光钳及其在生物学中的应用

本文综述了光钳的原理及其在细胞生物学、免疫学及分子遗传学中的应用。将光钳和激光微束系统联合使用可以进行显微操作。其特点是操作简便,无机械接触並且绝对无菌。光钳和微束系统可用来切割染色体,收集染色体片段,融合细胞以及改变细胞和细胞器的行为。     

活细胞染色体切割（光刀）和光捕捉（光钳）的研究

本文报道了光捕捉活细胞染色体的最新实验结果。对ＰＴＫ＿２有丝分裂细胞的染色体先围激光刀切割,再用光钳捕捉使该切割的染色体片断的行为发生改变。光捕捉中期切割的染色体片断有可能使它们整合到同一个子细胞中或丢失在分裂沟中。光捕捉后期切割的染色体可使该切割片断或掺入相反的细胞中或丢失在分裂沟中或回到原有的相应子细胞中。光捕捉操纵染色体去水螈肺上支子细胞中不仅同样有效,还可以在纺缍体的边缘,即纺缍体和间丝笼之间的细胞质清澈区域内用光钳操纵染色体片断移动,旋转。根据细胞和染色体形态和行为,对７００－８４０ｎｍ波长范围内的各种波长的光捕捉进行了比较,结果表明,７００ｎｍ或８００－８２０ｎｍ波长操纵的细胞,出现最少的异常细胞百分率,７６０ｎｍ则诱发百分之百的异常细胞率。根据各方面的综合比较,７００ｎｍ为最佳波长,共次为１０６０和８００ｎｍ。７６０ｎｍ损伤细胞最严重,应避免使用。文中并讨论了光捕捉染色体的应用前景。     

单细胞光学操纵方法研究进展

随着单细胞测序技术的发展,人们对细胞异质性的关注越来越密切.单细胞操纵是研究细胞异质性的前提.基于光与物质的相互作用可以实现细胞的光学操纵,本文主要综述了激光显微切割、光镊、激光诱导前向转移和光流体等光学操纵方法的原理与应用.光学操纵无需接触,对细胞污染小、损伤小,而且易于和其他技术集成,对单细胞操纵和分析具有重要意义.     

蝇视觉系统对目标的检测、识别与跟踪

对蝇复眼视觉指导的飞行控制行为进行了下述研究:(1)发现了蝇眼的图形-背景相对运动分辨能力随蝇日龄的增加而提高;(2)在蝇躲避障碍的飞行中,模式的空间频率差别是一重要的深度视觉线索;(3)证明了蝇视觉系统的视错觉与人类的某些视错觉存在着某种可比性;(4)两个亚视觉系统 R1-6与 R7-8对于图形-背景分辨行为所作的贡献不同.所有的R8光感细胞与具有长轴突的R7光感细胞在图形-背景分辨中扮演着重要的角色,其前馈的结构可能与小场景目标检测有关;(5)在Reichardt等提出的图形-背景分辨的生物控制论模型的基础上,对蝇视觉系统的细胞网络模型,提出初步设想.     

光镊和拉曼光镊在生物医学研究中的应用

光镊是由美国科学家Arthur Ashkin于1986年发明的,是一种利用高度汇聚的激光束产生的三维梯度势阱来俘获、操纵微小粒子的技术。因其可俘获、操纵单个细胞,并在细胞和亚细胞层次上为生物医学研究提供方便,近年来,已越来越多地被应用于生物医学研究中。本文在介绍光镊的原理和特点的基础上,阐述了光镊(尤其是拉曼光镊)技术在生物医学领域中的研究进展、现状和展望。     

激光陷阱在显微生物活体研究中的应用

利用激光的力学效应设计三维的光学陷阱,在显微镜下能成功地捕获和操纵活的生物体.这种激光光钳技术可为细胞学研究提供一种新的有效的实验手段.     

激光微束与光钳系统

激光微束与光钳系统周志康（重庆京渝激光生物研究所重庆４０００３９）本文报导了由我所设计的激光微束与光钳系统的结构和特点。本系统由脉冲调Ｑ倍频ＹＡＧ激光和连续ＹＡＧ倍频激光器组成，前者用于微束，后者用于光钳。微束的主要参数激光波长１．０６ｕｍ、０．５３...     

