淺析推動生命科學(xué)發(fā)展的光泵半導(dǎo)體激光（OPSL）技術(shù)（三）

光泵半導(dǎo)體激光技術(shù)(Optically Pumped Semiconductor Lasers)憑借其多種獨特優(yōu)勢，在市場上大獲成功，目前市場運行的 OPSL 設(shè)備已超過 10 萬臺。本文介紹OPSL在流式細(xì)胞儀及DNA測序領(lǐng)域的應(yīng)用及新進(jìn)發(fā)展。

OPSL 擁有波長可靈活擴(kuò)展、功率可調(diào)、體積小巧、高度可靠以及高光電轉(zhuǎn)換效率等特點，在許多生命科學(xué)應(yīng)用中大獲成功。此外，OPSL還具有噪聲低、光束質(zhì)量優(yōu)異、直接數(shù)字調(diào)制的特點以及光纖耦合選項，其緊湊型結(jié)構(gòu)、智能化即插即用的配置，使其易于集成。這些特點都使其可以完美地適用于流式細(xì)胞儀和 DNA 測序領(lǐng)域。

▼ 流式細(xì)胞儀

流式細(xì)胞儀是對包括血細(xì)胞在內(nèi)的小顆粒物進(jìn)行探索、分析、計數(shù)和分類的卓越工具。細(xì)胞計數(shù)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是臨床血液學(xué)/免疫學(xué)，當(dāng)前較為新型的應(yīng)用領(lǐng)域包括生物燃料研究、流行病學(xué)(例如 Covid-19)、腫瘤學(xué)、干細(xì)胞研究和制藥(支持藥物研發(fā)的快速高通量篩選)。

圖 1. 在眾多流式細(xì)胞儀內(nèi)，多條聚焦激光橫穿流動池。照片由 Thermo Fisher Scientific 提供。

儀器制造商通過成本效益較高的臺式儀器來支持這些多元化的應(yīng)用。這類臺式儀器具有通用型平臺與模塊化結(jié)構(gòu)，可輕松實現(xiàn)工廠定制。這種模塊化結(jié)構(gòu)通常包括多達(dá) 4 種不同的激光器、十幾個(熒光和散射)檢測通道以及多種輸入模式，例如，用于藥物研發(fā)的微孔板和用于血液分析的常規(guī)流管。

事實證明，基于 OPSL 技術(shù)的即插即用緊湊型激光模塊(如 Coherent OBIS 系列)在該領(lǐng)域備受青睞，因為這些模塊不僅便于工廠定制，也易于儀器升級和現(xiàn)場服務(wù)。這是因為不論波長如何，每個裝置都具備相同的光學(xué)、機(jī)械和電子特性。(最常用的波長包括 405 nm、488 nm、561 nm和 637 nm)。此外，OPSL 技術(shù)的數(shù)字調(diào)制功能省去了部署外置調(diào)制器的成本和復(fù)雜性，支持流式細(xì)胞中的時序，實現(xiàn)多波長激光激發(fā)和檢測。同樣重要的是，對于從研究到臨床的終端用戶而言，OPSL的低噪聲和出色的指向穩(wěn)定性，能夠滿足他們對靈敏度和速度的需求。

儀器制造商還希望通過使用新型熒光染料來提高多參數(shù)儀器的性能。在較大型的研究儀器中，他們將激發(fā)波長拓展到紫外光。使用紫外光激發(fā)擴(kuò)大了多色分析/采集的帶寬，并且避免了使用熒光探針對樣品進(jìn)行化學(xué)干預(yù)。這是因為所有活細(xì)胞都含有經(jīng)紫外光照射后便會自然發(fā)出熒光的物質(zhì)(例如 NADH、DNA)。舉例來說，精子可以通過內(nèi)源性 DNA 熒光物質(zhì)的數(shù)量來區(qū)分性別。

OPSL 技術(shù)的波長擴(kuò)展能力能夠靈活的匹配應(yīng)用所需的波長，從而為這兩種應(yīng)用趨勢提供了極好的支持。除 OPSL 技術(shù)外，Coherent 相干公司還使用一些其他技術(shù)在 OBIS系列中，包括激光二極管和倍頻鐠 (Pr) 技術(shù)。這使得 OBIS系列激光器現(xiàn)擁有約 25 種不同的波長，包括 349 nm、355 nm、360 nm和 375 nm四種紫外波長。

▼ 測序

第一次人類基因組的讀取工作由多個實驗室共同完成，每個實驗室運行多臺測序儀，歷時10余年，投入的總成本約為 50 億美元。如今，某些測序儀只需一個下午就能解讀一個完整的人類基因組，總成本大約在 100 至 1000 美元之間。儀器自動化和大規(guī)模并行的創(chuàng)新型技術(shù)成就了這種巨變。新一代測序儀可同時分析多達(dá)數(shù)十萬條 DNA 鏈。目前使用中的方法有數(shù)種，但是所有常用方法均基于熒光探針和標(biāo)記物的激光激發(fā)。

圖 2. 基于激光的熒光激發(fā)是新一代測序儀和第 3 代測序技術(shù)中的主要檢測方法，這種方法通過發(fā)射波長指示添加或減少的特定堿基，如這張原始數(shù)據(jù)軌跡圖所示。圖片由 Pacific BioSciences 提供。

波長和功率的擴(kuò)展能力是 OPSL 的主要優(yōu)勢。測序取決于能否通過激光激發(fā)四種化學(xué)標(biāo)記(熒光染料)中的熒光，分別針對四種 DNA 核苷酸 ACGT 中的一種。測序的精準(zhǔn)度取決于能否區(qū)分四種熒光染料，測序速度取決于能否高效激發(fā)它們。充分提高儀器效率意味著讓激發(fā)波長去匹配每個標(biāo)記的最大吸收光譜，而不是嘗試反向匹配。

某些方法對單鏈進(jìn)行測序，其固有的信號強(qiáng)度低，在這種情況下，更高的激光功率極其必要，尤其是那些常常進(jìn)行大規(guī)模并行測序的應(yīng)用。與之相對，為了避免造成損失，某些方法僅使用毫瓦級功率。OBIS 激光器的技術(shù)多樣性極具優(yōu)勢。

▼ 總結(jié)

總而言之，連續(xù)激光器在生命科學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用多種多樣，每種應(yīng)用都有著對特定激光器的需求。事實證明，OPSL 技術(shù)獨特的波長和功率可擴(kuò)展的特點可以很好地應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，因此在市場上大獲成功。

審核編輯 黃宇