Kelių bangos ilgių lazerių taikymas biomedicinoje ir mikrofluidikoje

Lazerinė technologija tapo šiuolaikinių gyvosios gamtos mokslų ir medicinos tyrimų kertiniu akmeniu, leidžiančiu tiksliai zonduoti, vaizduoti ir manipuliuoti biologinėmis sistemomis. Šiame straipsnyje nagrinėjamas penkių specifinių lazerio bangų ilgių -405, 488, 561, 594 ir 640 nm-, kurie sudaro šiuolaikinių fluorescencijos metodų pagrindą, vaidmuo.

1. Įvadas

Lazerinių technologijų ir gyvosios gamtos mokslų sankirta katalizavo revoliuciją mūsų gebėjime stebėti ir suprasti biologinius procesus. Nuo pat atsiradimo dėl unikalių lazerio savybių-vienspalvis, darnumas ir didelis intensyvumas-padarė jį nepakeičiamu vaizdo gavimo, aptikimo, analizės ir net gydymo įrankiu. 405, 488, 561, 594 ir 640 nm bangos ilgių pasirinkimas nėra savavališkas; jie yra rafinuotas rinkinys, kuris efektyviai sužadina didžiąją daugumą labiausiai paplitusių ir gyvybiškai svarbių sintetinių dažiklių, fluorescencinių baltymų ir kitų zondų. Šios linijos, istoriškai sukurtos iš dujinių lazerių (argono-jonų, kriptono-jonų, HeNe), dabar patikimai gaminamos naudojant šiuolaikinius kietojo kūno{12} ir diodinius lazerius, kurie užtikrina didesnį stabilumą, efektyvumą ir miniatiūrizavimą. Šiame straipsnyje bus pateikta išsami šių pagrindinių bangos ilgių apžvalga, jų pritaikymas masinėse ir mikro{14}sistemose bei jų ateities trajektorija.

2. Pagrindiniai techniniai pagrindai

2.1. Lazerio veikimo principai
Lazeriai (šviesos stiprinimas stimuliuojamos spinduliuotės būdu) veikia pagal principą, skatinantį populiacijos inversiją stiprinimo terpėje, esančioje optinėje ertmėje. Stimuliuota emisija sukuria nuoseklų, kolimuotą ir monochromatinį šviesos spindulį. Bio-medicinoje pagrindiniai parametrai apima bangos ilgio specifiškumą, išėjimo galios stabilumą, pluošto kokybę (TEM00 režimą) ir žemą triukšmą.

2.2. Technologinis pagrindinių bangų ilgių realizavimas
Perėjimas nuo didelių, neefektyvių dujinių lazerių prie kompaktiškų,{0}}kietojo kūno šaltinių buvo labai svarbus.

405 nm:Paprastai generuojamas galio nitrido (GaN) diodiniais lazeriais.

488 nm:Kadaise tai buvo išskirtinis argono-jonų lazerio domenas, dabar dažniausiai gaminamas naudojant dažnio-dvigubo diodo{2}}siurbiamus kietojo kūno-(DPSS) lazerius arba tiesiogiai naudojant mėlynojo diodo lazerius.

561 nm:Pasenusi Krypton{0}}jonų lazerio linija, dabar efektyviai generuojama DPSS lazeriais (pvz., naudojant OPO technologiją).

594 nm:Istoriškai iš geltonojo HeNe lazerio, dabar galimas kaip stabilus DPSS arba diodinis lazeris.

640 nm:Lengvai gaminamas aliuminio galio indžio fosfido (AlGaInP) diodiniais lazeriais.

2.3. Fluorescencijos pagrindai
Fluorescencija atsiranda, kai fluoroforas sugeria šviesą (fotonus) esant tam tikram sužadinimo bangos ilgiui, o vėliau išspinduliuoja ilgesnio, mažesnio{0}}energijos bangos ilgio šviesą (Stokso poslinkis). Lazerio bangos ilgio efektyvumą lemia tai, kiek jis atitinka fluoroforo sugerties smailę. Pagrindinės fluoroforų klasės apima:

Sintetiniai dažai:(pvz., Alexa Fluor, Cy Dyes, DAPI, FITC).

Fluorescenciniai baltymai (FP):(pvz., GFP, mCherry, YFP).

Kvantiniai taškai:Puslaidininkiniai nanokristalai, kurių dydis{0}}derinamas.

3. Pagrindiniai bangos ilgiai ir juos atitinkantys fluoroforai

3.1. 405 nm lazeris: violetinis darbinis arkliukas

Pagrindinės programos:Šis bangos ilgis idealiai tinka įdomiems fluoroforams su dideliu{0}}energijos perėjimu.