阵列光镊与微流控芯片技术的结合与应用

在生物医学研究领域中,阵列光镊与微流控芯片的结合已经成为进行细胞操纵、转移以及少量细胞样品分选等方面最有希望的方法之一。光镊技术对样品具有非接触弹性控制、无机械损伤、可无菌操作等优势,以及微流控芯片分析的高效、多功能、微型化、低成本等优势,成为芯片实验室(Lab-on-a-Chip)的重要研究方面。该文概述了阵列光镊技术的形成与研究现状以及微流控芯片技术的发展与应用现状,分析了在不同阵列光镊形成方法下结合微流控芯片可实现的功能与应用,并对其发展趋势进行了展望。     

光钳捕获,操纵,分离和模拟提取酵母细胞

运用光陷阱技术进行对酵母细胞的捕获、操纵、分离和模拟提取。     

金属酞菁光敏剂的三阶非线性光学性能研究

从光动力治疗癌症的疗效着眼研究酞菁配合物的三阶非线性光学性能。用时间分辨简并四波混频方法测量苯硫基钛菁锌(C56H32S4Zn),苯硫基铝酞菁(C56H32AlN8O4)以及烷氧基铝酞菁(C56H32AlN8O4)的三阶非线性光极化率;测量四波混频响应的衰减过程;研究时间响应的超快过程和慢过程及其动力学机制,它们分别对应于单态和三线态的寿命。在荧光显微成像系统中观察三种酞菁光敏剂对人肝癌细胞杀伤的形态变化,并用MTT方法检测细胞存活率。对三种酞菁配合物的三线态量子产率和寿命进行测定,结果与它们对人肝癌细胞的光动力杀伤作用相关联。     

激光对生物粒子的操纵

本文介绍了有关激光操纵生物粒子研究进展,包括用单光束梯度力陷阱俘获生物细胞,对细胞内细胞器以及对单个生物大分子进行操纵等的研究,文章最后指出激光陷阱将被作为一种“光学镊子”来自由地操纵和研究单个生物大分子,从而为分子生物学,生物分子工程提供一个崭新的研究手段。     

Mechanical force characterization in manipulating live cells with optical tweezers

Laser trapping with optical tweezers is a noninvasive manipulation technique and has received increasing attentions in biological applications. Understanding forces exerted on live cells is essential to cell biomechanical characterizations. Traditional numerical or experimental force measurement assumes live cells as ideal objects, ignoring their complicated inner structures and rough membranes. In this paper, we propose a new experimental method to calibrate the trapping and drag forces acted on live cells. Binding a micro polystyrene sphere to a live cell and moving the mixture with optical tweezers, we can obtain the drag force on the cell by subtracting the drag force on the sphere from the total drag force on the mixture, under the condition of extremely low Reynolds number. The trapping force on the cell is then obtained from the drag force when the cell is in force equilibrium state. Experiments on numerous live cells demonstrate the effectiveness of the proposed force calibration approach.     

Towards biological applications of nanophotonic tweezers

Optical trapping (synonymous with optical tweezers) has become a core biophysical technique widely used for interrogating fundamental biological processes on size scales ranging from the single-molecule to the cellular level. Recent advances in nanotechnology have led to the development of ‘nanophotonic tweezers,’ an exciting new class of ‘on-chip’ optical traps. Here, we describe how nanophotonic tweezers are making optical trap technology more broadly accessible and bringing unique biosensing and manipulation capabilities to biological applications of optical trapping.     

Measuring intermolecular rupture forces with a combined TIRF-optical trap microscope and DNA curtains

We report a new approach to probing DNA-protein interactions by combining optical tweezers with a high-throughput DNA curtains technique. Here we determine the forces required to remove the individual lipid-anchored DNA molecules from the bilayer. We demonstrate that DNA anchored to the bilayer through a single biotin-streptavidin linkage withstands ∼20 pN before being pulled free from the bilayer, whereas molecules anchored to the bilayer through multiple attachment points can withstand ?65 pN; access to this higher force regime is sufficient to probe the responses of protein-DNA interactions to force changes. As a proof-of-principle, we concurrently visualized DNA-bound fluorescently-tagged RNA polymerase while simultaneously stretching the DNA molecules. This work presents a step towards a powerful experimental platform that will enable concurrent visualization of DNA curtains while applying defined forces through optical tweezers.     

