21類激光技術(shù)前沿應(yīng)用系列大揭秘！（上）
以下文章來源于神奇激光世界-長春新產(chǎn)業(yè) ，作者新產(chǎn)業(yè)激光，江蘇激光聯(lián)盟轉(zhuǎn)載
神奇激光世界-長春新產(chǎn)業(yè)
長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司（CNI）是依托中國科學(xué)院長春光機(jī)所設(shè)立的高科技企業(yè)，主要從事半導(dǎo)體激光器、固體激光器、 激光測(cè)量設(shè)備、光譜儀器、教學(xué)儀器和機(jī)器視覺產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，并提供光學(xué)儀器、精密機(jī)械和光學(xué)鍍膜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和加工。
近年來，以激光器為基礎(chǔ)的激光產(chǎn)業(yè)在全球發(fā)展迅猛。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年和激光相關(guān)產(chǎn)品和服務(wù)的市場(chǎng)價(jià)值高達(dá)上萬億美元。得益于應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，中國激光產(chǎn)業(yè)也逐漸駛?cè)敫咚侔l(fā)展期。小編將為大家介紹21類激光前沿應(yīng)用，并對(duì)激光器的選擇提供一些參考性建議。
1、數(shù)字PCR（dPCR）
數(shù)字PCR是第三代PCR技術(shù)，是一種核酸分子絕對(duì)定量技術(shù)。與傳統(tǒng)qPCR技術(shù)相比，數(shù)字PCR(dPCR)具有：絕對(duì)定量、無需標(biāo)準(zhǔn)品、樣品需求低，高靈敏度，高耐受性等特點(diǎn)。
數(shù)字PCR一般包括兩部分內(nèi)容，即PCR擴(kuò)增和熒光信號(hào)分析。在PCR 擴(kuò)增階段，數(shù)字PCR一般需要將樣品稀釋到單分子水平，并平均分配到幾十至幾萬個(gè)單元中進(jìn)行反應(yīng)，通過特定激光來激發(fā)出通道中的熒光信號(hào)。在擴(kuò)增結(jié)束后對(duì)各個(gè)反應(yīng)單元的熒光信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，最后通過直接計(jì)數(shù)或泊松分布公式計(jì)算得到樣品的原始濃度或含量。相對(duì)于qPCR技術(shù)，dPCR技術(shù)具備以下優(yōu)勢(shì)：（1）靈敏度可達(dá)單個(gè)核酸分子：檢測(cè)限低至0.001%；（2）無需標(biāo)準(zhǔn)品/標(biāo)準(zhǔn)曲線，即可對(duì)靶分子起始量進(jìn)行絕對(duì)定量；（3）特別適合基質(zhì)復(fù)雜樣品的檢測(cè)；（4）能夠有效區(qū)分濃度差異（變化）微小的樣品，有更好的準(zhǔn)確度、精密度和重復(fù)性。目前，數(shù)字PCR技術(shù)在病原體檢測(cè)、癌癥生物標(biāo)志物研究和拷貝數(shù)變異分析、基因表達(dá)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品檢測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
常見的數(shù)字PCR(dPCR)技術(shù)主要有兩種：微滴式dPCR(ddPCR)和芯片式dPCR(cdPCR)。兩者基本原理相同，由于芯片式dPCR制造芯片的成本較高，目前微滴式dPCR以更低成本、更實(shí)用的優(yōu)勢(shì)，正越來越受到企業(yè)的認(rèn)可。微滴式dPCR(ddPCR)也在此次疫情防控中有力推動(dòng)了對(duì)疑似疫情感染患者的甄別工作。
主要組成：熒光通道、激光器、光學(xué)檢測(cè)器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
激光器選擇：高功率穩(wěn)定性，光斑高斯分布。
常用波長：405nm，473nm，532nm，639nm等。
2、流式細(xì)胞術(shù)
流式細(xì)胞術(shù)是一項(xiàng)集激光技術(shù)、電子物理、流體力學(xué)、光電測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、單克隆抗體技術(shù)為一體的新型高科技技術(shù)，被譽(yù)為實(shí)驗(yàn)室的CT，是一種可以對(duì)細(xì)胞(或亞細(xì)胞)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速測(cè)量的新型分析技術(shù)和分選技術(shù)。