DNR/branduolinis dažymas:Auksinis{0}}standartinis Hoechst dėmių ir DAPI sužadinimas.

Fotoaktyvinimas ir fotokonversija:Itin svarbu kontroliuojant fotoaktyvuojamus baltymus, tokius kaip PA{0}}GFP ir Dendra2 gyvų-ląstelių vaizdavime.

Kalcio vaizdavimas:Sužadina tam tikrus UV{0}}jautrius kalcio indikatorius, pvz., Indo-1.

Gyvybingumo dažymas:Naudojamas kartu su dažais, tokiais kaip DAPI, siekiant atskirti gyvas / negyvas ląsteles.

3.2. 488 nm lazeris: universalus žalias standartas

Pagrindinės programos:Ko gero, labiausiai visur paplitęs bangos ilgis gyvybės moksluose.

Žalias fluorescencinis baltymas (GFP):Standartinis GFP ir jo darinių (pvz., EGFP) sužadinimo šaltinis.

Srauto citometrija ir imunofluorescencija:Optimaliai sužadina FITC ir Alexa Fluor 488, todėl jis yra būtinas antikūnų -aptikimui.

Ląstelių gyvybingumas ir analizė:Sužadina propidžio jodidą (PI) ir fluoresceino diacetatą.

Platformos:Pagrindinė lazerio linija staliniuose srauto citometruose ir konfokaliniuose mikroskopuose.

3.3. 561 nm lazeris: geltonasis-žalias specialistas

Pagrindinės programos:Šis bangos ilgis užpildo kritinę spragą optimaliam geltonųjų ir oranžinių fluoroforų sužadinimui.

Geltonos/oranžinės spalvos fluorescenciniai baltymai:Puikiai tinka YFP, mCitrine ir TagRFP.

Fikoeritrino (PE) sužadinimas:Srauto citometrijoje 561 nm yra geriausias PE ir jo tandemų sužadinimo šaltinis, todėl kompensacijos poreikis sumažėja, palyginti su 488 nm sužadinimu.

Sumažintas skerspjūvis:Užtikrina geresnį signalo atskyrimą nuo GFP, kai vaizduojami raudoni{0}}paslinkę FP, todėl tai būtina daugiaspalviams vaizdams.

3.4. 594 nm lazeris: oranžinis-raudonas kertinis akmuo

Pagrindinės programos:Jaudina populiarią raudonų fluorescencinių zondų klasę.

Raudoni fluorescenciniai baltymai:Optimalus mCherry, dsRed ir panašių baltymų sužadinimo bangos ilgis.

Imunofluorescencija ir FISH:Puikiai sužadina „Alexa Fluor 594“ ir „Cy3“, teikdami ryškius, stabilius foto signalus didelės raiškos mikroskopijai.

Super{0}}raiškos mikroskopija:Pagrindinė STED ir kitų šių zondų{0}}superskyros modalijų eilutė.

3.5. 640 nm lazeris: tolimasis-raudonas skverbtis

Pagrindinės programos:Jo ilgas bangos ilgis suteikia aiškių pranašumų giliajam vaizdavimui ir tankinimui.

Tolimieji-raudonieji dažai:Pagrindinis Alexa Fluor 647, Cy5 ir kitų artimųjų-IR dažų sužadinimo šaltinis.

Giliųjų{0}}audinių ir gyvų{1}}gyvūnų vaizdavimas:Tolimoji

Membranos ir sekimo dažai:Sužadina lipofilinius dažus, tokius kaip DiD ir DiR.

Super{0}}raiškos mikroskopija:Kritinė sužadinimo linija, skirta vienos{0}}molekulės lokalizacijos mikroskopijos (SMLM) metodams (pvz., PALM/STORM), naudojant tokius dažus kaip Alexa Fluor 647.

4. Integravimas ir taikymas mikrofluidikoje

Šių lazerio bangų ilgių sujungimas su mikrofluidika sukuria galingas, miniatiūrines analitines sistemas.

4.1. Lazerio integravimo mikrofluidikoje privalumai

Miniatiūrizavimas ir lygiagretavimas:Įgalina didelio{0}}našumo lusto analizę.

Tiksli erdvėlaikio kontrolė:Lazeriai gali būti labai tiksliai sufokusuoti į konkrečius mikro{0}}kanalus arba kameras.

Mažas mėginio / reagento suvartojimas:Idealiai tinka vertingų arba ribotų mėginių analizei.

