激光與生命科學論文(2)
激光與生命科學論文
激光與生命科學論文篇二
關鍵詞：激光技術;生命科學;研究;應用
1、前言
生命現(xiàn)象是細胞存在的運動形式。生命活動本質上講是以細胞活動為基礎的。有人做過這樣的結論:“一切生物問題的答案最終要到細胞中去尋找”。由此可見，細胞研究在生命科學中的重要位置。從細胞生物學的發(fā)展歷史來看，研究方法和手段的不斷創(chuàng)新推動了生命科學從一個水平發(fā)展到一個新的水平。60年代迅速發(fā)展起來的激光新技術為細胞生物學的研究提供了嶄新的實驗技術和手段，在生命科學的研究中已展現(xiàn)出誘人的應用前景。一門新興的交叉學科一激光細胞工程學正在逐步形成。本文擬對近年來激光技術在細胞研究中的諸多應用作一綜述，以期引起人們關注激光技術在生命科學研究中的重要作用。
2、背，材料
就細胞生物學的研究方法而言，概括起來大致可分為四類:形態(tài)觀察;生化分析;生理測定及一些實驗性技術，激光技術在其中則都大有用武之地，下面簡述之。
2.1形態(tài)觀察
2.1.IX激光全息、立體成.象
傳統(tǒng)的細胞檢測觀察不是采用光學顯微鏡就是采用電子顯微鏡，但兩者皆有局限性，前者由于受儀器辨率的影響不能看清線度小的細胞;后者雖然可以得到高分辨率，但生物樣品必須切片，固定和干燥，樣品不能保持自然狀態(tài)，生物學家渴望的是對活細胞內發(fā)生的現(xiàn)象進行三維觀察，而X激光全息或層析法已提供了解決此問題的途徑。
美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室利用高功率激光器已拍攝到第一張鼠胰腺細胞的X射線全息圖，并可使用可見激光來再現(xiàn)，但分辨率還較低。雖然X激光細胞全息圖還未達到實用的要求，但由于X射線全息可以揭示生物體表面下所發(fā)生的現(xiàn)象，特別是用水窗(2.3~4，4nm)X射線對生物活細胞成象，不用染色就可以在蛋白質和細胞液之間獲得很高的對比度，超短脈沖激光等離子體軟X射線可以在極短的時間內對樣品曝光，可以避免對樣品的損傷，這是其它X射線源所無法比擬的。
2.1.2熒光壽命時間分辮顯微術
曾經在細胞生物學中廣泛應用的熒光(強度)顯微鏡只能提供穩(wěn)態(tài)強度圖象，它主要揭示在細胞區(qū)域內的著色點及指明抗體的數(shù)目，將脈沖激光時間分辨、光譜分辨的高信息容量與二維顯微成象相結合就能構成全新的激光熒光壽命時間分辨顯微鏡，它可以觀察到細胞的結構圖象，特別是采用選擇激發(fā)方式，可以研究細胞內諸如K+、CaZ+、O:等感興趣的特定物質的濃度分布及圖象，其對比度與該細胞內一部份試樣激發(fā)熒光的壽命有關，有極高的信噪比。
2.2生化分析
傳統(tǒng)的顯微光譜分析技術是研究生物體系結構與功能的重要生化分析手段之一。如果激發(fā)光源采用激光，利用激光感生熒光、激光喇曼光譜等激光光譜分析技術可實現(xiàn)時間及空間的高分辨率研究，例如對脫氧核糖核酸(DNA)、蛋白質、葉綠素、視紫紅質、叮吮類染料形成的絡合物等樣品進行的各種激光光譜測定獲得了有關分子結構、各種能量轉移過程、扭轉動力學等諸多方面的大量信息并可以快速地診斷一些生物分子的瞬態(tài)過程，例如光合作用、視覺現(xiàn)象等。
激光選擇激發(fā)光譜分析不僅能從若干生物分子混合物中選擇某種分子的光激發(fā)，即分子間的，選擇性激發(fā)，而且對于某一分子內部的分子鍵，即分子態(tài)進行選擇激發(fā)，從而可以實現(xiàn)分子間的選擇性分離。美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室曾利用激光選擇激發(fā)及光致電離的技術實現(xiàn)了高靈敏度的細胞分離，獲得了發(fā)明專利。
