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光纤光镊在生物系统中的应用

2019-04-28刘晓帅李宇超辛洪宝李宝军

关键词:单细胞波导探针

刘晓帅,李宇超,辛洪宝,张 垚,李宝军

(暨南大学纳米光子学研究院,广东广州511443)

早在4个世纪以前,著名天文学家开普勒就指出,彗星尾巴偏离太阳是由于太阳辐射压的作用。1970年,美国贝尔实验室科学家Askin等采用514.5 nm的连续激光实现了对直径为2.68µm的微球进行加速、迁移和分离等操作[1],进而制备了单聚焦光束的三维势肼,并应用于微粒及细菌的稳定三维操控[2]。光操控如同微观世界的一把镊子,被形象地称为“光镊”。基于对光操控的开创性工作,Askin教授被称为“光镊之父”,也因“光学镊子及其在生物系统中的应用”而荣获2018年的诺贝尔物理学奖。鉴于光操控具有操控范围广、精度高、灵活性好、无损伤及无接触等优点,其一经发明,便引起了研究人员的广泛关注,并被应用于生物、医药及化学等领域的研究。但传统光镊系统使用高数值孔径的透镜实现光束强聚焦,这导致其工作距离较短,因而它难以深入到生物样品内部进行物体操控。此外,价格昂贵、难于集成、操作不灵活等使其在生物系统中的应用遇到较大挑战。为克服以上不足,Constable等于1993年首次提出光纤捕获的概念[3]。1995年,Lyons和Sonek采用相向分布的两根具有球形尖端的光纤构建光镊系统,该系统两束出射激光叠加后捕获能力相应增强,进而实现了对直径为10 mm的聚苯乙烯微球的稳定捕获[4]。Ikeda等则进一步证明基于单透镜型光纤亦可成功捕获微纳颗粒[5]。相对其余操控技术而言,光纤光镊制作简易、便于集成、调节灵活、且无操作深度限制,因而,基于不同制作技术的复杂光纤光镊配置不断被提出,并应用于介质颗粒的捕获和排列[6-7]、生物细胞的操控和分离[8-9]、荧光纳米颗粒的捕获[10]以及细菌的组织和排列[11]等。在本文中,本课题组将总结近年来国内外在光纤光镊领域的研究进展,重点关注其在生物系统中的重要应用,并对潜在的应用进行展望。

1 光纤光镊的结构与原理

光纤光镊的操控原理如图1所示[12]。激光自光纤探针射出后在光纤前端特定结构下聚焦,并形成光场的梯度分布。此时,位于光纤探针前端的微粒与激光相互作用(微粒对光的吸收和散射等)引发光动量传递,进而受到光力。具体而言:纵向(垂直光轴方向)梯度力将位于焦点附近的微粒捕获至光纤光轴,进而在横向光散射力(沿光轴方向)的作用下运动至焦点;在焦点附近,聚焦光束产生的横向梯度力将微粒稳定捕获至激光焦点处。通过连续捕获介质微粒和细胞,可实现微纳结构的有序排列和组装。由此可知,稳定的三维捕获需要光轴方向上的光梯度力在与光散射力的竞争过程中占优。由于光梯度力大小正比于光场梯度,故需采用强聚焦光束方可获得较大的梯度力,进而实现微粒的稳定三维操控。对于光纤光镊而言,出射光场的分布强烈依赖于光纤前端形状。光纤探针前端聚焦效果越强,对应光力也越大,进而可实现低光功率下的稳定捕获,避免对生物细胞的损伤。

图1 光纤光镊的结构与原理示意图[12]

为将光束强聚焦以实现稳定捕获,一般光纤光镊的前端设计为球形的微透镜或锥形结构。不同的光纤前端可分别通过抛光、加热拉伸、化学腐蚀以及高精度机械加工(例如聚焦粒子束切削、飞秒激光加工等)等予以制作。除单光纤实现微粒捕获外,研究人员也提出采用双光纤光镊进行更加稳定有效的光学操控[13]。相比单光纤光镊捕获,多光束捕获不仅降低了捕获所需的光功率,而且也易于实现其他功能的操作,例如非球形物体的旋转操控等[14]。此外,研究人员还不断提出采用多芯径光纤[15]、梯度折射率光纤[16-17]、聚合物光纤[18-19]等新型光纤来实现光纤光镊制作,进而实现多元化光操控和生物传感。

