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醫(yī)療激光新聞
星戰(zhàn)至今,激光器越來越小,這次它鉆進了細胞
星之球科技 來源:麻省理工科技評論2016-09-17 我要評論(0 )
歷史上第一個由生物細胞制造的激光器誕生了。
還記得《X戰(zhàn)警》中的鐳射眼嗎?他的眼睛可以發(fā)射毀滅光束。雖然還不能跟他一樣,但歷史上第一個由生物細胞制造的激光器誕生了。
制造“活的”激光器,人類的腎細胞脫穎而出。在將來,這樣“活的”激光器可能在活體動物中被制造出來,這可能會使內(nèi)部組織成像達到前所未有的細致程度。
這并不是首個非傳統(tǒng)意義上的激光器。其他的嘗試還包括使用Jell-O果凍制作的激光器,以及核反應堆驅動的激光器(后文會提到)。但是你怎么能給予一個活的細胞這種奇異的能力呢?
通常情況下,一個激光器由增益介質(這種材料的結構特性使其可以放大光線)以及在其兩邊的鏡片組成。一個能量源——像是閃光管或是放電現(xiàn)象——將會激發(fā)增益介質中的原子并使其釋放光子。一般來說,它們將會射向隨機的方向,就像手電筒的光束那樣,但是激光器使用增益介質兩側的鏡面來產(chǎn)生定向的光束。
光子在鏡面間反射前進時會反復穿過增益介質,此時它們會刺激其他的原子釋放出具有完全相同波長、相位和方向的光子。最終,一道集中并具有唯一頻率的光束會沖破鏡面成為激光。
存活并完好無損
數(shù)百種不同的增益介質都曾被使用過,包括各種染料和氣體。但沒有人使用過活的生物組織。出于好奇,哈佛大學的Malte Gather 和 Seok-Hyun Yun決定研究使用單個的哺乳動物細胞。
他們將促進綠色熒光蛋白形成的DNA環(huán)注射到一個人類的腎細胞中。綠色熒光蛋白最初從水母中提取,它在暴露在藍光中時會發(fā)出綠色熒光。它可以用于追蹤細胞中的分子,并當特定基因被表達時點亮,是生物學中的指路明燈。
將細胞置于兩面鏡子間后,研究員使用藍光脈沖對它進行轟擊,直到它開始發(fā)光。當綠光在鏡面間反射時,某種特定波長將被優(yōu)先放大,直到它成為激光沖出半透明的鏡面。在持續(xù)數(shù)分鐘的激光放射后,該細胞仍然能夠存活并保持完好。
哈佛大學的Malte Gather 和 Seok-Hyun Yun
來自賓夕法尼亞大學的Christopher Fang-Yen致力于研究單原子激光器,但并沒有參與此次研究,他認為這個新的研究十分吸引人。“綠色熒光蛋白類似于工業(yè)染料激光器所用的染料,如果將它放到一個像細胞這樣的小袋子里,并進行光學刺激,你確實可以得到一個激光器,這并不使人感到意外”,他說,“但能證明這確實可行還是非??幔?rdquo;
內(nèi)部成像?
Yun的主要目的只是簡單地測試一下生物激光器是否可能,但他還是認真考慮了一些可能的應用。“我們可以使用動物體內(nèi)的激光器直接在在動物組織內(nèi)生成激光。”他說。
在被稱為激光光學層析成像的技術中,激光束從體外射向活體組織。該光束透射以及散射的路徑可以表述組織的大小、體積和深度,并能生成圖像。如果可以從內(nèi)部成像,那么可能會得到具有更多細節(jié)的圖像。另外一種名為熒光顯微鏡的技術,它依靠使用綠色熒光蛋白標記的活細胞產(chǎn)生的熒光來成像,Yun的生物學激光器可以生成更亮的激光用以提高它成像的分辨率。
要使動物體內(nèi)的細胞成為激光器,必須植入綠色熒光蛋白使其可以發(fā)光。而Yun的激光器中使用的鏡片必須替換為納米級的金屬片作為光線接收器。
“以前,激光器被認為只能使用工程材料,但現(xiàn)在我們證明了激光器可以植入生物系統(tǒng),”Yun說。
見識一下可食用激光器、核能激光器以及反激光器
生物激光器雖是第一次,但其他奇怪的激光器在半世紀前就被制造出來了,比如Theodore Maiman就使用指尖大小的紅寶石棒制造了這樣的裝置。1960年5月16日,Maiman使用照相機的閃光轟擊紅寶石,產(chǎn)生了明亮的紅色光束。
Theodore Maiman于1960年制造的激光器
大概十年后,兩個未來的諾貝爾獎獲得者創(chuàng)造了首個可食用的激光器——好吧,幾乎是可食用的。Theodor Hänsch和Arthur Schawlow嘗試了12種口味的Jell-O零食才確定了一種“幾乎無毒的”熒光染料。將其加入到無味的明膠中,在受到紫外線光照射時會產(chǎn)生明亮的激光束??上У氖荢chawlo吃掉了失敗品,卻錯過了成功的那個。
幾乎在同一時間,美國航空航天局想要更強力的激光發(fā)射器將能量發(fā)射到太空,并提出使用小型反應堆中的核裂變碎片激發(fā)分子用以推動發(fā)射器。在美國航空航天局最終放棄該計劃前,脈沖能量已經(jīng)達到了1千瓦。這個在里根時代被稱為“星球大戰(zhàn)”的計劃后來資助了核反應堆驅動的激光武器,不過這些武器從沒離開過地面。
里根的“星球大戰(zhàn)”計劃
近年來,世界上最小的激光器于2009年在加州大學伯克利分校展出。它在直徑只有50納米的硫化鎘束中生成綠色激光,而50納米只是他所發(fā)射出的光波長的十分之一。
世界上最小的納米級半導體激光器
對了,別忘了反激光器,來自耶魯大學的物理學家曹慧與激光發(fā)射器相反,它會吸收激光光束,并釋放熱能。盡管聽起來很奇怪,但它也可能應用于實際當中:將光學信號轉換為電子形式,可作為未來通訊方式的選擇之一。
反激光器將激光轉換為熱能
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