多功能扫描式激光影像传感技术于細胞应用
导读
激光发射显微镜 (laser emission microscopy) 是自2017年发展起来的一种新型影像传感技术。该技术由收集微腔激光器的发射激光形成的影像，实现对生物样品的高对比度、高灵敏度传感分析。现有激光影像技术大都针对物理参数进行测量，鲜有能够实现多种生物化学信号分析的激光影像传感技术。本文提出了一种基于液晶微球激光器的多功能激光影像传感平台，并演示了其在实现多种细胞分泌物无标记分析中的应用潜力。相关工作以“Multifunctional Laser Imaging of Cancer Cell Secretion with Hybrid Liquid Crystal Resonators”为题发表在Laser & Photonics Reviews上，并被选为2022-8月封面论文。
研究背景
微腔生物激光器通过在微腔内部集成生物系统以实现高灵敏度的生物信息感知。因其在生物医学和生物学应用中表现出的巨大潜力，该领域在近几年得到了蓬勃发展。在微腔和增益介质共同作用下，腔内光和物质相互作用被显著增强。因此，微腔生物激光器表现出了极高的检测灵敏度，同时具备线宽窄、高信噪比、高对比度等显著特征。近年来新兴的激光影像传感技术整合了影像技术和微腔生物激光技术，可在实现高灵敏度生物探测的同时提供丰富的空间信息，目前已经在生物细胞、生物组织等分析中被广泛应用。但是，现有的技术手段还难以实现多功能的传感器并反映细胞-环境相互作用下的复杂信号，且必須依靠細胞染色。本文提出一种基于液晶微球激光器的多功能激光影像传感技术，演示了多种细胞分泌物的无标记分析 (label-free)，并研究了细胞对外界刺激的相应。
研究亮点
研究人员利用液晶微球和法布里-珀罗微腔（FP腔）构成的复合微腔结构实现生物激光器。如图2a所示，细胞附着于FP腔镜的底部，液晶微球分散于细胞周围。研究人员制备了三种液晶微球（直径~ 2 µm ），分别掺杂有不同染料可分别实现绿光、黄光、红光激光输出。液晶微球表面分别修饰硫氢基团（-SH）、捕获抗体和羧基（-COO-）,可分别实现细胞氧化还原产物（ROS）、蛋白（Proteins）以及离子（Ions）的捕获和检测。目标待测物结合到液晶表面后，液晶排列发生改变。由于液晶分子的转动引入更多的腔内散射，输出的激光强度逐渐降低（如图2b所示）。通过扫描各个液晶微球出射的激光信号并检测其时域变化，可以反应细胞分泌物的实时变化规律。
