激光與生命科學(xué)論文(2)
激光與生命科學(xué)論文
激光與生命科學(xué)論文篇二
關(guān)鍵詞：激光技術(shù);生命科學(xué);研究;應(yīng)用
1、前言
生命現(xiàn)象是細(xì)胞存在的運(yùn)動(dòng)形式。生命活動(dòng)本質(zhì)上講是以細(xì)胞活動(dòng)為基礎(chǔ)的。有人做過(guò)這樣的結(jié)論:“一切生物問(wèn)題的答案最終要到細(xì)胞中去尋找”。由此可見(jiàn)，細(xì)胞研究在生命科學(xué)中的重要位置。從細(xì)胞生物學(xué)的發(fā)展歷史來(lái)看，研究方法和手段的不斷創(chuàng)新推動(dòng)了生命科學(xué)從一個(gè)水平發(fā)展到一個(gè)新的水平。60年代迅速發(fā)展起來(lái)的激光新技術(shù)為細(xì)胞生物學(xué)的研究提供了嶄新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和手段，在生命科學(xué)的研究中已展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。一門新興的交叉學(xué)科一激光細(xì)胞工程學(xué)正在逐步形成。本文擬對(duì)近年來(lái)激光技術(shù)在細(xì)胞研究中的諸多應(yīng)用作一綜述，以期引起人們關(guān)注激光技術(shù)在生命科學(xué)研究中的重要作用。
2、背，材料
就細(xì)胞生物學(xué)的研究方法而言，概括起來(lái)大致可分為四類:形態(tài)觀察;生化分析;生理測(cè)定及一些實(shí)驗(yàn)性技術(shù)，激光技術(shù)在其中則都大有用武之地，下面簡(jiǎn)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(xì)胞檢測(cè)觀察不是采用光學(xué)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(xì)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(xué)家渴望的是對(duì)活細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行三維觀察，而X激光全息或?qū)游龇ㄒ烟峁┝私鉀Q此問(wèn)題的途徑。
美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用高功率激光器已拍攝到第一張鼠胰腺細(xì)胞的X射線全息圖，并可使用可見(jiàn)激光來(lái)再現(xiàn)，但分辨率還較低。雖然X激光細(xì)胞全息圖還未達(dá)到實(shí)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(duì)生物活細(xì)胞成象，不用染色就可以在蛋白質(zhì)和細(xì)胞液之間獲得很高的對(duì)比度，超短脈沖激光等離子體軟X射線可以在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)樣品曝光，可以避免對(duì)樣品的損傷，這是其它X射線源所無(wú)法比擬的。
2.1.2熒光壽命時(shí)間分辮顯微術(shù)
曾經(jīng)在細(xì)胞生物學(xué)中廣泛應(yīng)用的熒光(強(qiáng)度)顯微鏡只能提供穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度圖象，它主要揭示在細(xì)胞區(qū)域內(nèi)的著色點(diǎn)及指明抗體的數(shù)目，將脈沖激光時(shí)間分辨、光譜分辨的高信息容量與二維顯微成象相結(jié)合就能構(gòu)成全新的激光熒光壽命時(shí)間分辨顯微鏡，它可以觀察到細(xì)胞的結(jié)構(gòu)圖象，特別是采用選擇激發(fā)方式，可以研究細(xì)胞內(nèi)諸如K+、CaZ+、O:等感興趣的特定物質(zhì)的濃度分布及圖象，其對(duì)比度與該細(xì)胞內(nèi)一部份試樣激發(fā)熒光的壽命有關(guān)，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(shù)是研究生物體系結(jié)構(gòu)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(shù)可實(shí)現(xiàn)時(shí)間及空間的高分辨率研究，例如對(duì)脫氧核糖核酸(DNA)、蛋白質(zhì)、葉綠素、視紫紅質(zhì)、叮吮類染料形成的絡(luò)合物等樣品進(jìn)行的各種激光光譜測(cè)定獲得了有關(guān)分子結(jié)構(gòu)、各種能量轉(zhuǎn)移過(guò)程、扭轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)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(guò)程，例如光合作用、視覺(jué)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(duì)于某一分子內(nèi)部的分子鍵，即分子態(tài)進(jìn)行選擇激發(fā)，從而可以實(shí)現(xiàn)分子間的選擇性分離。美國(guó)的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室曾利用激光選擇激發(fā)及光致電離的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的細(xì)胞分離，獲得了發(fā)明專利。
