利用飞秒激光光镊捕获生物细胞

利用飞秒激光光镊捕获生物细胞3
王　锴3,邢岐荣,毛方林,郎利影,王　专,柴　路,王清月
(天津大学精密仪器与光电子工程学院超快激光研究室,光电信息技术科学教育部重点实验室,天津300072)
摘要:采用自行搭建的飞秒激光光镊,实现了对人体血红细胞(RBC)的稳定捕获。

使用的光源为自行搭建的掺钛蓝宝石克尔透镜锁模激光器,输出中心波长810nm、脉冲宽度40f s和重复频率为100M Hz的飞秒激光脉冲。

通过实验比较了飞秒激光光镊和连续(CW)激光光镊的捕获能力,依据实验数据,比较了两者的Q值。

实验结果显示,飞秒激光光镊对于捕获生物细胞同样有效,将光镊技术和飞秒激光特性相结合用于生物学研究领域会有很好的应用前景。

关键词:光镊;飞秒激光;Q值;血红细胞(RBC)
中图分类号:TN249 文献标识码:A 文章编号:100520086(2005)1221480204
Optical T rapping of Biological Using a Femtosecond Laser Tw eezers
WAN G Kai3,XIN G Qi2rong,MAO Fang2lin,L AN G Li2ying,WAN G Zhuan,
C HA I L u,WAN G Qing2yue
(Ultrafast Laser Laboratory,College of Precision Instrument and Optoelectronics Engineering,Tianjin U2 niversity,Key Laboratory of Opto2electronics Information and Technical Science,EMC,Tianjin300072, China)
Abstract:We have implemented a femto second la ser tweezers,and the stable optical trap2 ping of human red blood cells(RBC)was observed.A homemade Kerr2lens mode2locked (M L)Ti:sapphire la ser that delivers40fs pulse s at810nm with a100MHz rep etition rate was used as the light source.We mea sured the optical trapping capability and Q2values of the femto second laser tweezers in comp arison with CW laser tweezers.From the exp eri2 ments,we can see femto second laser tweezers are just as effective a s CW laser tweezers on optical trapping of biological cells.The technology of optical tweezers integrated with characteristics of femto second pulses ha s a good future.
K ey w ords:optical tweezers;femtosecond laser;Q2value;red blood cells(RBC)
1　引　言
自Ashkin等[1]发明光镊后,由于光镊可以非接触、无损伤地操纵生物细胞甚至单个分子,被广泛应用于生物学和物理学的基础研究[2～4]。

迄今几乎所有应用于生物学的光镊都是利用连续(CW)激光作为光源的。

近10年,飞秒激光技术和色散补偿技术迅速发展[5],现在可直接从激光振荡级输出几f s的激光脉冲[6]。

飞秒激光脉冲具有极窄的脉宽和极高的峰值功率,作用于生物组织时几乎不伤及周围区域,具有很高的空间和时间分辨率。

鉴于飞秒激光脉冲的独特优势和光镊技术在生物学领域广泛的应用前景,我们曾提出建立飞秒激光细胞显微手术系统[7],并对以飞秒激光作为光源的光学势阱的可行性和稳定性进行了详细的理论分析[8～10]。

Malmqvist等人[11]以较高平均功率的飞秒激光为光源,捕获非线性介质颗粒的同时实现了二次谐波的产生。

近年,Agate等人[12]利用飞秒激光光镊成功捕获带染料的聚合体小球,并研究了其双光子荧光发射特性。

光电子・激光
第16卷第12期　2005年12月 J ournal of Optoelect ronics・L aser Vol.16No.12　Dec.2005 3 收稿日期:2005204220　修订日期:2005206221
　3　E2m ail:wangkai304@
本文采用自行搭建的飞秒激光光镊,实现了对人体血红细胞(RBC)的稳定捕获,并通过测量计算飞秒激光光镊和CW激光光镊的Q值,对两者的捕获能力进行了比较。