2.3實驗性技術
傳統(tǒng)的生物實驗性技術主要是通過顯微操作進行細胞的融合或拆合，從而實現(xiàn)細胞雜交，將細胞質、核分開，實現(xiàn)核的移植、基因導入、細胞切割等，采用激光技術以后這些傳統(tǒng)的實驗性技術可以有新的突破性進展。
2.3.1激光顯微外科操作
將激光引入光學顯微鏡聚焦成微米級或亞微米級光點的微束裝置可對細胞靶體進行顯微外科手術。這一技術與常規(guī)的顯微操作(如化學法和顯微注射法等)比起來，具有定位精確、操作簡便、可對細胞靶體進行選擇性損傷等優(yōu)點，因而受到人們的普遍重視。
1984年，日本理化研究所首次報道了用激光微束在細胞上打孔并導入外源DNA的研究，其后美國加州大學貝克曼激光研究所、德國的韋伯和日本日立相繼報道了用激光束穿刺細胞壁、細胞膜和核膜，導入外來基因的結果，為遺傳學的研究開辟了新途經。
1988年，日本建成了激光切割染色體的裝置，此裝置可通過計算機將激光照射精度定到0.1微米以下，只要指明染色體的位置，即可自動地切斷或削去特定部位，可將染色體切成傳統(tǒng)切割尺寸的十分之一大小，并且可將不要的部位利用熱能汽化除掉。從而實現(xiàn)DNA或蛋白質分子的有選擇性的新重復制或分子裁剪，以致改變生物大分子的遺傳結構和生物功能。如果把激光切割染色體與微克隆和細胞培養(yǎng)等生物技術結合，則就有可能為基因定位和分離開辟出一條新的途徑。
199。年，英國學者將激光細胞切割用于DNA的修補工作。他們先用KrF準分子激光器的248納米波長的輻射照射DNA，靠激光產生的等離子體中的強X射線切斷DNA的索帶，然后用XeF準分子激光器的351納米輻射進行修補。此項研究的目的在于探討激光修補DNA的動力學原理和機制，以便為揭示致癌機理和癌癥治療提供科學依據(jù)。
2.3.2細胞融合
細胞融合是細胞工程的重要內容，通過細胞融合可以實現(xiàn)細胞雜交，采用激光微束裝置皿可將兩個不同特性、不同大小的細胞在顯微鏡下融合。
王9盡7和1989’年，德國海德堡理化研究所相繼報道了用激光誘導哺乳動物細胞融合和植物原生質體融合的工作。他們使用的是準分子激光器泵浦的染料激光器，高強度的激光微束照射使油菜原生質體膜受到損傷，在這種短暫損傷下相鄰的原生質體膜相互融合成一個細胞。與其他方法相比，激光法的優(yōu)點是無毒性、對融合點或融合對象有選擇性和能夠監(jiān)視融合全過程等。
2.3.3激光操縱生物拉子
運轉于基模的激光器輸出的高斯光束存在一個非常高的強度梯度，它可以產生巨大的梯度力，此力可在光軸焦點附近形成一個三維光學勢阱，利用此激光勢阱可以成功地捕獲微小的宏觀粒子，以后所能捕獲的粒子越來越小，目前已做到可將鈉原子的運動速度從600米/秒冷卻到平均速度近似為零，因而有人設想利用激光的這種特性來捕獲單個的生物細胞，并進行無損傷的操作。
生物體對于并紅外輻射來說是相對透明的，人們用1.06微米的紅外激光在實驗中觀察到了被捕獲的大腸桿菌和酵母細胞的繁殖，后來又可使兩束激光成功地抓住桿菌的兩端，并使其轉動，199。年，中國科學技術大學也在國內首次成功地捕獲了懸浮于水中的脂肪小球(3~5微米)、某些細菌(紅葡萄球菌)和原生小動物(鞭毛蟲等)，他們不僅使被捕獲的生物粒子保持在勢阱中幾十秒鐘而未被損傷，并且做到了鉗住粒子慢速平移，使細胞與其群體分離，實現(xiàn)了對生物粒子的操縱。
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