2.3實(shí)驗(yàn)性技術(shù)
傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)性技術(shù)主要是通過(guò)顯微操作進(jìn)行細(xì)胞的融合或拆合，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)胞雜交，將細(xì)胞質(zhì)、核分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)核的移植、基因?qū)?、?xì)胞切割等，采用激光技術(shù)以后這些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)性技術(shù)可以有新的突破性進(jìn)展。
2.3.1激光顯微外科操作
將激光引入光學(xué)顯微鏡聚焦成微米級(jí)或亞微米級(jí)光點(diǎn)的微束裝置可對(duì)細(xì)胞靶體進(jìn)行顯微外科手術(shù)。這一技術(shù)與常規(guī)的顯微操作(如化學(xué)法和顯微注射法等)比起來(lái)，具有定位精確、操作簡(jiǎn)便、可對(duì)細(xì)胞靶體進(jìn)行選擇性損傷等優(yōu)點(diǎn)，因而受到人們的普遍重視。
1984年，日本理化研究所首次報(bào)道了用激光微束在細(xì)胞上打孔并導(dǎo)入外源DNA的研究，其后美國(guó)加州大學(xué)貝克曼激光研究所、德國(guó)的韋伯和日本日立相繼報(bào)道了用激光束穿刺細(xì)胞壁、細(xì)胞膜和核膜，導(dǎo)入外來(lái)基因的結(jié)果，為遺傳學(xué)的研究開(kāi)辟了新途經(jīng)。
1988年，日本建成了激光切割染色體的裝置，此裝置可通過(guò)計(jì)算機(jī)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(dòng)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(shí)現(xiàn)DNA或蛋白質(zhì)分子的有選擇性的新重復(fù)制或分子裁剪，以致改變生物大分子的遺傳結(jié)構(gòu)和生物功能。如果把激光切割染色體與微克隆和細(xì)胞培養(yǎng)等生物技術(shù)結(jié)合，則就有可能為基因定位和分離開(kāi)辟出一條新的途徑。
199。年，英國(guó)學(xué)者將激光細(xì)胞切割用于DNA的修補(bǔ)工作。他們先用KrF準(zhǔn)分子激光器的248納米波長(zhǎng)的輻射照射DNA，靠激光產(chǎn)生的等離子體中的強(qiáng)X射線切斷DNA的索帶，然后用XeF準(zhǔn)分子激光器的351納米輻射進(jìn)行修補(bǔ)。此項(xiàng)研究的目的在于探討激光修補(bǔ)DNA的動(dòng)力學(xué)原理和機(jī)制，以便為揭示致癌機(jī)理和癌癥治療提供科學(xué)依據(jù)。
2.3.2細(xì)胞融合
細(xì)胞融合是細(xì)胞工程的重要內(nèi)容，通過(guò)細(xì)胞融合可以實(shí)現(xiàn)細(xì)胞雜交，采用激光微束裝置皿可將兩個(gè)不同特性、不同大小的細(xì)胞在顯微鏡下融合。
王9盡7和1989’年，德國(guó)海德堡理化研究所相繼報(bào)道了用激光誘導(dǎo)哺乳動(dòng)物細(xì)胞融合和植物原生質(zhì)體融合的工作。他們使用的是準(zhǔn)分子激光器泵浦的染料激光器，高強(qiáng)度的激光微束照射使油菜原生質(zhì)體膜受到損傷，在這種短暫損傷下相鄰的原生質(zhì)體膜相互融合成一個(gè)細(xì)胞。與其他方法相比，激光法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)毒性、對(duì)融合點(diǎn)或融合對(duì)象有選擇性和能夠監(jiān)視融合全過(guò)程等。
2.3.3激光操縱生物拉子
運(yùn)轉(zhuǎn)于基模的激光器輸出的高斯光束存在一個(gè)非常高的強(qiáng)度梯度，它可以產(chǎn)生巨大的梯度力，此力可在光軸焦點(diǎn)附近形成一個(gè)三維光學(xué)勢(shì)阱，利用此激光勢(shì)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(lái)越小，目前已做到可將鈉原子的運(yùn)動(dòng)速度從600米/秒冷卻到平均速度近似為零，因而有人設(shè)想利用激光的這種特性來(lái)捕獲單個(gè)的生物細(xì)胞，并進(jìn)行無(wú)損傷的操作。
生物體對(duì)于并紅外輻射來(lái)說(shuō)是相對(duì)透明的，人們用1.06微米的紅外激光在實(shí)驗(yàn)中觀察到了被捕獲的大腸桿菌和酵母細(xì)胞的繁殖，后來(lái)又可使兩束激光成功地抓住桿菌的兩端，并使其轉(zhuǎn)動(dòng)，199。年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)也在國(guó)內(nèi)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(xì)菌(紅葡萄球菌)和原生小動(dòng)物(鞭毛蟲(chóng)等)，他們不僅使被捕獲的生物粒子保持在勢(shì)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(xì)胞與其群體分離，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物粒子的操縱。
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