2　实验装置
实验装置如图1所示。

采用自行搭建的掺钛蓝宝石激光器作为光源,输出中心波长810nm、脉冲宽度40f s和重复频率为100M Hz的飞秒激光脉冲。

激光器的运转方式可以方便地在CW和锁模间切换。

主体设备为Olymp us公司的IX71212型倒置式生物显微镜。

飞秒激光脉冲通过显微镜的物镜聚集到样品之前,须经过耦合光路使之与显微镜内置光路同轴并齐焦。

耦合光路由透镜L1、L2和反射镜M1、M2组成。

L1(f=150mm)放置在可以在光轴方向移动的一维平台上,调节它在轴间的位置,使之与显微镜内置的透镜L2(f=180mm)构成1∶1的望远系统。

调节M1、M2,使飞秒激光光束进入显微镜后与其内部成像光路完全同轴。

P为一可以旋转的检偏器,用来调节进入显微镜激光的平均功率。

采用Olymp us公司的N EA100型物镜(N A=1.25)能很好地满足单光束势阱的需要。

显微镜的载物台放置在由2个线性激励源(Linear Act uator,Zaber.T2 L A28)控制的X2Y二维平台(M432,Newport)上,线性激励源的最小步长为0.2μm。

激励源由计算机控制,同时在计算机屏幕上通过CCD实时监控操作过程。

P:Polarizer;L1,L2:Lenses;M1,M2,M3
and M4:Morrors;C:Transmission cube;
BS:Beam splitter;IR:IR blocking filter
图1　实验装置示意图
Fig.1　Schem atic of the optical m anipulation system 3　实　验
3.1　对RBC的捕获
首先标定入射到目标细胞上的激光功率。

通过旋转检偏器,测量检偏器前的飞秒激光的平均功率(入射功率)和通过物镜聚焦后到样品位置的飞秒激光平均功率,得到了两者的比例关系,以标定检偏器旋转角度与物镜焦点处激光功率的关系。

目的是在实验操作中,通过测量检偏器前的平均功率联合检偏器的旋转角度就能方便地得到透过物镜聚焦到样品上的平均功率。

选用人体RBC作为待捕获的样品。

RBC呈双凹圆盘状,直径约为7.5μm。

未经激光照射时,RBC 自由悬浮于浓度为0.9%的生理盐水中,并作随机的小幅运动,如图2(a)所示。

此时,将激光器运行于锁模状态,令输出的飞秒激光在样品位置的平均功率为1.6mW。

飞秒激光光斑位置固定不变,通过计算机控制载物台的移动,将待捕获的RBC移向光斑位置。

当待捕获RBC接近激光光斑约几μm时,RBC就会快速地被吸引至光斑中心,受激光照射后RBC在光学力的作用下被空间翻转,被捕获RBC碟面垂直于载物对,故观察到的RBC为长条形,如图2(b)、(c)所示。

继续以一定速度移动载物台,其它自由RBC 随之运动,而被捕获的RBC在光学势阱的作用下,静止不动,充分证明了RBC被飞秒激光脉冲稳定捕获,如图2(d)所示。

撤除飞秒激光的照射,被捕获RBC 快速恢复到初始的自由运动状态。

对单个RBC进行长时间的光学捕获,RBC未产生明显损伤。

3.2　飞秒激光光镊和CW激光光镊捕获能力的比较 通过比较光镊Q值来衡量光镊的捕获能力,其可表示为[12]
Q=3dkc
n
v
P
(1)
其中:η为流体的粘滞系数,常温下水的粘滞系数η= 1×10-3Ns/m2;d为样品微粒的直径;k为深度影响因子[13],实验中样品位于溶液中部,k取1;c为光速; v为逃逸速度,被捕获的样品在光镊的作用下以一定的速度移动,当速度达到某一临界值时,会脱离光势阱的束缚,这个临界速度称为逃逸速度;n为样品周围溶液的折射率;P为照射到样品上激光的平均功率。

