利用光阱力测量血红细胞膜的弹性模量(2)
时间:2020-06-21 15:00 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
后来， 这个技术发展为激光制冷技术， 它不仅能在微米级粒子上实现使用，而且能推广至分子、原子的尺度。于1997 年获得诺贝尔物理学奖的朱棣文，就是因为在激光制冷技术领域取得了巨大的成就。20世纪 90年代，Arthur Ashkin等发现，单单一束有着高相干性、高度聚焦、高强度等特点的激光，就能够形成相当稳定且可以将粒子稳定囚禁的势阱[3-4]。这宣告光镊技术诞生了，它的全名是单光束梯度力光阱。如Arthur Ashkin 所说，光镊为相关领域做科研的科学家们打开了对细胞进行精确研究的大门。 它的发明， 使得在微观世界中， 人们变被动观察为主动操控，意义极大。由于光镊有无损伤操控细胞、精准对微粒进行定位等特点，它已在众多研究领域实现使用，比如光子晶体制备、粒子的显微加工、血红细胞的捕获、激光冷却技术。所以，在医学、物理学、生物科学、材料学和化学等相关领域，光镊技术将发挥无可替代的巨大作用。1.2 国内外光镊技术研究进展1999年，S. Hénon使用双光镊法测得人类红细胞剪切模量 2.5±0.4μN/m。2000年-2002 年，出现了单光阱法、三光阱法等各种方法研究红细胞弹性以及红细胞血影蛋白骨架。2003年，RR Huruta 提出基于光镊的粘滞阻力拉伸法，基于此法研究了血细胞弹性与存储时间的关系、羟基脲对镰状细胞贫血病人的治疗效果。2004 年，Samarendra 等人使用光镊研究了疟疾病人不同时期的红细胞的光致自旋的速度。2008 年，Mohanty 等人使用基于光镊的粘滞阻力拉伸法对正常人和疟疾病人的剪切模量进行测量和比较。2009年， Bambardekar等人对不同渗透压环境下的红细胞在光镊捕获中的旋转状态进行了研究。2012年， Maria 等人使用光镊研究了正常人和系统性红斑狼疮病人的红细胞间的吸附力。2013 年，陈银泉等人使用光镊研究了细胞膜上的不同组成部分对于细胞膜弹性的影响。2014年，Crick 等人使用双光镊定量的研究了疟原虫感染的红细胞相互作用力。2015年，Justryna 通过数值模拟与实验相结合的方法研究了储存血细胞剪切模量，省去了光镊力标定的步骤；Kisung Lee 等人对红细胞聚集的原理进行了深入研究，得出聚集力主要由血浆中蛋白分子桥接产生。1.3 光镊技术简介光镊是一种物理工具，它基于激光的力学效应，当高强度汇聚的光场与粒子进行相互作用时，会形成光学势阱[5]，以此原理来捕获微粒。在20 世纪70 年代，Arthur Ashkin 等科学家第一次成功地实现了利用激光来驱动微米级微粒的实验。后来，他们又有了新的发现，即由于粒子的折射率大于周边介质的折射率，所以会出现粒子在横向被吸入光束。基于以上两种现象的研究，Arthur Ashkin 提出利用光压控制粒子的想法。第一套利用光压控制粒子的工具就是他建立的，这套方法使用两束相向照射的激光， 以此捕获在水溶液中的玻璃小球。 十几年后， ArthurAshkin 等科学家又有了新的发现，仅仅一束高聚焦的激光就可以形成稳定的三维光势阱，而且微粒能被这个势阱吸引并限制在焦点的附近。源`自,优尔.文;论"文'网[www.youerw.com就这样第一台光镊出世了，它的学术名称为“单光束梯度力势阱” 。随着技术的完善和研究的深入，光镊表现出突出的优势。不仅仅是因为它在捕获粒子时，有非接触无损伤等好处，也因为它的应用对象的尺寸不断变小。尤其在生物学领域上，光镊的的优势更是势不可挡。近几年，在测量生物样本的力学量和细胞的运动过程上[6-9]，常常使用光镊，既简单又便捷。虽然在理论上光具有动量和能量，但在实际应用上，人们总是习惯利用光的能量而忽视利用光的动量。这是因为在日常生活中，人们接触的照明光和太阳光只有很小的力学效应，并不能从宏观上被感受到。而 Arthur Ashkin 却利用了具有高强度、良好的方向性激光，使人们能够用显微镜观察到光的力学效应。光镊技术就是基于光的力学效应发展起来的。对单光束梯度力光阱，有一个生动的称呼，就是光镊。这是因为单光束梯度力光阱在宏观上和我们平时使用的镊子有相似的功能，即操纵粒子的功能。虽然有着相似的功能， 但与宏观镊子相比， 光镊的优越性是不可超越的。 光镊非接触、无损伤的特点，使得它非常适合在生命科学研究方面，尤其是在单细胞研究领域扩大应用。第一，尺度为从几十纳米大至几十微米的粒子都能够被光镊捕捉到，而这个范围正好和细胞等尺度重合。再者，具有温和操纵特点的光镊不会让细胞有所损失，即使激光产热，也可以选择波长，以此来避开细胞的吸收波长，使产热达到最小。此外，因为多数的细胞膜是有弹性且透明的，所以很利于光透过细胞膜操作细胞里面的微小结构，而这种作用其他的手段做不到。光镊不仅仅能对粒子进行操控，还能对微小的力进行测量，微粒偏离中心的位移与其受到线性恢复力成正比，这与弹簧相似。光镊，因此能在操作的过程中感应捕获粒子的微小受力情况。所以，光镊也是一种力传感器，而且非常灵敏，能够测量细胞与细胞之间的相互作用，并精确到具体数值，可以通过以上操作来深入了解发现细胞功能及其可能有的活动的规律。 (责任编辑：qin) |