提到激光器，人們通常想到的可能是各種類型的傳統固體或氣體激光發(fā)生器，很少有人會將微小的細胞和激光器聯系起來。我們知道產生激光通常要有三要素，即光源，受激產生輻射的增益介質以及將所產生的光進行放大的“光學諧振腔”。一般激光器的增益介質多為晶體、陶瓷、有機染料及光纖等材料，而細胞激光器所采用的增益介質是具有生物活性的細胞，這突破了人們對激光器的傳統認識。細胞激光器在2015年被評為了十大新型激光器之一。

細胞與激光的首次結合

        細胞激光器的產生最初是源于研究人員的好奇心。激光研究人員曾經嘗試使用各種狀態(tài)和各種形狀的材料作為增益介質來實現激光輸出，包括氣體，液體，固體以及陶瓷，晶體，光纖等。自然界中有沒有生物材料可以發(fā)射激光呢？哈佛大學的光物理學者Seok-HyunYun 和Malte Gather對這一問題特別好奇，因此他們嘗試了細胞作為增益介質的激光輸出。

        在自然界，有很多可以發(fā)光的物質，比如綠色熒光蛋白，它最初是從水母中提取出來的，在藍光輻照下會發(fā)出綠色的光，其三維結構見圖1A。綠色熒光蛋白的發(fā)現在生命科學研究領域具有里程碑式的意義，發(fā)現和研究綠色熒光蛋白的三位科學家因此獲得了2008年的諾貝爾化學獎。它可以用于追蹤細胞中的分子，報告基因的表達，被譽為生命科學中的指路明燈。Yun和Gather博士用表達綠色熒光蛋白的DNA質粒對人胚胎腎細胞進行轉染，得到了可以表達綠色熒光蛋白的腎細胞。

圖1.單細胞激光器 A 綠色熒光蛋白三維結構 B 單細胞激光示意圖 C D E分別是低于閾值，閾值附近和高于閾值的出光模式 F G分別是低于閾值和高于閾值細胞內出光的空間分布模式

        將此細胞置于琺珀諧振腔中，腔鏡是由兩面布拉格反射鏡構成，腔長d在20微米左右，細胞直徑在15微米左右，如圖1B所示。泵浦光源為波長465nm的光參量振蕩器，脈寬5ns，重頻10Hz。經顯微物鏡對腔內細胞進行泵浦，并探測其輸出光譜，得到了在不同泵浦功率下單細胞的激光輸出，圖1C,D, E，經實驗測量泵浦閾值擬合結果在1nJ左右。泵浦能量低于閾值時，只是自發(fā)輻射發(fā)光（C）；在閾值附近時，只有一個模式的震蕩輸出（D）；隨著泵浦功率的增加，其他模式的激光也得到放大輸出（E）。在持續(xù)數分鐘的激光放射后，細胞仍能保持其生理活性。雖然這種激光很微弱，持續(xù)時間只有幾個納秒，但能被清晰地探測到。除了人源細胞出光外，他們還實現了表達綠色熒光蛋白的單個細菌的激光輸出。

自帶諧振腔的細胞激光器

        第一個活細胞激光器的成功實現為生物材料激光器研究打開了一扇門。但是第一個活細胞激光器使用了外加的諧振腔。為了更易于將激光器植入活體內，2015年，哈佛大學的Yun博士又在自己的實驗室嘗試了細胞內載有諧振腔的激光器—即基于回音壁模式微腔的細胞內激光器。

        回音壁模式光學微腔是一種特殊的光學諧振腔，它突破了傳統的基于腔鏡光學諧振腔的限制，通過邊界連續(xù)的全反射，可以將光子長時間地局域在微腔內形成回音壁模式的介質諧振腔。因其具有超高Q值、極小的模式體積、超高的能量密度和極窄的線寬等優(yōu)越特性，成為一類典型的新型光學器件?；匾舯谀Ｊ轿⑶豢梢栽诃h(huán)形或者球形的一些材料表面實現光信號的傳輸，在無標記傳感探測領域具有其他光腔不可比擬的優(yōu)勢。目前已報道的回音壁模式微腔材料有液滴、二氧化硅、半導體和聚合物等材質。借助于微納加工制造技術、光纖拉錐等技術，回音壁模式微腔得到了迅猛發(fā)展，

        Yun博士和他實驗室的Matja? Humar采用以下幾種不同方式的回音壁微腔模式實現了細胞內激光輸出:

        （1）向細胞內注入油滴，如圖2A所示，油滴是混合了尼羅紅染料的聚苯乙醚，其折射率為1.69，而油滴外細胞液折射率可近似為水的折射率1.33。根據折射率導光原理，油滴在細胞內會形成一個由尼羅紅染料提供增益的微球腔。在波長535nm、脈寬5ns、重頻10Hz泵浦光作用下，得到回音壁模式輸出光譜，如圖2C所示。在此基礎上，考慮到豬皮的脂肪細胞內含有單一的形狀規(guī)則的球形脂滴，將含有尼羅紅的溶液注射到豬皮下脂肪組織中，細胞中的脂肪顆粒被尼羅紅染色。在37℃、用535nm激光泵浦豬皮組織，輸出信號經芯徑200μm的多模光纖耦合至光譜探測器，得到了豬皮組織中脂肪細胞的輸出光譜。