由式(1)可以看出,当其它实验条件相同时,光镊的捕获能力取决于逃逸速度和平均功率的比值。

实验中,首先使激光器工作在锁模运装状态,输
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第12期　王　锴等:利用飞秒激光光镊捕获生物细胞
The arrows point to (1)The target RBC ;(2)The reference RBC.(a )Untrapped target RBC ;
(b )2(c )The target RBC is trapped.Change of t he relative position between
t he trapped RBC and t he reference RBC ,as showsn in Figs.(d ),demonstrates t hat t he target RBC was stably trapped
图2　飞秒激光对人体RBC 的捕获过程
Fig.2　Sequential video frames showing trapping of a hum an RBC with femtosecond laser pulse train
出飞秒激光脉冲,测试不同飞秒激光平均功率下被捕
获RBC 的逃逸速度。

然后使激光器工作在非锁模的CW 运转状态,测试CW 激光功率与被捕获RBC 的逃逸速度的关系。

实验获得的v 2P 关系如图3所示。

由图3可以看出,对于CW 激光光镊和飞秒激光光镊,其最小捕获功率相等。

这是因为在最小捕获功率下,光镊的捕获力仅用于克服被捕获RBC 的自由漂移,而其自由漂移的速度极小,在相邻2个飞秒脉冲的时间间隔内,RBC 偏离捕获中心的位移很小,因此对CW 激光光镊和飞秒激光光镊捕获能力的影响较小。

当载物台带动RBC 运动速度增加时,使得相邻2个飞秒脉冲间隔内被捕获RBC 逃离捕获中心的距离增加,因此飞秒激光光镊需要稍大的捕获功率,将离开捕获中心位置的RBC 拉回至捕获中心处。

因此,随着逃逸速度的增加,脉冲状态所用的捕获功率比CW 状态的逐渐增大些。

这与我们早先的理论讨论相似。

图3　逃逸速度和照射到RBC 上
激光平均功率的关系
Fig.3　The dependence of the escape speeds
of the trapped RBC on the average pow ers incident on the target RBC
由图3的实验数据,计算并比较了该实验中飞秒
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光电子・激光　2005年　第16卷　
激光光镊和CW激光光镊的Q值,给出了计算的平均值,如表1所示。

逃逸速度较大时更能反映飞秒激光光镊的捕获能力,在计算平均Q值时舍去了平均功率小于0.6mW的数据。

从表1可以看到,飞秒激光光镊的Q值稍低于传统的CW激光光镊,但是并不影响对RBC的稳定捕获,飞秒激光光镊具有和CW激光光镊相近的捕获能力。

与Agate等[14]捕获小球微粒测得的Q值相比,我们的结果稍低。

可能有2种原因:1)我们的实验系统本身的效率稍低;2)我们捕获的样品是双凹圆盘形的RB C,在光势阱的作用下发生空间翻转,与形状规则的小球微粒相比可能需要更大的捕获功率。

表1　飞秒激光光镊和CW激光光镊Q值的比较
T ab.1　Comparison of Q2values betw een
femtosecond and CW laser tw eezers
Tweezer regime Q2value
Femtosecond0.08990±0.00398
CW0.10635±0.00302
4　结　论
利用飞秒激光光镊,对人体RBC实现了稳定捕获,通过测量被捕获细胞的逃逸速度进而计算Q值比较了飞秒激光光镊和CW激光光镊的捕获能力,实验证明了飞秒激光光镊的可行性和有效性。

实验结果显示,将光镊技术和飞秒激光特性相结合用于生物学研究领域会有很好的应用前景。

参考文献:
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作者简介:
王　锴　(1982-),男,江苏人,在读硕士研究生,主要从事飞秒激光及其应用方面的研究1
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第12期　王　锴等:利用飞秒激光光镊捕获生物细胞 。