2 单细胞及生物大分子操控

截止目前,光纤光镊已在单细胞及生物大分子的操控方面取得了重大进展,并成功实现了单个酵母菌[9]、大肠杆菌[11]、小球藻[8]、红细胞[20]及人体癌细胞[21]等不同生物细胞的稳定捕获和三维迁移。如图2a所示,向制备的锥形光纤光镊中通入功率为25 mW的近红外激光,位于光纤探针前端的大肠杆菌将被捕获至光轴,并随其在三维方向上定向迁移。关闭激光后,其将被可控释放至特定位置[11]。如图2b所示,光纤光镊被用来研究细菌在捕获势阱中挣扎的动态过程,通过光势阱大小计算,可对细菌自身的能量释放及动能转换机制进行定量研究[22]。除了三维迁移,光纤光镊还可实现单细胞的可控旋转及角取向研究。如图2c所示,红细胞一端在范德瓦尔斯力的作用下固定在一根光纤探针末端,此时操控另一根光纤探针,红细胞将绕不同轴向进行可控旋转,并可实现细胞的特定取向[20]。除了红细胞外,光纤光镊亦被证实可用于研究单个大肠杆菌的角取向[23]。使用双光纤光镊还可实现细胞的动态变形,如图2d所示,当向双光纤探针中通入激光后,位于光纤探针中间的红细胞将在光力作用下沿光纤轴向进行拉伸变形,且变形程度依赖于入射的激光功率[20]。除了细胞操控外,光纤光镊亦可用于生物大分子的稳定捕获和动态迁移。相比细胞操控,生物大分子折射率更低,尺寸更小,而且形状不规则,易受布朗运动干扰,因而给稳定操控带来了巨大的挑战。为了克服这个难题,Li等提出在光纤探针前端组装“光纤探针-微透镜”复合结构(图2e),将光局域在亚衍射极限的尺度内,从而产生一个纳米光学势阱,成功实现了对单个DNA分子的捕获、操控和探测[24],展示了光纤光镊在生物大分子操控领域的重要应用价值。

图2 使用光纤光镊实现单细胞及生物大分子操控。(a)捕获并迁移大肠杆菌[11],(b)大肠杆菌动态机制研究[22],(c)红细胞可控旋转[20],(d)红细胞动态变形[20],(e)捕获单个质粒DNA[24]

3 多细胞操控及生物光波导组装

基于光学方法对生物细胞进行精确定位并排列成有序的微结构,对生物传感、组织工程和基因工程等都有着非常重要的作用。在单细胞操控基础上,光纤光镊亦可实现多个生物细胞的同时操控及顺序组织。如图3a所示,当向光纤探针中通入激光后,溶液中的大肠杆菌将被逐个捕获并在光纤探针末端形成一维有序的细胞串列,且串列的长度依赖于输入激光功率[25]。组装的细胞串列可通过第二根光纤探针进行动态调整,包括细胞的连接顺序和接触距离等[26]。如图3b所示,操控光纤探针2可从组装的细胞串列中取出特定的大肠杆菌并放回不同的位置,实现细胞串列的动态调整。通过与微流系统相结合,组装的细胞串列还可实现可控的双向传送(如图3c)。除了大肠杆菌以外,光纤光镊亦可应用于酵母菌及红细胞串列的可控组装和动态传递[27]。组装的细胞串列可作为生物兼容性的生物光波导,应用于生物系统内部的信号传输和探测。如图3d所示,通过光束耦合器向组装的大肠杆菌串列中通入红光后,红光将沿着组装的细胞波导进行传输,此外实验表明光还可以沿着弯曲的波导进行传输[25]。除了同种细胞排列外,光纤光镊还可以实现不同种类细胞的异质型生物光波导。研究人员基于光纤光镊实现了大肠杆菌和小球藻的一维周期细胞结构组装,为研究相邻细胞之间的信号传导提供了有效途径[29]。以上报道的生物光波导只能实现单方向的传输,而使用光纤光镊可实现光学分枝结构组装[30],形成多向光波导和光分束器,可以将光沿着不同方向进行传输,极大丰富了光子器件在生物纳米光子集成中的功能。此外,这些结构可以供多条光学通道进行生物传感,从而大大提高传感效率。利用不同细胞所受光力和流体粘滞阻力的差别,光纤光镊可实现不同种类细胞的可控分离。此外,光纤光镊还可应用于活体内部细胞器的组装和操控,如图3e所示,操控光纤光镊,可于叶片内部捕获多个叶绿体并排列成一维及二维的周期性结构[28]。