通過快速測(cè)定庫爾特電阻、熒光、光散射和光吸收來定量測(cè)定細(xì)胞 DNA含量、細(xì)胞體積、蛋白質(zhì)含量、酶活性、細(xì)胞膜受體和表面抗原等許多重要參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)將不同性質(zhì)的細(xì)胞分開，以獲得供生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究用的純細(xì)胞群體。隨著流式細(xì)胞技術(shù)水平的不斷提高，其應(yīng)用范圍也日益廣泛。流式細(xì)胞術(shù)已普遍應(yīng)用于免疫學(xué)、血液學(xué)、腫瘤學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、細(xì)胞遺傳學(xué)、生物化學(xué)等臨床醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域。
激光器要求：高穩(wěn)定性，低噪聲，定制光斑。
常用波長：355nm，360nm，405nm，473nm，488nm，532nm，561nm，593.5nm，640nm，671nm，785nm等。
3、熒光顯微成像&共聚焦顯微成像
熒光顯微技術(shù)是利用激光作為激發(fā)光源激發(fā)熒光基團(tuán)產(chǎn)生熒光而成像，產(chǎn)生的熒光波長一般與激發(fā)光不同。它與一般光學(xué)顯微鏡一樣是場(chǎng)激發(fā)，因而只能面成像。
共聚焦顯微技術(shù)是在熒光顯微分析技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，利用熒光顯微鏡可以對(duì)生物樣品發(fā)出的熒光進(jìn)行觀察和分析。但是熒光顯微鏡收集到的是樣品的整體熒光，來自樣品內(nèi)不同部位的熒光信號(hào)相互干擾、難以區(qū)分，無法獲得準(zhǔn)確的定位和定量信息。
共聚焦顯微技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這一問題，這一技術(shù)可以獲取細(xì)胞內(nèi)某個(gè)薄層面上的熒光信息，而該層以外的信號(hào)被消除掉，成像清晰程度大大提高。結(jié)合計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，可以對(duì)熒光信號(hào)的分布、強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行全方位的分析，得到豐富的信息。與傳統(tǒng)顯微鏡相比，共聚焦顯微鏡可抑制圖像的模糊，獲得清晰的圖像；具有更高的軸向分辨率，并可獲取連續(xù)光學(xué)切片，增加側(cè)向分辨率；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)掃描，去除了雜散光的影響。其應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到細(xì)胞學(xué)、微生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)、遺傳學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)、生理和病理學(xué)等學(xué)科的研究工作中，成為現(xiàn)代生物學(xué)微觀研究的重要工具。
激光器要求：低噪聲，高功率穩(wěn)定性，窄線寬，自由空間/光纖耦合輸出，單波長/多波長可選。常用波長：266nm，355nm，405nm，473nm，520nm，532nm，561nm，640nm，808nm，980nm等。
4、光聲成像
光聲成像技術(shù)是指：當(dāng)用短脈沖激光輻照生物組織時(shí)，位于組織體內(nèi)的吸收體（如腫瘤）吸收脈沖光能量，從而升溫膨脹，產(chǎn)生超聲波；這時(shí)，位于組織體表面的超聲探測(cè)器可以接收到這些外傳的超聲波，并依據(jù)探測(cè)到的光聲信號(hào)來重建組織內(nèi)光能吸收分布的圖像。近年來，光聲斷層成像、光聲顯微成像、光聲內(nèi)窺成像發(fā)展迅速，使得532nm高重頻固體脈沖激光器，以及可調(diào)諧激光器得到廣泛應(yīng)用。
對(duì)比其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)，光聲成像技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)及先進(jìn)性：
（1）使用非電離輻射，是一種無損的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)。
（2）結(jié)合了光學(xué)成像的高對(duì)比度和超聲成像的高分辨率。解決了光學(xué)成像/超聲成像對(duì)比度不高，無法有效監(jiān)測(cè)早期腫瘤的問題。
（3）適用于通過內(nèi)源性對(duì)比進(jìn)行功能，代謝和組織學(xué)成像，以及通過外部對(duì)比進(jìn)行分子和細(xì)胞成像。并可與其他成像模式互補(bǔ)并兼容，尤其是光學(xué)成像和超聲成像。
常用波長：266nm，457nm，532nm，660nm，770-840nm可調(diào)諧激光器等。
