光直接辐照、聚焦辐照以及激光等离子体辐照三种辐照方式下,洋葱表皮细胞的烧蚀特征,并基于激光辐照的热力学特性对细胞的温升以及相变过程进行分析。观察发现： 直接辐照对细胞的杀伤效果很不明显;聚焦辐照会引起焦点附近细胞的断裂以及脱水;激光等离子体辐照作用下,细胞会呈现大面积的去除,断裂边缘粗糙,且细胞层有叠加现象。理论分析发现,激光等离子体具有热效应、辐射电离及冲击波效应等,会增加激光脉冲能量到细胞的沉积、以及对细胞冲击剥离等,从而会大大增加细胞的杀伤范围和效率,可用于对细胞进行大面积杀伤。     

激光参数对纳米金靶向细胞膜通透性的影响

激光参数,比如脉宽、照射能量、脉冲数目以及照射方式等在各个方而尤其是在生物医学应用中对生物组织的不同效应都起着重要作用.采用纳米金颗粒靶向细胞,激光照射后细胞膜的通透性会发生改变.采用不同的激光光源和不同的照射方式(直接照射和扫描照射)、调整不同的激光参数照射细胞微粒结合体,通过流式细胞仪测量细胞对异硫氰酸荧光素葡聚糖(fluorescein isothiocyanate-Dextran,FITC-D)和碘化丙啶(propidium iodide PI)的吸收量来判断细胞膜的暂时通透性和细胞的死亡率,用以研究激光参数变化对细胞膜通透性的影响.采用传热模型对其机理进行了分析.结果表明通过调整激光参数,采用这种方法有可能进行基因转染.     

超短脉冲激光微束对细胞作用的研究

本文详细地介绍了我们自己设计和安装的一个Nd:YAG超短脉冲激光微束系统,该系统分成二个部分:激光源和显微镜。由电光调Q非稳腔Nd:YAG激光倍频后得到355nm紫外光进入显微镜并由物镜聚焦。同时,这超短脉冲激光微束照射在细胞上并且在细胞上产生一个可以自恢复的小孔。在文中我们还讨论了超短脉冲激光微束与细胞之间作用效应及机理。     

飞秒激光在细胞纳米手术中的应用

激光类型不同,其与生物组织的作用机理也不同。其中飞秒激光由于脉冲持续时间短、瞬时功率大、聚焦尺寸小的特点,使得其在超快、超强和超精细领域有着广阔的应用前景。而结构微小的细胞的动力学研究,如有丝分裂、变形和凋亡,对于了解细胞的生物和发育行为有着重要作用。且生物大分子和水几乎不吸收近红外波长的光,故考虑应用近红外飞秒激光对细胞进行手术。这种激光手术技术已用于对细胞内结构进行切割和蚀除。介绍了该技术在细胞领域中的一些应用,如纳米手术、基因转染和染色体切割等。与传统技术相比,该技术精度高,可在不损伤细胞活性的前提下对细胞进行实验。     

离体血红细胞的活性衰变规律研究

采用光镊技术研究了离体血红细胞的动力学过程即细胞活性的变化规律。当光镊中的半导体激光器发出的高斯光束照射红细胞使其发生形变并反转,待细胞保持动态平衡后切断激光光路,得到形变血红细胞的自由回复时间,该时间长短与细胞活性相关联。通过对比被小功率He-Ne激光器持续照射和正常离体血液的活性衰变规律,结果表明,细胞活性均呈现出规律性的变化,波动之后逐渐减弱并最终趋向死亡。被激光持续照射的红细胞活性衰变较缓,即激光照射的作用延缓了红细胞的衰弱。研究结果能为细胞的活性和动力学分析提供参考,为血液疾病的临床检测和激光临床治疗提供帮助。     

激光微束辐照剂量对细胞存活率外源物质导入率影响的研究

本文介绍了一套经过改进的Nd:YAG紫外激光微束系统,以小鼠巨噬细胞及Hela细胞为实验材料,并利用多种荧光物质作为导入物,系统地研究了激光微束辐射剂量与细胞存活率、外源物质导入率的关系,为深入地研究激光微束与细胞的相互作用机理摸索出优化条件.     