4.2. Reprezentatyvūs taikymo scenarijai

Naudojant-lustų srauto citometriją:Optiniai bangolaidžiai arba miniatiūriniai lazeriniai diodai yra integruoti, kad būtų galima tiesiogiai skaičiuoti ląsteles ir nustatyti fenotipą mikrofluidiniame mikroschemoje.

Fluorescencinis{0}}aktyvuotas ląstelių rūšiavimas (FACS):Lazerio-sukelta fluorescencija naudojama dominančioms ląstelėms aptikti, suaktyvinant rūšiavimą dielektrinėmis, akustinėmis ar kitomis mechaninėmis jėgomis.

Lazerinis manipuliavimas ląstelėmis ir chirurgija:Optiniai pincetai (dažnai naudojami 1064 nm) manipuliavimui kartu su matomais lazeriais (pvz., 405 nm), kad būtų galima tiksliai abliuoti arba fotoporuoti.

Lašelių mikrofluidikai:Didelės spartos{0}}lazerinis-aptikimas naudojamas pikolitro-dydžio lašeliams analizuoti ir rūšiuoti pagal jų fluorescencinį kiekį tūkstančiais per sekundę.

5. Dabartiniai iššūkiai ir ateities perspektyvos

5.1. Technologijų tendencijos

Tolesnis miniatiūrizavimas ir išlaidų mažinimas:Lustinių lazerių ir derinamųjų / VCSEL lazerių kūrimas.

Supercontinuum (baltos šviesos) lazeriai:Pateikite vieną šaltinį, skleidžiantį nenutrūkstamą spektrą nuo UV iki IR, suteikdami neprilygstamą lankstumą pasirenkant bet kokį sužadinimo bangos ilgį.

Didesnė galia ir stabilumas:Skatinama pažangių technikų, pvz., super{0}}raiškos mikroskopijos ir šviesos{1}}lapų vaizdavimo, reikalavimų.

5.2. Nuolatiniai iššūkiai

Fototoksiškumas ir fotobalinimas:Didelio{0}}intensyvumo šviesa, reikalinga daugeliui programų, gali pažeisti gyvas ląsteles ir užgesinti fluorescenciją.

Integravimo sudėtingumas:Didelio tikslumo kelių lazerinių linijų suderinimas ir sujungimas į mikrofluidinį įrenginį tebėra techninis iššūkis.

Kaina ir prieinamumas:Nors išlaidos mažėja, aukščiausios klasės{0}}daugialypės{1} lazerinės sistemos vis dar yra didelė investicija.

5.3. Ateities perspektyva
Ateitis slypi išmaniose, integruotose sistemose. Mes tikimės:

AI-Varomas valdymas:Mašininio mokymosi algoritmai, skirti valdyti{0}}realiu laiku lazeriu, adaptyviam vaizdavimui ir automatinei duomenų analizei.

Priežiūros{0}}diagnostikos ir pavienės-ląstelės analizės išplėtimas:Mikrofluidiniai įrenginiai su integruotais pigiais{0}}lazeriais taps personalizuotos medicinos pagrindais.

Zondų ir lazerių{0}}kūrimas:Kuriant naujus fluoroforus ir toliau bus vadovaujamasi lazerio bangų ilgių prieinamumu ir našumu, ir atvirkščiai.

6. Išvada

405, 488, 561, 594 ir 640 nm lazerio bangų ilgiai sudaro pagrindinį šiuolaikinių biomedicininių tyrimų priemonių rinkinį. Dėl specifinio jų suderinimo su didžiulio fluorescencinių zondų repertuaro sužadinimo spektrais jie yra nepakeičiami atliekant įvairius metodus, pradedant nuo pagrindinės fluorescencinės mikroskopijos ir baigiant pažangia super-raiška ir didelio{7}}pralaidumo srauto citometrija. Nuolatinė lazerinės technologijos ir mikroskysčių inžinerijos sinergija plečia miniatiūrizavimo, automatizavimo ir analitinės galios ribas. Tobulėjant šioms technologijoms, siekiant didesnio prieinamumo ir intelekto, jų įtaka esminiams biologiniams atradimams ir klinikinei diagnostikai neabejotinai gilės, o tai sustiprins jų, kaip esminių mokslo ir medicinos pažangos skatintojų, vaidmenį.

Kontaktinė informacija:

Jei turite kokių nors idėjų, nedvejodami susisiekite su mumis. Nesvarbu, kur yra mūsų klientai ir kokie yra mūsų reikalavimai, sieksime savo tikslo teikti klientams aukštą kokybę, žemas kainas ir geriausias paslaugas.