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微腔矢量激光助力阿尔茨海默症早期诊断

发布时间:2022-08-20 19:15:06 来源:买球世界杯平台网址 作者:2022世界杯正规买球平台

内容简介:  阿尔茨海默症占全世界痴呆症的50%到70%,是一种最常见的痴呆症。虽然阿尔茨海默症的真正成因尚不明确,但大量研究表面,其疾病进程与大脑中的纤维状类淀粉蛋白(Αβ)与细胞膜之间的相互作用有关。因此,在Αβ形成早期,实现对Αβ与细胞膜之间相互作用的高灵敏度实时监测在医学、生物学领域具有重大意义。传统的方法例如圆二色光谱、荧光、散射光谱等具有较弱的光和物质相互作用,很难在疾病发病以前对Αβ和细胞膜相互作用进行监测。  过去十几年中,微腔激光器在生物、医学等领域表现出了巨大潜力。如何利用微腔激光器反映微弱且重要的生物信息逐渐成为热点研究课...

  阿尔茨海默症占全世界痴呆症的50%到70%,是一种最常见的痴呆症。虽然阿尔茨海默症的真正成因尚不明确,但大量研究表面,其疾病进程与大脑中的纤维状类淀粉蛋白(Αβ)与细胞膜之间的相互作用有关。因此,在Αβ形成早期,实现对Αβ与细胞膜之间相互作用的高灵敏度实时监测在医学、生物学领域具有重大意义。传统的方法例如圆二色光谱、荧光、散射光谱等具有较弱的光和物质相互作用,很难在疾病发病以前对Αβ和细胞膜相互作用进行监测。

  过去十几年中,微腔激光器在生物、医学等领域表现出了巨大潜力。如何利用微腔激光器反映微弱且重要的生物信息逐渐成为热点研究课题。由于微腔增强了光和物质相互作用,微腔激光器在生物探测中具有高灵敏度、高信噪比等优势,有望探测传统技术无法获得的微弱生物信号。

  但是,目前绝大部分的微腔激光器只能通过光谱的波长、强度等参量来反映生物信息,难以对腔内细微的结构变化实现探测。而在生物学上,大量的生物过程如分子相互作用、分子-细胞相互作用、细胞-细胞外基质相互作用等均伴随着结构变化。如何利用微腔激光器探测生物过程引起的细微结构变化成为该领域亟待解决的关键问题。

  针对以上问题,新加坡南洋理工大学Yu-Cheng Chen教授课题组()开发了一种新型的微腔矢量激光器。该激光器可输出矢量激光并且其激光模式拓扑结构可反映分子相互作用。该课题组提出横模编码的概念并将其成功应用于Αβ和脂质分子之间相互作用的动态监测。该研究工作以 Topological Encoded Vector Beams for Monitoring Amyloid-Lipid Interactions in Microcavity 为题在线发表在 Advanced Science 。

  如图一所示,研究者制备了微米量级的液晶球并通过在液晶球外部包裹一层脂质的方式来模拟真实细胞膜与Αβ的相互作用过程。由于液晶的双折射效应,该激光器可输出矢量偏振光。同时液晶的分子排列随着分子相互作用而改变,从而将脂质层微观的结构变化放大。结果表明,该矢量激光器输出的横模拓扑结构(包括模式阶数、偏振状态)因分子相互作用而随时间改变。激光拓扑结构的时域变化与分子浓度、分子量的大小有关。图一: 矢量激光器输出时域特性反映分子相互作用及横模编码方式示意图。

  研究人员证实激光拓扑结构的时域变化规律与分子浓度有关。如图二所示,当更高浓度的Αβ分子与液晶表面脂质分子相互时会触发更快速的拓扑结构变化。按照如图一中所示的编码方式可将每个状态下的输出矢量模式进行编码。每个矢量模式对应一个独一无二的条码。通过区分不同条码,可以直观看出每个状态下矢量模式的变化情况。此外,用模式的转换速率作为输出参量,可对不同Αβ浓度下的响应进行标定。图二. 矢量激光输出的时域特性与分子浓度相关。

  激光拓扑结构时域变化规律还与分子量有关。如图三所示,在一定条件下Αβ分子形成更大分子量的复杂结构。实验显示,当具有更复杂结构的Αβ分子与液晶表面脂质分子相互时会触发更快速的拓扑结构变化。与荧光探测手段相比,该矢量激光器能够更灵敏地反映Αβ分子与脂质分子相互作用。图三. 矢量激光输出时域特性与分子量大小相关。

  这项研究的意义在于证实微腔矢量激光器输出光的拓扑结构与分子相互作用存在紧密联系。该团队认为,该技术有望进一步扩展到诸如细胞-细胞、细胞-细胞外基质相互作用的研究。同时,该技术也为研究生物控制、生物编程的新型光子器件提供了新思路。

  本文的通信作者为新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院Yu-Cheng Chen教授, 第一作者为课题组博士后龚朝阳。该工作与太原理工大学王文杰教授合作。

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