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)胞存在的運動形式。生命活動本質(zhì)上講是以細(xì)胞活動為基礎(chǔ)的。有人做過這樣的結(jié)論:“一切生物問題的答案最終要到細(xì)胞中去尋找”。由此可見，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)展歷史來看，研究方法和手段的不斷創(chuàng)新推動了生命科學(xué)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(shù)為細(xì)胞生物學(xué)的研究提供了嶄新的實驗技術(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。本文擬對近年來激光技術(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(shù)，激光技術(shù)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(xì)胞檢測觀察不是采用光學(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)家渴望的是對活細(xì)胞內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象進行三維觀察，而X激光全息或?qū)游龇ㄒ烟峁┝私鉀Q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(xì)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(xì)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(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(nèi)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(shù)
曾經(jīng)在細(xì)胞生物學(xué)中廣泛應(yīng)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(xì)胞區(qū)域內(nèi)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(jié)合就能構(gòu)成全新的激光熒光壽命時間分辨顯微鏡，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(zhì)、葉綠素、視紫紅質(zhì)、叮吮類染料形成的絡(luò)合物等樣品進行的各種激光光譜測定獲得了有關(guān)分子結(jié)構(gòu)、各種能量轉(zhuǎn)移過程、扭轉(zhuǎn)動力學(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(nèi)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(shù)實現(xiàn)了高靈敏度的細(xì)胞分離，獲得了發(fā)明專利。
2.3實驗性技術(shù)
傳統(tǒng)的生物實驗性技術(shù)主要是通過顯微操作進行細(xì)胞的融合或拆合，從而實現(xiàn)細(xì)胞雜交，將細(xì)胞質(zhì)、核分開，實現(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)的實驗性技術(shù)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(xué)顯微鏡聚焦成微米級或亞微米級光點的微束裝置可對細(xì)胞靶體進行顯微外科手術(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，具有定位精確、操作簡便、可對細(xì)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(xì)胞上打孔并導(dǎo)入外源DNA的研究，其后美國加州大學(xué)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(xì)胞壁、細(xì)胞膜和核膜，導(dǎo)入外來基因的結(jié)果，為遺傳學(xué)的研究開辟了新途經(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(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辟出一條新的途徑。
199。年，英國學(xué)者將激光細(xì)胞切割用于DNA的修補工作。他們先用KrF準(zhǔn)分子激光器的248納米波長的輻射照射DNA，靠激光產(chǎn)生的等離子體中的強X射線切斷DNA的索帶，然后用XeF準(zhǔn)分子激光器的351納米輻射進行修補。此項研究的目的在于探討激光修補DNA的動力學(xué)原理和機制，以便為揭示致癌機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，通過細(xì)胞融合可以實現(xiàn)細(xì)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(xì)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(dǎo)哺乳動物細(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細(xì)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(zhuǎn)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(chǎn)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(xué)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(shè)想利用激光的這種特性來捕獲單個的生物細(xì)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(xì)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(zhuǎn)動，199。年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)也在國內(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(xì)胞與其群體分離，實現(xiàn)了對生物粒子的操縱。
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