激光在细胞研究中的应用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光的力学效应？,光有力量吗？,光子与物体的相互作用,1,光携带有能量和动量（线性动量和角动量）,光与物体相互作用时彼此交换能量和动量.,光子能量：,光子动量：,光与人类生活的关系非常密切，伴随科学的发展和人类文明的进步，人们对光的认识也越来越深入.,-,光的动量是光的基本属性之一,2,光的效应,:,在光的作用下，物体宏观上产生的各种现象,光的热学效应:,光与物体相互作用时物体的温度发生变化.,常见现象,光的力学效应:,光与物质间交换动量，使受光照射的物体获得一个力或力矩,物体发生位移,速度和角度的变化.,难以察觉,(光电效应,磁光效应,光化学效应,),光与物质相互作用光的效应,3,1 光与,微观,粒子的相互作用,-原子/分子,光与,微小宏观,粒子的相互作用,-,纳米,/,微米粒子,光与,宏观物体,的相互作用,-,核聚变,/,发射微小卫星,光的力学效应的应用：,6,光 镊,-单光束梯度力光阱,1986 A.Ashkin 使用高度会聚光束产生的非均匀光场，造成梯度力势阱,光镊诞生了！,光与微小的宏观粒子的相互作用,7,A.Ashkin,(Bell Telephone Laboratories),Arthur Ashkin,at work in his Holmdel,N.J.lab in 1986He discovered that light could trap atoms-the discovery that led Steven Chu and two others to the Nobel Prize,8,Acceleration&Trapping of Particles,By Radiation Pressure,A.Ashkin,Phys.Rev.Lett.Vol.24,#4,156(1970),Laser,Beam 1,Laser,Beam 2,9,Fiber-Optical Dual-Beam Trap,10,Experimental Demonstration:Trapping of a String of Particles,11,光镊,-,Optical tweezers,用光做的镊子？,光镊如何抓取物体？,光镊力有多大？,光镊的力学效应的应用？,光镊是什么？,12,烟草细胞在,光镊操控,下定向运动,二.光镊技术,1 原理,2 特点,3 功能,4 应用,13,光辐射力的原理,14,光镊操控1微米粒子,三维空间,X-Y平面,Z纵方向,悬浮微粒,15,光镊基本操控方法,直接,操控-,微,米,间接,操控-纳米,16,光镊操纵微粒的尺度：纳米-微米,1nm 1,m 1mm,1nm 1,m 1mm,原子、分子尺度,ATM STM,纳微尺度,光镊,宏观物体一般机械,17,fN（10,-15,）-pN（10,-12,）,1,fN/人 X60亿 -1根发丝,-,细胞，单分子间的相互作用力,传递微小力的使者 -微小力的探针！,光镊力有多大？,18,光镊-,一种特殊的光场形成的光势阱,它是用光形成的镊子!,光镊具有机械镊子抓取物体的功能,是类比机械镊子形象的称呼,光镊/光学镊子/光学势阱/单光学梯度力势阱,19,研究个体行为的工具！,应用都是基于对单个微粒的捕获与操控。自然界，一切宏观现象都是大量个体行为的群体效应，因此，解释宏观自然现象就需要获取单个微粒个体行为信息。能够实施对单个微粒的操控正是研究个体行为的首要条件。,光镊的特点,20,对,单个活体,生物以,非接触,的,遥控,方式，实施,无损无菌,操控；,实时动态,跟踪、进行,微小力,的测量。,生命科学家可以挑选所需要的特定活细胞来观察它的个体行为，研究特定的细胞间相互作用的基本过程。光镊提供了对生命活动的基本过程的研究所具有的,高度选择性,是传统研究方法不可比拟的。,光镊的特点,21,光具有的穿透特性，使得光镊有隔墙取物之功能。即光镊可以无阻挡越过屏障，穿过透明封闭系统的表层（细胞膜）操控其内部微粒（细胞器），也可以透过封闭的样品池的外壁，操控池内微粒，实现真正的无菌操作。,机械镊子望尘莫及！,光镊的特点,22,光镊操控的可视性。光镊使细胞悬浮于液体中所指定的位置，其四周没有遮挡，完全暴露在我们视野中，研究者提供了极大的方便。,光镊系统实时显示，完整保留活体细胞和大分子生命活动，能反应体系作用过程的特性是其它方法所不具备的。,光镊系统的特点,23,光镊是微小力的探针，,类似弹簧,。,光镊能够操控粒子，实际上是光镊向微粒施加了作用力。光镊能实时感应微小的负荷(fN)，是极其灵敏的力传感器。