生命科学研究中激光技术的重要地位

生命科学研究中激光技术的重要地位

关键词：激光技术;生命科学;研究;应用 1、前言

生命现象是细胞存在的运动形式。生命活动本质上讲是以细胞活动为基础的。有人做过这样的结论:“一切生物问题的答案最终要到细胞中去寻找”。由此可见，细胞研究在生命科学中的重要位置。从细胞生物学的发展历史来看，研究方法和手段的不断创新推动了生命科学从一个水平发展到一个新的水平。60年代迅速发展起来的激光新技术为细胞生物学的研究提供了崭新的实验技术和手段，在生命科学的研究中已展现出诱人的应用前景。一门新兴的交叉学科一激光细胞工程学正在逐步形成。本文拟对近年来激光技术在细胞研究中的诸多应用作一综述，以期引起人们关注激光技术在生命科学研究中的重要作用。 2、背，材料

就细胞生物学的研究方法而言，概括起来大致可分为四类:形态观察;生化分析;生理测定及一些实验性技术，激光技术在其中则都大有用武之地，下面简述之。

2.1形态观察

2.1.IX激光全息、立体成.象

传统的细胞检测观察不是采用光学显微镜就是采用电子显微镜，但两者皆有局限性，前者由于受仪器辨率的影响不能看清线度小的细胞;后者虽然可以得到高分辨率，但生物样品必须切片，固定和干燥，样品不能保持自然状态，生物学家渴望的是对活细胞内发生的现象进行三维观察，而X激光全息或层析法已提供了解决此问题的途径。

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室利用高功率激光器已拍摄到第一张鼠胰腺细胞的X射线全息图，并可使用可见激光来再现，但分辨率还较低。虽然X激光细胞全息图还未达到实用的要求，但由于X射线全息可以揭示生物体表面下所发生的现象，特别是用水窗(2.3~4，4nm)X射线对生物活细胞成象，不用染色就可以在蛋白质和细胞液之间获得很高的对比度，超短脉冲激光等离子体软X射线可以在极短的时间内对样品曝光，可以避免对样品的损伤，这是其它X射线源所无法比拟的。

2.1.2荧光寿命时间分辫显微术

曾经在细胞生物学中广泛应用的荧光(强度)显微镜只能提供稳态强度图象，它主要揭示在细胞区域内的着色点及指明抗体的数目，将脉冲激光时间分辨、光

谱分辨的高信息容量与二维显微成象相结合就能构成全新的激光荧光寿命时间分辨显微镜，它可以观察到细胞的结构图象，特别是采用选择激发方式，可以研究细胞内诸如K+、CaZ+、O:等感兴趣的特定物质的浓度分布及图象，其对比度与该细胞内一部份试样激发荧光的寿命有关，有极高的信噪比。 2.2生化分析

传统的显微光谱分析技术是研究生物体系结构与功能的重要生化分析手段之一。如果激发光源采用激光，利用激光感生荧光、激光喇曼光谱等激光光谱分析技术可实现时间及空间的高分辨率研究，例如对脱氧核糖核酸(DNA)、蛋白质、叶绿素、视紫红质、叮吮类染料形成的络合物等样品进行的各种激光光谱测定获得了有关分子结构、各种能量转移过程、扭转动力学等诸多方面的大量信息并可以快速地诊断一些生物分子的瞬态过程，例如光合作用、视觉现象等。 激光选择激发光谱分析不仅能从若干生物分子混合物中选择某种分子的光激发，即分子间的，选择性激发，而且对于某一分子内部的分子键，即分子态进行选择激发，从而可以实现分子间的选择性分离。美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室曾利用激光选择激发及光致电离的技术实现了高灵敏度的细胞分离，获得了发明专利。

2.3实验性技术

传统的生物实验性技术主要是通过显微操作进行细胞的融合或拆合，从而实现细胞杂交，将细胞质、核分开，实现核的移植、基因导入、细胞切割等，采用激光技术以后这些传统的实验性技术可以有新的突破性进展。 2.3.1激光显微外科操作

将激光引入光学显微镜聚焦成微米级或亚微米级光点的微束装置可对细胞靶体进行显微外科手术。这一技术与常规的显微操作(如化学法和显微注射法等)比起来，具有定位精确、操作简便、可对细胞靶体进行选择性损伤等优点，因而受到人们的普遍重视。

1984年，日本理化研究所首次报道了用激光微束在细胞上打孔并导入外源DNA的研究，其后美国加州大学贝克曼激光研究所、德国的韦伯和日本日立相继报道了用激光束穿刺细胞壁、细胞膜和核膜，导入外来基因的结果，为遗传学的研究开辟了新途经。

1988年，日本建成了激光切割染色体的装置，此装置可通过计算机将激光照射精度定到0.1微米以下，只要指明染色体的位置，即可自动地切断或削去特定部位，可将染色体切成传统切割尺寸的十分之一大小，并且可将不要的部位利用热能汽化除掉。从而实现DNA或蛋白质分子的有选择性的新重复制或分子裁剪，以致改变生物大分子的遗传结构和生物功能。如果把激光切割染色体与微克

隆和细胞培养等生物技术结合，则就有可能为基因定位和分离开辟出一条新的途径。

199。年，英国学者将激光细胞切割用于DNA的修补工作。他们先用KrF准分子激光器的248纳米波长的辐射照射DNA，靠激光产生的等离子体中的强X射线切断DNA的索带，然后用XeF准分子激光器的351纳米辐射进行修补。此项研究的目的在于探讨激光修补DNA的动力学原理和机制，以便为揭示致癌机理和癌症治疗提供科学依据。 2.3.2细胞融合

细胞融合是细胞工程的重要内容，通过细胞融合可以实现细胞杂交，采用激光微束装置皿可将两个不同特性、不同大小的细胞在显微镜下融合。

王9尽7和1989’年，德国海德堡理化研究所相继报道了用激光诱导哺乳动物细胞融合和植物原生质体融合的工作。他们使用的是准分子激光器泵浦的染料激光器，高强度的激光微束照射使油菜原生质体膜受到损伤，在这种短暂损伤下相邻的原生质体膜相互融合成一个细胞。与其他方法相比，激光法的优点是无毒性、对融合点或融合对象有选择性和能够监视融合全过程等。 2.3.3激光操纵生物拉子

运转于基模的激光器输出的高斯光束存在一个非常高的强度梯度，它可以产生巨大的梯度力，此力可在光轴焦点附近形成一个三维光学势阱，利用此激光势阱可以成功地捕获微小的宏观粒子，以后所能捕获的粒子越来越小，目前已做到可将钠原子的运动速度从600米/秒冷却到平均速度近似为零，因而有人设想利用激光的这种特性来捕获单个的生物细胞，并进行无损伤的操作。

生物体对于并红外辐射来说是相对透明的，人们用1.06微米的红外激光在实验中观察到了被捕获的大肠杆菌和酵母细胞的繁殖，后来又可使两束激光成功地抓住杆菌的两端，并使其转动，199。年，中国科学技术大学也在国内首次成功地捕获了悬浮于水中的脂肪小球(3~5微米)、某些细菌(红葡萄球菌)和原生小动物(鞭毛虫等)，他们不仅使被捕获的生物粒子保持在势阱中几十秒钟而未被损伤，并且做到了钳住粒子慢速平移，使细胞与其群体分离，实现了对生物粒子的操纵。