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北大肖云峰等学者提出利用激光颗粒实现单细胞追踪新方法
2021-02-04 LightScienceApplications

  实现单细胞水平的空间位置追踪对细胞异质性研究至关重要。

  最近,以颗粒形式分散在溶液中的微纳尺度激光器,在生命科学领域内作为一种极具潜力的光学探针出现。

  

  艺术插图/图源:课题组

  相比传统的发光探针,例如荧光分子、染料掺杂的微颗粒、金纳米颗粒等,激光颗粒具有窄线宽(<0.3 nm)和高亮度等独特优势,使它们能够通过大规模光谱复用实现单细胞标记、成像和追踪(图1),为单细胞水平的机理和异质性研究(例如体外单细胞分析、活体动物实验以及单细胞测序分析)提供了途径。

  

  图1 基于激光颗粒的单细胞追踪示意图

  单细胞追踪的基本原理:细胞内部的激光颗粒能发射不同波长的激光,通过实时读取具有特定波长的激光颗粒空间位置能够实现单细胞轨迹追踪。

  然而,激光颗粒具有方向性发射特征,其激光输出空间分布由微腔的激射谐振模式决定。例如,微盘腔激光颗粒主要沿回音壁模式谐振平面向外辐射激光。

  因此,在细胞追踪过程中,激光颗粒在细胞内的取向会随机变化,激光信号会发生剧烈涨落,导致频繁的细胞轨迹丢失,极大地限制了单细胞标记和追踪应用中激光颗粒的实时探测和识别。

  近日,来自美国哈佛医学院的Seok-Hyun Yun教授研究组和北京大学肖云峰教授研究组在Light: Science & Applications共同发表了题为“Laser particles with omnidirectional emission for cell tracking”的文章,提出利用全方位出射的激光颗粒实现单细胞追踪的新方法。

  研究人员通过在半导体微盘腔上引入边缘缺陷和纳米尺度散射体,实现了回音壁模式微盘腔的全方位激光出射。进一步地,将激光颗粒转移到活细胞内,实现了单细胞高信噪比连续追踪。

  该研究解决了激光颗粒在单细胞分析中的实时动态检测问题,为大规模复用的单细胞标记、追踪以及传感提供了新技术。

  针对激光颗粒在单细胞分析中的实时动态检测问题,研究人员在回音壁微盘腔上引入边缘缺陷或者纳米硅颗粒结合弹性散射实现了全方位激光出射(图2)。

  

  图2. 回音壁模式微盘腔的激光输出空间分布调控。激光颗粒泵浦激发和激光收集示意图(左)。传统微盘腔(CLP)以及全方位出射型微盘腔(OLP)的激光强度随微盘腔取向角的变化。全方位出射型激光颗粒是通过在微盘腔表面引入弹性散射(边缘缺陷或者纳米颗粒)实现。

  全方位微盘激光颗粒的激光强度随取向的变化范围降低到<6>24 dB。尽管在半导体微盘腔设计中引入较强的弹性散射,全方位微盘激光颗粒的激光阈值和线宽与传统型微盘激光颗粒基本相同,并且均能实现单模激射。

  研究人员利用光刻技术进行了全方位半导体激光颗粒的批量制备,并将激光颗粒转移到体外Hela活细胞内,进行单细胞标记及追踪表征。在2小时的活细胞连续表征结果表明,随细胞运动的全方位激光颗粒能够实现高信噪比单细胞连续追踪,而传统型微盘腔由于频繁的激光信号丢失导致细胞追踪失败(图3)。

  

  图3. 在细胞追踪过程中激光颗粒的强度信号变化。对运动的Hela活细胞内的传统型激光颗粒(CLP)和全方位出射型激光颗粒(OLP)进行实时监测,得到的微盘腔颗粒的激光信号变化。数据显示CLP由于频繁的激光信号丢失导致细胞追踪失败,OLP能够实现高信噪比单细胞连续追踪。

  撰稿 | 唐水晶(哈佛医学院访问学生及北京大学博雅博士后)

  说明 | 本文来自文章编辑(一作)投稿

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