,光镊是揭示生命过程中物质输运、能量转换和信息传递规律的研究工具。,光镊的特点,24,#,生命科学-操控，动力学研究,解读生命运动规律,#微纳器件-操控，排布，组装，表征,新材料和功能器件制造,#分散体系-微粒间相互作用,宏观现象的微观机理探索,#光力学教学线性动量，角动量,认知光的基本属性,光镊的应用:,25,运动-,位移,/,速度,-,力,，,大小/方向,-结合/分离,-相互作用,特性-结构和功能,力学量是表征生命过程的重要参量！,单分子水平上探索生命运动的规律！,生命过程运动力,光镊应用生物大分子的动力学研究,26,国际前沿发展趋势,光镊技术更多的是用于研究生物大分子,十几年来已突破了许多“禁区”,人类首次实际测量到由化学能转变成机械 能的原动力肌肉运动的原始动力过程-,驱动蛋白分子吸收一个ATP能量后的分布运动状态，运动步长为8纳米。,27,国际研究成果举例,Nature,生物大分子,精细操作,双光镊对肌动蛋白,进行打结.,Science,光镊控制粘有肌动蛋白的小球接触微管,研究其运动特性,.,28,光镊研究DNA折叠动力学过程 研究,光镊研究DNA的缩合及解开,光镊已成为研究DNA动力学的不可或缺的工具,国际研究成果举例,29,光镊的应用,原生,质体的,融合,单个活,力精细,胞研究,激光,诱导转,基因,抗体抗,原结合,强度,分选,单条染,色体,细胞膜,弹性的,测量,分散,体系的,研究,纳米,生物学的,研究,微粒,的空间,排布,光镊的应用研究,30,Interaction of RecA Binding ssDNA with dsDNA,dsDNA,Unwinding dsDNA,RecA binding ssDNA,d(t),Optical tweezers,Change in the length of dsDNA,Rotational motion of,the trapped particle,国际研究成果举例,31,AOM-BasedOscillatoryTweezers,Liposome,AO,square,wave,DC5.5V,2.5v,1kHz,Diameter=3m,2beam distance=,2.88m,1064nm laser,Optical tweezers,32,烟草细胞,原生质体的融合,单细胞融合,光镊操控单细胞融合实验方法,33,RBC Stretching,Using a Parallel Dual-Tweezers,34,Optical Stretcher,J.Guck,et al.,Biophys,J,81,767(Aug,2001).,J.Guck,R.Ananthakrishnan,T.J.Moon,C.C.Cunningham,J.,Kas,Phys Rev,Lett,84,5451(Jun 5,2000),5mW,500mW,35,光镊分选单条染色体,水稻细胞-荧光标记-细胞残核-染色体群,36,分散体系中微粒的聚集通常都是随机的。用逐个操控单个粒子的方法。按设定要求排布出具有稳定空间结构的粒子聚集,体。,光镊在三维空间排布,微粒,纳微器件，微机械，生物器件的组装和表征,37,建立了光镊研究单分子力学行为的实验方法。,38,光镊操控的原理和方法,操控物体并使之运动-具备能够产生相对的运动的条件,本实验设计:光镊静止,光镊操控细胞所在环境运动,方法:显微镜平台以速度V带动样品池运动,被光镊捕获的粒子与环境产生相对运动,光捕获,39,光镊力的测量原理和方法,流体力学方法,Stokes公式,:,其中为液体粘滞系数，R为微粒的半径，当速度增加到Vmax时,细胞将脱离光镊的束缚离开光阱,此Vmax为细胞的逃逸速度。,当光阱捕获一个处于流场中的微粒时，光阱力和流场的粘滞阻力相平衡，该粘滞阻力符合斯托克斯公式。,显微镜平台,显微镜平台,光镊,40,1.光镊光源,2.光学耦合器,3.全反射镜,4.双向分束板,5.会聚透镜/高倍物镜,6.样品台,7.样品池,8.样品照明电源,9.激光滤波片,10.数码摄影头,11,12.图象显示与处理,光的力学效应实验光路图,实验装置和光路,样品台,光镊光源,41,光镊的实验装置图,42,*,光镊光源780nm，功率100mW,*,酵母细胞直径约 5,m,*,物镜可调范围10mm,微调最小分度,2,m,每小格,*,系统放大约4000 倍,*,平台调节范围：110mm 70mm,*,视频图像每,六个像素为1,m,*,每两帧图像之间的时间间隔为,1/15秒,*,静态和动态显微图象,实时显示,记录,回放,*,计算配套软件Lasertrap,光镊系统的参数,43,光镊俘获微粒,激光波导引导操控微粒,激光引导红细胞,激光引导酵母菌,44,谢谢大家！,45,