5、光學(xué)相干層析成像（OCT）
光學(xué)相干層析成像(OCT)是20世紀(jì)90年代逐步發(fā)展而成的一種新的三維層析成像技術(shù)。
OCT基于低相干干涉原理獲得深度方向的層析能力，通過掃描可以重構(gòu)出生物組織或材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維或三維圖像。其信號(hào)對(duì)比度源于生物組織或材料內(nèi)部光學(xué)反射(散射)特性的空間變化。該成像模式的核心部件包括低相干寬帶激光光源、光纖邁克爾遜干涉儀和光電探測(cè)器，其軸向分辨率取決于寬帶光源的相干長度，一般可以達(dá)到1-15μm，而徑向分辨率與普通光學(xué)顯微鏡類似，決定于樣品內(nèi)部聚焦光斑的尺寸，一般也在微米量級(jí)。
OCT具有非接觸、非侵入、成像速度快(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)成像)、探測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。目前，OCT技術(shù)已經(jīng)在臨床診療與科學(xué)研究中獲得了廣泛的應(yīng)用，如眼科醫(yī)療，視網(wǎng)膜病、牙科齲齒的檢測(cè)、心血管疾病探查、胃腸道疾病檢測(cè)、乳腺癌早期診斷等，具有其他檢測(cè)設(shè)備無法比擬的高分辨率和精準(zhǔn)度。
主要組成：低相干寬帶激光光源，光纖邁克爾遜干涉儀，光電探測(cè)器等。
激光器要求：較寬的頻譜寬度，高輸出功率，高功率穩(wěn)定性，易于耦合。
常用波長：1470nm，1550nm，1710nm等。
6、DNA測(cè)序
DNA測(cè)序是指通過分析特定DNA片段堿基序列，也就是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）與鳥嘌呤的（G）排列方式，獲得生物遺傳信息的方法。
DNA測(cè)序采用鏈終止法，在DNA轉(zhuǎn)錄末端引入帶有熒光標(biāo)記的寡核苷酸，此時(shí)DNA被分成了長度不同的單鏈；再使其通過激光聚焦光束，不同熒光素會(huì)發(fā)出不同顏色熒光，達(dá)到標(biāo)記核苷酸排序的目的。DNA測(cè)序的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了生物學(xué)和醫(yī)學(xué)的研究和發(fā)現(xiàn)。
常用波長：473nm，488nm，505nm，514.5nm，532nm，561nm，577nm，639.5nm等。
7、光鑷
光鑷(Optical tweezers)技術(shù)基于光輻射壓力與單光束梯度力光阱，是用物鏡下高度匯聚的激光形成的三維梯度勢(shì)阱來俘獲、操縱和測(cè)量微小顆粒力學(xué)特性的光學(xué)技術(shù)。光鑷的應(yīng)用可歸納為四類，即光鑷與細(xì)胞生物學(xué)、光鑷與單分子生物學(xué)、光鑷與膠體科學(xué)以及光鑷與物理學(xué)4個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。光鑷技術(shù)在這些領(lǐng)域已成功解決了許多的重大科學(xué)問題。經(jīng)過近30年的發(fā)展，光鑷技術(shù)得到了極快的發(fā)展。由過去簡(jiǎn)單的單光鑷演化出了許多其他的類型，極大地?cái)U(kuò)大了光鑷技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。
1）全息光鑷：可以自由控制多個(gè)粒子，使得粒子的融合、吸附以及粒子間或粒子與表面的相互作用研究得到簡(jiǎn)化。利用全息元件或空間光調(diào)制器(SLM)所形成的全息光鑷，在多粒子操控方面的優(yōu)勢(shì)，為光鑷技術(shù)走向?qū)嵱没?、?guī)模工業(yè)生產(chǎn)打開了新局面，是目前光鑷家族極具活力的成員。
2）等離子體光鑷：用最小激光能量鑷取最小微粒的納米光鑷。通過采用等離子體光鑷結(jié)構(gòu)，被捕獲的納米顆粒的運(yùn)動(dòng)被限制在等離子體區(qū)域，該區(qū)域比激光的衍射限制區(qū)域小得多，使得捕獲更加穩(wěn)定。等離子體光鑷技術(shù)可以克服自由空間衍射帶來的限制，增強(qiáng)阱內(nèi)的局部光強(qiáng)度，能解決目前光鑷技術(shù)研究中存在的進(jìn)場(chǎng)光鑷倏逝場(chǎng)偏弱、金屬顆粒難以捕獲等問題。等離子光鑷技術(shù)不僅將加速生命/納米/材料科學(xué)的研究進(jìn)展，而且還將產(chǎn)生新的功能材料、納米醫(yī)學(xué)和診斷工具。這一科學(xué)領(lǐng)域在未來將繼續(xù)迅速發(fā)展。
常用波長：532nm、635nm、1064nm等。
今天的激光應(yīng)用解析講到這里先暫時(shí)告一段落，未完待續(xù)，敬請(qǐng)期待下期分享！
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