图3 多细胞操控及生物波导组装。(a)组装不同长度的大肠杆菌串列[25],(b)双光纤光镊实现细胞串列的动态调整[26],(c)光流细胞串列双向传递[25],(d)生物光波导光传输特性研究[27],(e)动态组装叶片内的叶绿体[28]

4 细胞成像及探测

除了可实现单细胞及多细胞的动态操控外,光纤光镊在细胞成像和生物信号探测方面也有潜在的应用价值。如图4a所示,当向光纤光镊中输入980 nm的激光后,溶液中的上转换纳米颗粒和大肠杆菌细胞可被顺序捕获并进行一维结构组装。由于上转换纳米颗粒在操控激光的激发下可发出绿光,进而可利用“协同捕获”的荧光标记方法,实现黑暗环境下细菌的荧光标记和动态分析[31]。此外,亦可在光纤探针尖端附着天然的球形酵母细胞,通过组装生物微透镜,实现对荧光标记的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等细胞的精准操控和荧光成像[32]。由于微透镜对光的聚焦增强,经荧光标记的病菌细胞表面的上转换荧光强度提高了两个数量级,借助普通光学显微镜,在黑暗环境中就可清晰地观察到单细胞的荧光图像(如图4b)。该研究不但将精准光操控与荧光成像融合在病菌细胞的研究中,而且增强了被标记细胞的上转换荧光强度,有望在生物成像、医学诊断等方面的研究中发挥重要作用。除了细胞成像以外,光纤光镊在信号探测方面也有潜在的应用价值。如图4c所示,将组装好的探针伸入到人体血液内部,移动探针使其尖端靠近血液中的白血病细胞后,再往探针中输入短波长的紫外光来激发白血病细胞膜上的荧光蛋白分子,实现对蛋白分子发出的荧光信号的收集和探测,为探索白血病细胞的病变机理提供了一种高精度、无损伤的光学方法[33]。进一步,可将数十个微透镜整齐地组装在一根微型光纤探针端面,入射光通过微透镜汇聚成具有亚波长尺寸的聚焦光束,增强了光与物质的相互作用,可实现对多个纳米颗粒和亚波长细胞的高效率捕获和高精度实时探测[34]。

图4 细胞成像与探测。(a)单大肠杆菌荧光标记[31],(b)单细胞增强荧光成像[32],(c)实时探测血液中的白血病细胞[33]

5 总结与展望

本文从光纤光镊的结构及操控原理出发,系统概括了目前光纤光镊在生物系统中的重要应用,重点阐述了其在单细胞操控、多细胞组装及生物成像探测领域的关键进展。由于光纤光镊具有制作简易、易于集成、操作灵活、无操作深度限制等优势,该方案将在细胞生长、组织分化、疾病诊断以及生物层析成像等生物医疗领域发挥潜在的应用价值。然而,对于光纤光镊而言,目前的工作仅是其潜在应用场景中很小的部分,其在生物系统研究中仍大有可为,值得我们在未来的工作中继续深入探究,例如针对DNA、RNA及蛋白质等生物大分子的稳定捕获,将有助于我们进一步理解遗传机理、蛋白合成及基因功能表达。此外,其有望构建多功能、可移植且生物兼容性高的生物光子芯片,实现药物的靶向传递及活体内细胞的精准操控,为生物光子学、微纳光子学以及临床医学等交叉学科的发展提供强有力的技术手段。

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