美制成首个活细胞激光器

2011-6-14 09:34 来源: 中国科学院
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  美国马萨诸塞州综合医院研究人员成功利用表达了绿色荧光蛋白(GFP)的肾脏细胞产生了一种纳秒级的激光脉冲,首次用单个活细胞作为增益介质产生了激光。相关论文将于近日发表在《自然·光子学》杂志上。

  产生激光通常要有3个要素,第一是光源,第二是受激产生激光的“增益介质”,第三是将所产生的光聚拢到一起的“光学共振腔”。哈佛医学院皮肤病学副教授、论文作者尹淑贤(韩国名)博士说,激光发明50年来,通常都是用合成材料如晶体、染料、纯净气体作为光学增益介质,光脉冲在两面镜子间来回反射,在这些介质中被放大。而我们选择了能表达绿色荧光蛋白(GFP)的肾脏细胞作为增益介质。

  GFP蛋白最初是在水母中发现,可在不添加其他酶的情况下诱导发光。研究人员给一个直径约20微米宽、1英寸(2.5厘米)长的圆筒两边装上镜子作为光学共振腔,共振腔内装满GFP水溶液,再向其中放入肾脏细胞。结果发现,肾脏细胞不仅能产生激光脉冲,而且能像透镜一样将光回聚并诱导激光发射。

  更重要的是,该激光设备中的细胞在发光过程中仍然存活,能持续产生数百次激光脉冲。尽管单个激光脉冲比较微弱,仅持续几纳秒,但却很明亮,很容易探测到。

  论文主要作者、马萨诸塞州综合医院马尔特·加特说,这一成果源于好奇心。由于此前激光均由各种机械装置生成,他和同事就想,“为什么自然界中没有生物能制造激光”,产生了用细胞组织试试看的念头,结果显示这是有可能实现的。

  对于这项成果的运用前景,研究人员提出了几种可能。首先,由于不同的细胞结构所产生的激光在光学性质上有差异,可以通过分析最后得到的光,来研究细胞和机体组织;第二,目前医学上有一种光动力疗法,可把对光敏感的药物送到要医治的机体部位,然后用光照来激发药效,如果在这种疗法中能用上“细胞激光器”,也许可以增进疗效。

  但要在机体组织内产生激光,还要解决一个问题,即如何在机体组织内形成一个光学共振腔,而不是像本次研究那样利用外部的两面小镜子。“下一步,我们希望能在细胞里植入一种类似于镜盒的结构作为光学共振腔。而我们的长期目标是找到一种方法,将无生命的光通讯和计算机拓展到生物技术领域,这在一些涉及电子与生物组织转换界面的项目上尤其重要。”马尔特·加特补充说。