飞秒激光与细胞的相互作用

近年来,高速发展的激光技术已经广泛应用于医疗领域,比如眼科手术和光学相干层析成像。尤为特殊的是,飞秒激光更可专用于对活体细胞的基础研究。飞秒激光具有别种激光无法获得的特殊性质。它对于细胞的伤害很小,因为它的线性吸收和热效应远远低于连续光。此外,由于飞秒光的超高峰值功率,它可以对细胞形成多光子电离而在细胞膜上开孔,因此可以转基因和融合细胞,同时不会太过于伤害细胞。在这个报告里,将阐述我们的以下研究：飞秒光致转基因、细胞融合以及细胞在凋亡中的动态过程。在单细胞水平上提出了一些凋亡过程的可能机制,如活性氧化合物、核管和细胞内自由钙离子的产生。     

低强度激光辐照HeLa细胞诱导增殖效应的可见光谱特性

比较研究了可见波段405,514,633和785nm低强度激光辐照HeLa细胞的促增殖效应。实验采用100和1 000J.m-2两种有效能量密度的可见光波辐照细胞,照射后24,48,72h采用MTT法检测细胞活性。结果表明,405,633,785nm激光均能促进HeLa细胞增殖,且呈波长和时间依赖性;633nm激光辐照对细胞促增殖效应最显著;514nm激光辐照对HeLa细胞促增殖效应较不明显。不同光剂量对细胞增殖效应不同,405,633,785nm激光辐照时能量密度为1 000J.m-2的辐照组细胞增殖均较100J.m-2辐照组明显,而514nm激光辐照时1 000J.m-2辐照组与100J.m-2辐照组细胞增殖的差异不明显。     

红细胞显微激光共焦拉曼散射光谱扫描技术研究

采用显微激光共焦拉曼散射光谱扫描系统对活态红细胞进行拉曼光谱(点测定、线扫描、二维扫描)测定及成像的技术与方法进行了研究,并对514 nm激光对红细胞在拉曼扫描中的影响进行了评价。通过扫描前后细胞的拉曼光谱变化和亮场图像变化确定了在不同扫描模式下既可获得较好的拉曼散射信号,又不会影响细胞生命活动与功能的合适扫描参数的设置。对于点扫描模式,样品激光功率是重点调节的参数,一般应小于1.5 mW。对于线扫描模式,照射激光功率和扫描间隔(步进)是要重点关注的参数。小扫描间隔意味着激光能量相对聚集,易对细胞造成损伤;大扫描间隔可以较好地降低激光对细胞的损伤,但是空间分辨率会因此而下降。对于线扫描,建议扫描间隔大于0.5 μm、照射激光功率小于0.7 mW。对于二维扫描,除照射激光功率、扫描间隔需要调节外,其他扫描参数也要作相应调节以降低激光对红细胞的影响,可适当降低样品温度和增加共焦孔径尺寸降低二维扫描过程中激光对红细胞的影响。1.0 μm扫描间隔、0.7 mW的照射激光功率和500 μm共焦孔径,以及样品温度适当调低可得到较好的二维红细胞拉曼图像。对于所有扫描模式,如果得到的红细胞的拉曼信号足够强,也可适当降低曝光积分时间以降低激光对红细胞的影响。实验前进行实验过程的优化对活态细胞的拉曼测试也非常重要。     

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。     

激光科学和生命科学

激光科学与生命科学相互渗透,正在形成一门新兴边缘学科──“激光生命科学”.本文就激光生命科学下述几个重要领域的研究进展进行概述：1)激光生物学与激光诱变育种;2)激光遗传工程及激光微束在遗传操作中的应用;3)激光在分子生物学中的应用;4)用于生命科学研究的激光光谱技术;5)激光医学;6)激光生物物理技术。     

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...     

超快激光制备生物医用材料表面功能微结构的现状及研究进展

提高医疗植入材料的生物相容性,对提升植入医疗器械的安全性有重要意义。通过超快激光制造出微纳米级别尺寸的材料结构以改善材料的生物相容性,近年来已被广泛应用于生物医学领域。本文简单介绍了细胞与生物材料相互作用原理,从生物材料表面微结构对其生物相容性能的影响出发,综述了超快激光加工不同材料表面形貌特征对细胞粘附、迁移、增殖、分化的影响,并进一步指出超快激光制备微纳结构在生物材料领域的局限和发展趋势。     

