从基因测序到光声成像,细数激光的这14类应用

时间:2019-01-02 16:17来源:食品与生命科学作者:yeyan 点击:
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摘要:在科技发展和人类文明飞跃的近百年来,激光产业得到了快速发展。尤其是最近几年,激光被逐渐应用到与我们日常生活息息相关的各个领域,今天就让我们一起来揭开这些神秘面纱吧。

关键字:激光,激光技术,光声成像

  在科技发展和人类文明飞跃的近百年来,激光产业得到了快速发展。尤其是最近几年,激光被逐渐应用到与我们日常生活息息相关的各个领域,今天就让我们一起来揭开这些神秘面纱吧。

  拉曼光谱

  激光器要求:窄线宽,高波长稳定性

  常用波长:257nm, 261nm, 320nm, 360nm, 405nm, 488nm, 514.5nm, 532nm, 785nm, 830nm, 1064nm...

  拉曼光谱技术可以在分子水平上探测物质的结构和组成,具有直接、准确、快速、无损等优点,是分子结构分析的一种有力工具。利用激光照射使样品发生拉曼散射,产生的拉曼光谱携带了物质的分子振动、转动信息,可以测试物质组成、张力和应力、晶体对称性和取向、物质质量、物质总量、物质官能团的信息等。

  其中手性拉曼光谱是手性分子结构表征的一种新的光谱学方法,由于该方法不需要样品结晶,可直接对溶液相中手性样品进行绝对构型的鉴定,因而受到学术界和工业界高度关注。然而,手性拉曼光谱的本征信号非常弱,比常规光谱技术信号弱3至7个数量级,因此在实验上检测手性拉曼信号极具挑战。

  光遗传学

  激光器要求:50mW/ 100mW/ 200mW/ 1W/ 10W...

  常用波长:405nm, 457nm, 473nm, 532nm, 561nm, 589nm, 635nm, 808nm, 980nm, 1064nm...

  光遗传学是一项整合了光学、软件控制、基因操作技术、电生理等多学科交叉的生物工程技术。 其主要原理是首先采用基因操作技术将光感基因(如ChR2,eBR,NaHR3.0,Arch或OptoXR等)转入到神经系统中特定类型的细胞中进行特殊离子通道或GPCR的表达。光感离子通道在不同波长的光照刺激下会分别对阳离子或者阴离子的通过产生选择性,从而造成细胞膜两边的膜电位发生变化,达到对细胞选择性地兴奋或者抑制的目的。

  全息

  激光器要求:高稳定性,长相干

  常用波长:405nm, 457nm, 473nm, 532nm, 589nm, 639nm, 660nm, 671nm...

  全息是利用干涉和衍射原理记录并再现物体真实的三维图像的技术。全息技术在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感,研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程(如爆炸和燃烧)等各个方面获得广泛应用。

  LIBS

  激光器要求:ns脉宽,mJ量级,风冷/ 水冷,高能量稳定性,Jitter小,同步信号

  常用波长:1064nm, 532nm, 355nm, 266nm...

  LIBS通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体,利用光谱仪对等离子体中原子和离子发射光谱进行分析,以此来识别样品中的元素组成成分,进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。LIBS技术凭借其非接触性、破坏性小、适用于各种形态的样品以及恶劣环境、能快速原位远程分析、多元素同时在线监测等优势,广泛应用于土壤、水及空气等环境污染监测领域,同时在植物学、考古学、工业过程监控和空间探索等方面也有多种应用。

  流式细胞术

  激光器要求:高稳定性,低噪声,定制光斑

  常用波长:355nm, 360nm, 405nm, 473nm, 488nm, 532nm, 561nm, 593.5nm, 640nm, 671nm, 785nm...

  流式细胞术原理图

  流式细胞术(Flow Cytometry, 简称FCM)是一种对异质细胞群中的细胞进行多参数分析或分选的有力工具。在保持细胞及细胞器的结构及功能不被破坏的状态下,从分子水平上获取多种信号对细胞进行定量分析或纯化分选,测量快速、大量、准确、灵敏、定量。可用于免疫分型(白细胞)、倍体分析(DNA)、细胞计数以及GFP(绿色荧光蛋白)表达分析等一系列应用。

  荧光显微成像技术

  激光器要求:高功率稳定性,光纤耦合

  常用波长:266nm, 355nm, 405nm, 488nm, 532nm, 561nm, 656.5nm, 750nm, 808nm, 980nm...

  荧光是物质吸收电磁辐射后受到激发,受激发原子或分子在去激发过程中再发射波长与激发辐射波长相同或不同的辐射。荧光显微成像结合荧光激发和显微技术,在生命科学、生物医学、临床医学诊断和材料科学等领域有着非常广泛的应用,但由于光学衍射极限的存在,传统光学显微镜无法观察到纳米尺度的物质及生命活动,极大地限制科学研究和医学的发展。近年来,随着突破光学衍射极限的超分辨成像技术的不断发展,显微成像分辨率得到不同程度的提高。目前在基于不同原理的各种超高分辨率显微镜,最高的分辨率可达几十纳米,真正实现了单分子水平检测。

  PIV

  激光器要求:片光源,连续/ 脉冲模式

  常用波长:405nm, 447nm, 532nm, 671nm, 808nm...

