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美制成首個活細胞激光器

   2025-06-10 科技日報881

  據美國物理學家組織網6月13日(北京時間)報道,美國馬薩諸塞州綜合醫院研究人員成功利用表達了綠色熒光蛋白(GFP)的腎臟細胞產生了一種納秒級的激光脈沖,首次用單個活細胞作為增益介質產生了激光。相關論文將于近日發表在《自然·光子學》雜志上。

  產生激光通常要有3個要素,第一是光源,第二是受激產生激光的“增益介質”,第三是將所產生的光聚攏到一起的“光學共振腔”。哈佛醫學院皮膚病學副教授、論文作者尹淑賢(韓國名)博士說,激光發明50年來,通常都是用合成材料如晶體、染料、純凈氣體作為光學增益介質,光脈沖在兩面鏡子間來回反射,在這些介質中被放大。而我們選擇了能表達綠色熒光蛋白(GFP)的腎臟細胞作為增益介質。

  GFP蛋白最初是在水母中發現,可在不添加其他酶的情況下誘導發光。研究人員給一個直徑約20微米寬、1英寸(2.5厘米)長的圓筒兩邊裝上鏡子作為光學共振腔,共振腔內裝滿GFP水溶液,再向其中放入腎臟細胞。結果發現,腎臟細胞不僅能產生激光脈沖,而且能像透鏡一樣將光回聚并誘導激光發射。

  更重要的是,該激光設備中的細胞在發光過程中仍然存活,能持續產生數百次激光脈沖。盡管單個激光脈沖比較微弱,僅持續幾納秒,但卻很明亮,很容易探測到。

  論文主要作者、馬薩諸塞州綜合醫院馬爾特·加特說,這一成果源于好奇心。由于此前激光均由各種機械裝置生成,他和同事就想,“為什么自然界中沒有生物能制造激光”,產生了用細胞組織試試看的念頭,結果顯示這是有可能實現的。

  對于這項成果的運用前景,研究人員提出了幾種可能。首先,由于不同的細胞結構所產生的激光在光學性質上有差異,可以通過分析最后得到的光,來研究細胞和機體組織;第二,目前醫學上有一種光動力療法,可把對光敏感的藥物送到要醫治的機體部位,然后用光照來激發藥效,如果在這種療法中能用上“細胞激光器”,也許可以增進療效。

  但要在機體組織內產生激光,還要解決一個問題,即如何在機體組織內形成一個光學共振腔,而不是像本次研究那樣利用外部的兩面小鏡子。“下一步,我們希望能在細胞里植入一種類似于鏡盒的結構作為光學共振腔。而我們的長期目標是找到一種方法,將無生命的光通訊和計算機拓展到生物技術領域,這在一些涉及電子與生物組織轉換界面的項目上尤其重要。”馬爾特·加特補充說。

 
標簽: 活細胞激光器
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