激光免疫疗法治疗转移瘤

肿瘤是严重威胁人类健康和生命的第二大疾病,尽管已发展多种治疗方法,目前仍然是医学界所面临的挑战之一。针对癌症发生的根源,我们发展了新型激光免疫疗法。激光免疫疗法有效结合光热靶向治疗和免疫治疗,通过局部肿瘤损伤,激发宿主免疫防御系统,诱导宿主产生特异性抗肿瘤免疫反应。临床前和初步临床研究表明,激光免疫疗法能够有效地治疗转移肿瘤,并在对晚期恶性黑色素瘤患者及乳腺癌患者治疗中取得令人满意的疗效。基于原位自体全细胞抗肿瘤疫苗的原理,激光免疫疗法能够局部产生全细胞疫苗,诱发机体系统、长期的抗肿瘤免疫反应。本文将介绍激光免疫疗法的发展及临床应用。     

激光偏振性对亚心形扁藻生物效应的影响

实验研究了偏振与非偏振激光对亚心形扁藻的促长作用、叶绿素含量以及色素粗提物吸收光谱等生物学效应的影响.采用488 nm,70 mW输出功率的氩激光,辐照哑心形扁藻,隔天取样进行细胞计数,培养至第6天提取叶绿素,测量叶绿素含量并扫描叶绿素的吸收光谱.实验结果表明,偏振激光与非偏振激光辐照对藻细胞密度、生长速率的促长作用区别不显著;偏振性与否对叶绿素含量的累积没有明显的区别;激光偏振性对色素粗提物的吸收光谱没有影响.激光偏振性与否均可对亚心形扁藻的生物效应产生有效的作用,激光偏振性与激光生物效应关系的研究有待于进一步深入.     

低能量激光联合压力对成骨细胞ALP活性和胞内Ca~(2+)浓度的影响

探讨低能量激光照射(1ow--level laser irradiation,LLLI)联合压力刺激对人成骨样细胞的碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性和胞内Xa~(2+)浓度的变化规律的影响,揭示LLLI促进正畸牙齿压力侧骨改建的机制。将对数生长期的人成骨样细胞MG-63随机分为4组,对细胞施加压力采用Foreel四点弯曲体外细胞力学加载装置,用Ga-Al-As半导体激光器(808 nm,500 mW)进行照射。组Ⅰ(对照组):不加力,不进行激光照射。组Ⅱ(压力组):利用细胞加载装置对细胞加压力,加力板变形量为3 000 ustrain,加力时间1h。组Ⅲ(激光组):激光照射1 min,剂量3.75 J·cm。组Ⅳ(联合组):细胞加力(加力方式同组Ⅱ)后,激光照射(方式同组Ⅲ)。四组细胞均用分光光度计测量细胞内ALP活性。第二部分实验对胞内Ca~(2+)浓度变化进行测定,将MG-63细胞分为2组:压力组和激光张力组,2组细胞分别加力0,5,15,30,60 min,激光压力组再激光照射1 min后收取细胞。用荧光探针Fluo-3-AM测定成骨样细胞内Xa~(2+)浓度。结果显示第一部分实验与对照组相比,其余3组的ALP活性均明显增强(p0.05),但联合组的ALP活性分别低于压力组和激光组(p0.05)。第二部分实验显示:第1组压力引起胞内Ca~(2+)浓度随时间剧烈变化,第2组变化曲线平缓,但Xa~(2+)浓度水平两组无明显差异。由此得出结论适宜的压力和弱激光及联合应用均能增加成骨细胞的ALP活性,两者联合应用时较单独应用时成骨细胞的ALP活性稍有降低,压力组和激光压力组胞内Ca~(2+)浓度的变化曲线不同,说明在正畸牙齿的压力侧,低能量激光的应用可以降低由压力引起的成骨细胞活性增加,减少成骨,破骨相对增加,促进牙齿移动,LLLI极可能通过调节Xa~(2+)浓度的变化规律来调节成骨细胞活性。     

激光辐照对湛江等鞭金藻的复壮作用及机制研究

用Nd∶YAG激光（波长1.06 μm,功率密度6 W/cm2）对长期保存的湛江等鞭金藻藻种进行辐照处理.研究了激光辐照对藻生长和生理生化特性的影响,并从藻细胞的超微结构和自体荧光特性的变化探讨了激光复壮藻种的可能机制.实验结果表明：辐照剂量为30 s~60 s时,有较好的复壮效果,藻种的生长速率、细胞干重、叶绿素、类胡萝卜素及蛋白质等含量均较对照组有不同程度的提高,增幅约25.3％～48.3％.激光复壮后的藻细胞,线粒体数量增多,光合片层进一步发育.辐照剂量增至90 s时,胞内脂质颗粒增加.藻种的自体荧光光谱中,波长682 nm处的荧光强度明显增强.此结果说明,利用激光的“筛子”与诱变作用,可以提高饵料藻种的生物品质.