利用激光全息技术控制生物细胞的三维行为

由韩国科学技术院物理系的YongKeun Park教授领导的一个研究小组开发了一种光学操纵技术，其可以自由地控制具有复杂形状的微观样品的位置，方向和形状。这项研究已经在线发表在了5月22日的《自然*通讯》杂志上。

　　被称为“光镊”的传统的光学操纵技术，已经作为一个宝贵的工具被用在了对微观粒子施加微小的力和操纵微粒的三维（3-D）位置。光镊采用一个紧密聚焦的激光器，其光束直径小于1微米（头发丝直径的1/100），它可以在邻近的微观粒子上产生使其向光束聚焦点移动的引力。控制光束焦点的位置使研究者能够抓住粒子并自由地移动到其他位置，因此他们创造了“光镊”这个名字，并将其广泛地应用于物理和生物学研究的各个领域。

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　　到目前为止，大多数使用光镊的实验捕获的都是球形粒子，因为物理原理可以很容易地预测光学力和微球的响应运动。然而，对于具有复杂的形状的捕获对象来说，传统的光镊会引起这些颗粒发生不稳定的运动，而对这些物体的朝向的控制也变得很有限了，这阻碍了对具有复杂形状的微观物体如活细胞的三维运动的控制。

　　该研究小组开发出了一种新的光学操作技术，其可以捕捉任意形状的复杂物体。这种技术首先用三维全息显微镜测量物体的三维结构，三维全息显微镜具有和X-射线CT成像相同的物理原理。基于所测物体的三维形状，研究人员精确计算出了能够稳定控制物体的光的形状。当光的形状与物体的形状相同时，物体的能量被最小化，从而为具有复杂形状的物体提供了稳定的束缚。

　　此外，通过控制光的形状，使其具有物体的不同位置，方向和形状，有可能可以自由地控制物体的三维运动，并使该对象具有所需的形状。这个过程类似于生成一个用来铸造所需形状的雕像的模具，所以研究人员为该技术创造了一个名字——“用于光捕获的断层模具（TOMOTRAP）。”该团队成功地稳定地捕获了单个人类红细胞，并使它朝着期望的方向旋转，将它折叠成L形，以及将两个血红细胞组装在一起形成新的结构。此外，具有复杂的结构的结肠癌细胞也可以被稳定地捕获和在所需的取向上旋转。所有这些都是用常规的光学技术难以实现的。

　　Park教授说：“我们的技术可以在预先不知道关于物体的形状和光学特性信息的情况下，具有控制复杂形状物体的三维运动的优点，其可以应用于物理、光学、纳米技术和医学等各个领域。”

　　该论文的主要作者Kyoohyun Kim博士指出该技术能引起生物细胞的受控形变，以形成所需的形状。”Kim补充说：“这种方法也可以应用在细胞水平的手术的实时监测上，用于细胞和亚细胞器的捕获和变形。”

　　原文链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170525100307.htm，实验帮译。

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