作者:Moritz Kreysing 来源:eLight 发布时间:2023/8/4 0:11:19
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准恒温环境下的生物光流控

最近,来自马克斯-普朗克分子细胞生物学和遗传学研究所以及卡尔斯鲁厄理工学院的Moritz Kreysing教授,以及剑桥大学的Eric Lauga教授合作,通过在激光扫描过程中利用对称性关系解耦激光加热和热流动引导两者之间的关系,实现了准恒温分布场下线虫胚胎在系统中的定向流动。该ISO-FLUCS技术有望成为生物学和材料科学中温度敏感系统中光学操作的新标准。

该文章发表在卓越计划高起点新刊eLight上,题目为“ISO-FLUCS: Symmetrization of optofluidic manipulations in quasi-isothermal micro-environments”。

微纳操控技术在材料科学、胶体物理学和生命科学等领域被广泛应用。光学引导的热粘性流,也被称为聚焦光引导的细胞质流(FLUCS),就是近年备受瞩目的微纳操控技术之一。其原理是基于热膨胀和温度引起的粘度变化之间复杂的相互作用产生的热粘性流,通过照射样品的红外激光聚焦产生的局部加热,导致流体密度和粘度的变化,从而引发局部的液体流动以及传输过程,以用于操纵细胞和发育中胚胎的细胞质。FLUCS具有产生定向流的优势,并减少了侵入性和直接的接触式控制,因此对生物医学研究有着重要应用价值。然而,在FLUCS中,局部激光扫描会导致生物样品的温度扰动(图1b),这可能对高度热敏感的系统有较大的影响,如热敏感的哺乳动物细胞、可热降解的卵母细胞、热调节的鳃组织等,因此给FLUCS的应用带来了极大限制。

在本文中,作者研究了使用分步扫描的方式将激光引导产生的流动和加热分离开来。在围绕所需轨迹对称分布的地方分别引入了附加的反方向路径,使得在感兴趣的区(ROI,即目标区域)内的温度分布更加均匀。进一步地,作者还依据上述的对称关系在多达三个不同的尺度上(即三条激光扫描线)进行扫描,可以导致局部的温度分布更加均匀,同时也能产生定向流动,并且这些流动的路径基本上没有改变(图1c) 。另外,外部还使用了帕尔贴来冷却样品达到其所需的温度。作者实验证明,这种称之为等温FLUCS (ISO-FLUCS)的技术,显著的降低了激光加热的影响,同时能实现线虫胚胎的热粘性定向流动,并远远超过其内源性流动的速度,验证了该系统的作用。鉴于其不仅大大减少了加热导致的温度分布不均匀的影响,还保留了FLUCS的主要特点(定向、多功能、非侵入性、触觉),ISO-FLUCS有望成为生物学和材料科学中高温敏感系统中光学操作的新标准。

图1:a. FLUCS装置的光路,能够同时成像并引导细胞在液体中的流动。引导细胞流动的红外激光束通过声光偏转器(AOD)进行X/Y扫描,并照射到二向色镜上,从而与成像的光路结合到一起。两者都被耦合到一个高数值孔径、定制涂层的显微镜物镜的后焦平面。激光照射在ROI内导致温度升高产生定向流动。同时,ROI通过连接到高导电蓝宝石玻片上的帕尔贴元件对整个样品进行加热或冷却。b. 通过沿单条线重复扫描红外激光产生的模拟温度分布。c. 两步扫描模式均匀地加热整个ROI的模拟温度分布。

为了在不产生大温度梯度的情况下还能获得传统FLUCS的性能,有必要将温度与热粘性流的引入进行解耦。实现这个目标的方法之一就是创建额外的扫描路径在更大的区域内使温度均匀化。热粘性流的速度主要取决于激光沿特定路径扫描的频率,而不是取决于激光加热的速度。因此,可以加速主扫描模式(即沿着定向流速的方向),并且压缩扫描信号到仅占用原始区域的一小部分。这种占空比的有效降低将为引入二次扫描点提供空间,从而可以在给定的占空比内将加热扩散到更大的区域,有效地使温度均匀化。

在上述基本方案的指导下,作者首先探索了单激光热点扫描模式下中红外荧光激发以及螺旋图案引起的强度和温度分布(图2a-d)。随后作者重点研究了在多个激光加热点的情况下,多个热点的分离度和产生的温度分布之间的影响,当不考虑光斑的具体参数时,最终得出,两个加热点之间的最佳距离为5.6微米(图2e-f)。

接下来需要设计时间上的扫描序列,该设计有两点要求:(1)在一个扫描周期内以相同的频率均匀加热所需的所有点,(2)依然能够引导出所需的定向流场。同时还需要注意,扫描的频率需要足够高,使得在两个连续的周期内访问同一个点之间的时间延迟要明显低于热粘性现象的特征时间尺度。因此,作者提出了一种由七条平行等距线组成的简单的ISO-FLUCS的模式(如图3),并且仅在中间的那条线上引导定向流场。

图2:a. 罗丹明B暴露于红外激光时的时间平均荧光图像。b. 甘油/水溶液中罗丹明B的荧光测量出来的温度曲线。c. 由螺旋图案引起的模拟温度分布和d相应的温度直方图。e. 由放置在不同分离距离的两个热点产生的模拟温度分布。相应的强度截面显示,在大约5.6微米的分离距离时,ROl内的温度分布相对均匀。f面板e中ROl内测量的温度分布的标准差作为热斑之间分离距离的函数,表明最佳距离为5.6微米。g. 多个热点情况下由螺旋图案引起的模拟温度分布和h相应的温度直方图。

图3:用于组成ISO-FLUCS模式的时间扫描单元图。

为了确定ISO-FLUCS的性能能否与传统的FLUCS的性能相匹配,作者进行了实验验证(如图4)。根据实验中粒子轨迹与场的分布(图4a,e)可以发现,ISO-FLUCS中外部四极(四条扫描线)的加热效果几乎完全被抑制,并且产生了与单极加热相类似的场对称性。实验中还对场中粒子的速度进行了测量(图4b,f),可以发现ISO-FLUCS中粒子的速度较低,这是因为平均之后在该条扫描线上的能量偏低,但是速度可以通过激光的功率很方便的调节(图4i,j)。最后为了说明ISO-FLUCS的优越性,和传统的FLUCS相比,可以发现在ROI内的温度范围显著的被均匀化(图4c,d,g,h,k,l)。

除此之外,作者在能保留ISO-FLUCS的特性的基础上,还探索了更复杂的扫描模式。并且在实验上实现了在体内操纵线虫的细胞质。从而更进一步的验证了ISO-FLUCS的优越性,并为温度敏感性样本的操控提供了一种新的方式。(来源:中国光学微信公众号)

图4:ISO-FLUCS减少温度影响的同时,仍然引导了热粘性流动。

相关论文信息:https://doi.org/10.1186/s43593-023-00049-z

 
 
 
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