文档介绍：. 嫩光与光电导学进展
中国激光杂志社
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飞秒激光在生物学领域的应用
王丽邱建荣
浙江大学材料科学与工程系, 浙江杭州
摘要生物技术与激光技术在世纪发展迅速。飞秒激光与其他长脉冲激光相比具有以下明显的特征:由于能
量淀积时间短,在激光加工时,可以实现热效应可以忽略的超精细加工:聚焦时焦点附近的光子密度大,可以
实现基于高度非线性过程的有空间选择的微观结构操控。因此,飞秒激光问世以来,其优越的特性引起了科学家,
包括生物学家的普遍关注。本文综述了飞秒在现代生物学领域中的一些应用,包括基于多光子和二阶以及三阶光学
非线性的生物三维成像、研究化学反应和生物学动力学过程、活细胞操纵以及生物材料的微处理和纳米尺度生物结
构的切割等。
关键词激光生物学;飞秒激光;成像;纳米手术
中图分类号.. 文献标识码

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引言
世纪末,生物学取得了迅猛的发展,并极大地推动了农业、医药卫生、工业和国防等相关领域的发
展。随着蛋白质空间结构的射线解析和双螺旋结构的发现,开始了以分子生物学为核心学科的现
代生物学时代,对遗传信息载体核酸和生命功能的执行者蛋白质的研究成了生命科学的主要内容。与生物
技术相同,激光技术的发展也非常迅速。年,美国贝尔实验室的..等报道了脉冲碰撞锁模激
光器的实验结果,将激光脉冲宽度推进到飞秒量级。随着飞秒激光技术的发展,近红外飞秒激光在生物学上
的应用日益增多。飞秒时间尺度正好处在基本的化学反应和分子内电子和原子核运动的特征时间范围,因此
可以用来研究化学反应的动力学过程。大多数细胞在近红外波段是透明的,因此近红外飞秒激光对细胞的穿
收稿日期:..;收到修改稿日期:——
作者简介:王丽—’,女,博士研究生,主要从事飞秒激光与物质相互作用等方面的研究。
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导师简介:邱建荣一,男,教授,博士生导师,主要从事飞秒激光微加工等方面的研究。
: .. 通信联系人
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豫与电子学进展..
透深度深,并且当飞秒激光聚焦于透明材料时,聚焦处的光强非常高,足以引起非线性吸收,但聚焦处附近
的热影响非常小,对邻近细胞几乎没有损坏。飞秒激光还可以应用于显微成像,其特点是在生物体内的完整
组织中可得到高的荧光分辨率。而且材料对激光能量的吸收导致在其内部产生亚微米尺度的等离子区,随后
这些能量以热和冲击波的形式传递给分子。这个过程被应用于生物医学中切割细胞结构【】。本文综述飞秒激
光在生物学领域的具体应用。
飞秒激光应用于生物成像
.生物样品的成像
将飞秒激光应用于生物样品成像,主要是通过多光子荧光显微镜来实现。多光子荧光显微镜与传
统的共聚焦显微镜相比,其优势有:穿透深度深。大多数细胞在~ 波长范围内吸收系数
小水:.,散射系数也小生物组织:, 因而几乎是透明的。传统的光学成像技术主要
利用穿透深度浅的紫外和可见光。多光子荧光显微镜所用的恰好是波长在红外波段~的飞秒激
光。这些在红外波段透明的细胞可以承受极高的光强直到/而没有热损伤。这使得荧光的多光子
激发成为可能。分辨率高。将它用于活细胞组织的显微成像,可以得到超高的时间和空问分辨率。飞秒
激光的脉冲宽度为飞秒量级,在这极短的时问内,可以看到很多过去无法观察到的超快运动。虽然飞秒激
光的空间相干性不好,但是它的最大峰值功率极高,能够激发多光子吸收。多光子荧光显微镜就是利用这
种非线性激发的荧光显微镜。多光子的吸收现象只发生在焦点处,不需要共聚焦孔径光阑滤光,从而大大
提高成像亮度和信噪比。在传统共聚焦显微镜中,光通过处的所有样品都被激发,所以必须用孔径光阑来
选取焦点处样品发出的荧光。孔径光阑不仅遮挡了焦点以外样品发出的荧光,也遮挡了焦点处散射和漫反
射的荧光。在多光子荧光显微镜中,焦点处发出的所有荧光,包括散射和漫反射的荧光都可以被收集并探
测到。并且由于多光子实验所用的激发光的波长较长,激发光的散射损失很小,轴向分辨率更高,样品的
穿透能力更强。对活细胞的损害小。紫外和可见光不仅穿透深度小,且对活细胞的损坏严重。在单光
子显微镜中,吸收在整个辐照区域内产生,但是在多光子荧光显微镜中,吸收只在聚焦区域内产生。而且
飞秒激光的聚焦区域亚飞升和热影响区都极小,因而对活细胞及其邻近细胞的损害都很小,观察活细
胞的时间也可以更长。信噪比高。多光子荧光显微镜成像时,光散射、自发荧光和光致褪色要小得多。
世纪年代,.提出了双光子吸收的理论预测,多光子荧光显微镜才开始被认识,并
渐渐流行。因为超快激光技术的