光流激光器研究的最新進(jìn)展為生物過程監(jiān)測開辟了新前沿

光流生物激光器（Optofluidic biolasers）由于其強(qiáng)大的光-物質(zhì)相互作用和微小的尺寸，已經(jīng)成為生物醫(yī)學(xué)分析領(lǐng)域極具前景的一種工具。光流激光器研究的最新進(jìn)展為生物過程監(jiān)測開辟了新前沿。然而，大部分生物激光器需要在單腔水平上精確記錄激光光譜，這限制了它們的高通量應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，新加坡南洋理工大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊利用標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印機(jī)開發(fā)了一種新方法，可用于監(jiān)測細(xì)菌和抗生素之間細(xì)微的相互作用。他們的方案實現(xiàn)了一種能夠支持直接藥物篩選應(yīng)用的一次性“片上活體激光器”。

研究人員稱，這項技術(shù)可以利用微納米激光技術(shù)實現(xiàn)高靈敏且高通量的測試。

新加坡南洋理工大學(xué)電機(jī)與電子工程學(xué)院Yu Cheng Chen教授在這項研究中介紹，這種活體激光器包含利用辦公室標(biāo)準(zhǔn)噴墨打印機(jī)打印的多個微型激光器，可以作為一種高靈敏度且免培養(yǎng)的生物傳感器，并能夠在幾秒鐘內(nèi)實現(xiàn)大尺寸制作。該傳感器可用于將活細(xì)菌封存在微小的水滴中。除了一次性使用，該系統(tǒng)還可以清洗。

這項技術(shù)的價值在于實現(xiàn)了傳統(tǒng)技術(shù)的改進(jìn)需求，傳統(tǒng)技術(shù)需要較長的時間來顯示細(xì)菌和抗生素的藥物相互作用，即使有時這種相互作用比較明顯，并且可能并不是最佳的敏感響應(yīng)。

研究人員通過三個步驟構(gòu)建了這種傳感器，首先用能夠識別細(xì)胞中DNA和RNA的核酸酸性染料標(biāo)記細(xì)菌；然后，將細(xì)胞和細(xì)胞培養(yǎng)基注入辦公室噴墨打印機(jī)，再將抗生素藥物直接添加到打印頭中；然后將半球狀微滴以陣列的形式打印在鏡面芯片上。

用激光束掃描上述“活體激光器陣列”，由回音壁模式（Whispering-Gallery Modes， WGM）產(chǎn)生發(fā)射圖像。由于藥物與細(xì)菌的相互作用，這些WGM本身得到增強(qiáng)，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的激光發(fā)射。在這個過程中，細(xì)胞膜被破壞，隨著時間的推移，更多的熒光DNA或增益分子釋放進(jìn)入液滴。

由于激光信號對液滴界面處染料分子的變化非常敏感，因此系統(tǒng)能夠捕捉到釋放的DNA的微小變化，從而導(dǎo)致激光發(fā)射和增益分布的顯著變化。測試結(jié)果最終表明，這種激光發(fā)射圖像分析比熒光圖像分析敏感兩個數(shù)量級，此外，熒光圖像分析還會隨時間而飽和。

Yu Cheng Chen教授說：“我們的研究結(jié)果表明，激光產(chǎn)生過程中的放大作用使我們能夠量化增益介質(zhì)中生物過程的微小變化?！?/p>

該研究論文的共同作者、新加坡南洋理工大學(xué)的Shilun Feng介紹稱，研究小組將微流控技術(shù)與片上激光技術(shù)相結(jié)合的方法，還可以應(yīng)用于高靈敏度排列活體物種。

Shilun Feng表示：“對病毒藥物篩選的需求正在快速增長，這項技術(shù)甚至可以實現(xiàn)病毒或細(xì)菌在微滴中的培養(yǎng)，并監(jiān)測與藥物的動態(tài)相互作用?！?/p>

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