  粒子图像测速技术即我们熟知的PIV技术,是一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法,它克服了传统手段单点测量的局限性,能在同一瞬态记录下大量空间点的速度分布信息并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。其特点是无接触测量速度矢量,同时测量一个面上的速度场,测量精度高、测速范围宽、受外界影响小、应用面广,可以用于微尺度流动测量(微米量级),也可用于风、水洞测量,多相流测量等。

  基因测序

  激光器要求:高功率和波长稳定性,光斑均匀性好

  基因测序,又称DNA测序,是指分析特定DNA片段碱基排序,达到获得生物遗传信息的方法。DNA测序的出现极大地推动了生物学和医学的研究和发现。基因测序采用链终止法,在DNA转录末端引入带有荧光标记的寡核苷酸,此时DNA被分成了长度不同的单链,再使其通过激光聚焦光束,不同荧光素会发出不同颜色荧光,达到标记核苷酸排序的目的。

  激光医疗

  激光器要求:光纤耦合,定制光斑

  常用波长:405nm, 447nm, 532nm, 577nm, 561nm, 589nm, 635nm, 671nm, 808nm, 980nm, 1550nm, 2940nm...

  激光是一种人造特殊的光,它与一般灯光、太阳光同是电磁波,但其产生机理不同。它是工作物质中的原子“受激”发射的光,它的光束中所有光线都具有高单色性、高方向性、高亮度性和良好的相干性。所以激光被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。在医学方面主要是利用激光高亮度和高方向性的特点,利用光对生物体产生的强烈的热效应、光化学反应、光压、光裂和电磁场各种作用进行临床治疗。

  基于激光的各种作用,目前激光已在心脏、癌症、眼、耳、鼻、咽、牙、皮肤、妇科、外科、骨科、神经科以及美容理疗等方面开展临床医疗,形成全新的医学分支--激光医学。

  激光雷达

  激光器要求:窄脉宽,高单脉冲能量

  常用波长:1550nm/1064nm/532nm/355nm...

  激光雷达是一种雷达系统,以激光器作为光源进行测距。其工作光谱段在红外到紫外之间,主要发射机、接收机、测量控制和电源组成。工作原理为:首先向被测目标发射一束激光,然后测量反射或散射信号到达发射机的时间、信号强弱程度和频率变化等参数,从而确定被测目标的距离、运动速度以及方位。激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点,与光电测距仪相比,不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度,显著减少重量和功耗,使测量到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。

  气体光谱测量

  常用波长:266nm, 360nm, 532nm, 1064nm, 1356 ~ 1512 nm, 3590~4940 nm...

  气体光谱测量技术因其探测灵敏度高,能够满足大气痕量气体的监测要求,且具有选择性强、探测区域范围广、能够探测的气体种类多、响应时间快、适宜实时监测、监测费用和成本低等特点,在大气化学中有广泛的应用。主要原理是:利用分子对光辐射的吸收特性,即一束光穿过大气,会被大气分子选择性吸收,使光强度和光谱结构发生变化,通过分析吸收光谱,可以定性确定某些成分的存在,甚至可以定量分析某些物质的含量。光谱学测量技术可以反映一个区域的平均污染程度,不需要多点取样,便于连续监测。不仅能对不易接近的危险区域检测,还可以同时测量多种气体成分。

  光声成像

  激光器要求:光点稳定性好,光斑好

  常用波长:266nm,457nm,532nm,660nm,770-840nm可调谐激光器

  生物医学光声成像技术是指:当短脉冲激光辐照生物组织时,位于组织体内的吸收体(如肿瘤)吸收脉冲光能量,从而升温膨胀,产生超声波;这时,位于组织体表面的超声探测器间可以接收到这些外传的超声波,并依据探测到的光声信号来重建组织内光能吸收分布的图像。近年来,光声断层成像、光声显微成像、光声内窥成像发展迅速,532 nm高重频固体脉冲激光器,以及可调谐激光器得到广泛应用。

  激光打标

  激光器要求:窄脉宽,峰值功率高;

  功率:2W/ 3W/ 6W/ 8W/ 10W...

  常用波长:1064nm, 532nm, 355nm

  激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射,使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应,从而留下永久性标记的一种打标方法。激光打标可以打出各种文字、符号和图案等,字符大小可以从毫米到微米量级,激光打标的特点是非接触加工,可在任何异型表面标刻,工件不会变形和产生内应力,适于金属、塑料、玻璃、陶瓷、木材、皮革等材料的标记。其中紫外激光在打标激光源中具有光子能量强、热效应小等特点,非常适合材料表面精细打标,可应用于各种高端标刻领域。

  3D打印技术

  常用波长:355nm, 360nm, 405nm, 488nm, 532nm, 1064nm...

  3D打印技术是以计算机三维设计模型为蓝本,通过软件分层离散和数控成型系统,利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。

【光粒网综合报道】( 责任编辑:yeyan )
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