研究人员用激光显微镜组合实现活体细胞的光学捕获、移动和分析

2019-03-14 17:26:39

一种新的仪器让研究人员使用多束激光束和显微镜捕获和移动细胞,然后用拉曼光谱这种灵敏分析技术实时分析它们。这个仪器可以让科学家们更多地了解感染是如何控制的,或者耐药细菌生物膜的形成过程。

英国诺丁汉大学的研究小组组长Ioan Notingher说:“生物学中的许多技术可以同时测量大量的细胞,或者需要添加标签或侵入性技术来观察单个细胞的水平。我们的技术是非侵入性的——这意味着它不会干扰或破坏生物样本——不需要标签,这对研究单个细胞更有吸引力。”

在光学学会(OSA)期刊《光学快报Optics Express》上,研究人员展示了他们的新仪器,他们利用光阱——利用光来固定和移动小物体——在多个人类免疫细胞之间形成连接,然后用拉曼光谱法测量细胞随时间的变化时的相互作用情况。这个实验可以作为研究这些免疫细胞在体内如何交流的起点。

Notingher说:“我们研制的这种仪器非常结实、灵敏,广泛适用于许多细胞实验。除了生物学研究,该仪器还可以用于研究聚合物、纳米材料和各种化学过程。它也可以与其他显微镜技术结合以获得更多的信息。”

俘获与光谱学相结合

拉曼光谱利用激光与样品之间的相互作用,如DNA或蛋白质,以获得关于样品的化学成分的信息。传统上,拉曼光谱使用一个聚焦的激光束从样品上的点获得测量。使用发射光穿过一个小孔或光圈的设置,可以通过去除不需要的杂散光来帮助提高这些测量的质量。

在许多采样点同时使用光阱和拉曼光谱需要许多聚焦的激光光斑。虽然这以前已经用称为液晶空间光调制器(LCSLM)的光学组件实现,但是该方法需要使用与每个采样点匹配的针孔。

研究人员通过将液晶空间光调制器和数字微镜装置(DMD)相结合,建立了一种更加灵活的仪器,以创建反射式虚拟针孔,这些针孔为每个采样点定制,并且可以通过计算机快速控制。数字微镜装置用于许多现代数字投影仪中,是由成千上万的倾斜显微镜反射镜制成的。

论文的第一作者Faris Sinjab说:“利用格拉斯哥大学的Miles Padgett小组开发的软件,多点光学捕获和拉曼光谱可以交互式地和实时地控制。该软件允许完全自动化的实验,这对于进行复杂或大的系统重复实验是有用的。”

快速捕获

在证明拉曼仪器的性能与单光束拉曼显微镜相当之后,研究人员用它在光阱周围移动多个聚苯乙烯颗粒,同时以每秒40光谱获取拉曼光谱。“这种类型的实验以前是不可能的,因为光谱不能从这样快速变化的位置获得。”Sinjab说。

接下来,研究人员表明,他们可以控制每个激光束的功率,避免用激光破坏被捕获的细胞。最后,为了证明该仪器用于细胞生物学应用的能力,他们使多个活T细胞与树突状细胞接触,以启动形成免疫突触连接,这些免疫细胞在此相遇。随着时间的推移,在多个点测量拉曼光谱揭示了形成的结之间的分子差异。

研究人员现在正致力于进一步自动化拉曼光谱的部分,以便非专家用户可以进行实验。他们还在探索如何通过将定制的显微镜和光谱仪与更紧凑的高功率激光器结合,来使仪器小型化。


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