        （2）利用高折射率材料的回音壁微球腔。人體細胞具有內吞功能，可以將細胞外的物質通過內吞作用攝取到細胞內以維持正常的代謝活動。用人體宮頸癌HeLa細胞通過細胞內吞作用可以使直徑11.5μm的熒光摻雜的聚苯乙烯微球進入細胞內部形成回音壁微腔，圖2D，E。在泵浦激光輻照下，實現了細胞內的激光輸出，圖2F。除了將增益介質摻雜在回音壁微腔內之外，也可以將沒有熒光摻雜的回音壁微球置于含有熒光染料的細胞質中，或者在微球表面包覆一層熒光染料，這樣也能夠實現基于回音壁模式微球腔的細胞內激光輸出。

圖2 基于回音壁微球腔的細胞內激光器 A 將油滴注入細胞內示意圖 B含有油滴的細胞，紅色為尼羅紅染色的油滴，藍色為細胞核 C 基于油滴微腔的細胞內激光輸出 D 細胞內吞微球示意圖 E 內吞聚苯乙烯微球的細胞，紅色為細胞膜，藍色為細胞核F 基于聚苯乙烯微球腔的細胞內激光輸出。

植入組織中的激光器

        在科幻電影中我們曾經看到過鐳射眼。細胞激光器具有極好的生物相容性，如果植入生物組織內將不會引起機體的免疫反應，這為將激光器植入活體組織中提供了可能，活體組織發(fā)光將不再是夢想。2017年，Matja? Humar、Anja Dobravec等人報道了可植入牛眼角膜、血液和皮膚組織內的微型激光器，如圖3所示。他們分別將直徑8μm的綠色熒光聚苯乙烯微球植入新鮮的牛眼角膜內（n=1.37-1.38）；直徑40μm摻雜尼羅紅染料的生物可降解PLA微球植入人血液內；以及直徑49.8μm的尼羅紅染料PLA微球植入豬皮組織內。分別實現了眼角膜，血液和皮膚表面下200微米深處的激光發(fā)射。

應用前景

        （1）   在生物檢測和成像領域，有望實現高靈敏檢測和細胞內部成像，提高成像分辨率。熒光檢測和成像技術因其可以提供豐富的分子信息是當今生物醫(yī)學領域不可或缺的一項技術。但是由于熒光的譜帶較寬，不利于多種熒光的同時檢測以及高靈敏分析，這是熒光分析的瓶頸。而如果把熒光轉變?yōu)榧す猓捎诩す獾墓庾V帶寬非常窄，可以彌補熒光成像的不足突破熒光檢測的瓶頸。另外，傳統的光學顯微技術利用不同組織結構對光的線性吸收（單光子）的不同來生成圖像的對比度，但是這僅限于在靠近組織表面（小于 100微米）實現高分辨率成像。如果可以從內部成像，那么可能會得到具有更多細節(jié)的圖像?，F代的光學成像技術如共聚焦顯微技術和多光子顯微技術可以提供生物系統的具有亞細胞分辨率的成像。熒光顯微鏡成像的技術依靠使用熒光物質標記來對細胞或組織進行成像，而細胞內激光器可以生成更亮的激光用以提高它成像的分辨率。

        （2）   可以用作細胞標簽。人體是由上萬億個細胞組成的，細胞是生命活動的基本單位?；诩毎麅鹊奈⑿图す馄髟?，如果使用不同發(fā)射波段的熒光染料摻雜微球，結合使用不同尺寸的微球，那么可分辨的微球數量將大大增加，甚至可以達到人體內細胞數量。利用此項單一技術來單獨標記靶向細胞，使得同時追蹤上千個細胞成為可能，從而可以研究每一個細胞的生命活動過程，并進行目標組織細胞的定位。

        （3）   細胞內環(huán)境監(jiān)控。細胞內微型激光器就像是在細胞內安裝了眼睛，可以實時觀察細胞內的活動。并將觀測結果以激光的形式傳遞出來。根據這一原理，可以利用細胞內激光器來對細胞內的微環(huán)境進行監(jiān)測，有望實現對一些危害人類健康的重大疾?。ū热绨┌Y）的早期檢測和預防。

        （4）    用于制作生物活性的元器件。目前的光學器件大多是非生命的物質，細胞激光器的出現，將有望制成具有生命活性的元器件。

        綜上，細胞激光器的實現為生物學和光子學領域的研究開辟了新的方向，但是目前其研究還處于初始階段，其在生物學領域和光子學領域的各種新應用將會不斷涌現。