激光扫描共聚焦显微镜在花粉研究中的应用

激光扫描共聚焦显微镜（Laser scanning confocal microscope,LSCM）是普通光学显微镜、激光、计算机及其相应的软件技术结合的产物,能实现连续光学切片和生物三维结构重组及动态分析.作为一种先进的技术手段,LSCM技术已经为花粉生物学的研究提供了有价值的新资料,大大地推动了植物生殖生物学的发展.本文综述了LSCM技术在花粉粒形态（形状、大小及三维重建）、花粉的内部结构（如细胞骨架）、花粉的遗传学、花粉的发育、花粉的萌发、花粉自发荧光特性、孢粉研究等方面中的应用,并指出了LSCM的不足之处,最后提出了LSCM技术在花粉研究中的应用展望.未来LSCM技术应该与多光子技术、活细胞工作站技术相结合使用,才能更准确地进行花粉动态研究的实时监测.     

应用光学微操作技术分选单条水稻染色体

报道了一种基于光镊技术的实用的单条染色体分选技术。具体介绍了用光镊与光刀结合、并辅以微吸管分选水稻单条染色体的过程。通过该方法得到的水稻单条染色体样品经过分子克隆,制备出了染色体特异的DNA片段并用于水稻基因组测序工作。还将光学微操作技术与现有的几种分选单条染色体的方法(如玻璃微针挑取、激光弹射以及流式细胞仪等)进行了比较。与这些方法相比,光学微操作方法具有液相环境中分离、操作简易、对染色体损伤小、选择性高、无污染等优点。     

激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）及其生物学应用

激光扫描共聚焦显微镜（ＬＳＣＭ）有效地排除了非焦平面信息,提高了分辨率及对比度,使图像更为精确清晰;与计算机及相应的软件技术组合,ＬＳＣＭ 实现了连续光学切片,广泛应用于生物三维结构重组及动态分析。目前,激光共聚焦显微技术已成功应用于生物芯片技术、激光显微操作系统、细胞骨架研究、生理生化及胚胎学研究、基因定位等领域。多光子技术的发展,进一步改善了ＬＳＣＭ 成像清晰度,拓宽了ＬＳＣＭ 在生物学领域中的应用。本文叙述了ＬＳＣＭ 的基本原理及其在生物学研究中的应用。     

一种酵母细胞生长现象的实时单细胞拉曼光谱观察

用拉曼镊子观察单个即发活性干酵母(Saccharomy cescerevisiae)细胞在2.0%葡萄糖溶液中的活化过程,收集其拉曼光谱。结果发现,在某一批次的产品中,酵母细胞的1364cm-1峰强度随着细胞的活化而显著增加,531cm-1、652cm-1、1053cm-1等源自葡萄糖或葡萄糖基的信号峰也会随细胞的生长而增强,随后增强的还有1432cm-1、1448cm-1、1561cm-1等源自脂类物质的峰,而源自蛋白质及脂类的1000cm-1、1445cm-1、1655cm-1等峰的信号强度基本不变,酵母细胞代谢活跃的标志峰1603cm-1也基本不变。该批次产品中,10次实验有7次观察到上述现象,而在别的批次产品中并没有观察到该现象。用单细胞拉曼光谱实时记录了这一特殊的生长现象。     

Interlaced optical force-fluorescence measurements for single molecule biophysics

Combining optical tweezers with single molecule fluorescence offers a powerful technique to study the biophysical properties of single proteins and molecules. However, such integration into a combined, coincident arrangement has been severely limited by the dramatic reduction in fluorescence longevity of common dyes under simultaneous exposure to trapping and fluorescence excitation beams. We present a novel approach to overcome this problem by alternately modulating the optical trap and excitation beams to prevent simultaneous exposure of the fluorescent dye. We demonstrate the dramatic reduction of trap-induced photobleaching effects on the common single molecule fluorescence dye Cy3, which is highly susceptible to this destructive pathway. The extension in characteristic fluorophore longevity, a 20-fold improvement when compared to simultaneous exposure to both beams, prolongs the fluorescence emission to several tens of seconds in a combined, coincident arrangement. Furthermore, we show that this scheme, interlaced optical force-fluorescence, does not compromise the trap stiffness or single molecule fluorescence sensitivity at sufficiently high modulation frequencies. Such improvement permits the simultaneous measurement of the mechanical state of a system with optical tweezers and the localization of molecular changes with single molecule fluorescence, as demonstrated by mechanically unzipping a 15-basepair DNA segment labeled with Cy3.