一种基于空芯光子晶体光纤载体的活细胞生物激光器

摘要

本发明公开了一种基于空芯光子晶体光纤载体的活细胞生物激光器,属于激光技术与生物光子学领域。该激光器包括泵浦源、光学准直系统、活细胞激光增益介质、空芯光子晶体光纤以及光学元件；泵浦光进入光学准直系统准直，聚焦到增益介质上，增益介质为表达荧光蛋白的活细胞，将充填活细胞的光子晶体光纤两端加上高反射平面反射镜，使光纤在两个镜面之间形成光学谐振腔。本发明应用新型的光子晶体光纤光学谐振腔使活细胞产生激光，同时利用光子晶体光纤，谐振腔内可以容纳多个细胞，产生的荧光强度大大增强，发出的激光很容易探测记录。

说明书

技术领域

本发明公开了活细胞生物激光器，属于激光技术与生物光子学领 域，尤其涉及一种基于空芯光子晶体光纤载体的活细胞生物激光器。

背景技术

单细胞生物激光器（single-cell biological laser）的概念最初是由 美国哈佛大学医学院的MalteC.Gather和Seok Hyun Yun在2011年6 月Nature Photonics上提出的。细胞生物激光器主要是利用了绿色荧 光蛋白（GFP）的受激辐射原理。Gather和Yun这两位美国科学家利 用基因转染技术，使人体肾脏细胞可以自发合成GFP分子。然后， 将表达GFP的活细胞置于两面镜子之间——它们的距离仅仅相当于 一个细胞的宽度，即只有约20μm。随后，用约1纳焦耳的低能量蓝 光脉冲作为激发光，来激发细胞中的GFP。通常情况下，蓝光可以使 GFP在细胞中发出绿色荧光，但发出的荧光随机地向各个方向发散。 但是在由两片光学透镜形成的紧密的高Q值光学谐振腔内，光线被 来回反弹，将GFP的发射放大为一束连贯的绿光。虽然这种激光很 微弱，但能被清晰地探测到，而用于生成激光的这个细胞仍然存活。 Gather和Yun在他们的实验中采用了光谱物理公司(Spectra Physics  Lasers)生产的一种光参量振荡器Quarta-Ray MOPO-700系列，它能在 400-2000nm调谐范围内输出线宽小于1cm的激光，单脉冲能量可大 于100mJ。该光参量振荡器的泵浦波长为355nm，是由一台Nd：YAG 激光器的三次谐波产生的。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种基于空芯光子晶体光纤载体的 活细胞生物激光器，其将空芯光子晶体光纤与表达荧光蛋白的活细胞 相结合，既可以利用光子晶体光纤独特的波导结构和特有的光学性 质，也可以利用荧光蛋白良好的光谱特性和荧光量子化效率高的特 点；本发明采用蓝光或绿光激光器作为泵浦源，同时将利用空芯光子 晶体光纤的特有性能，将稳定表达荧光蛋白（绿色荧光蛋白或红色荧 光蛋白或其它荧光蛋白）的细胞灌注于空芯光子晶体光纤腔中，然后 利用蓝光或绿光激光器对光纤中的细胞进行泵浦，最终达到产生活细 胞生物激光的目的；空芯光子晶体光纤的特殊结构加上两端的高反射 率平面反射镜使其成为一个理想的包括多个细胞的光学共振腔；腔内 稳定表达荧光蛋白的细胞被光源照射后，在这样的光学谐振腔内，光 线被来回反弹，将荧光蛋白的自发发射放大为一束连贯的激光。

本发明研制的活细胞激光器与前面介绍的单细胞激光器比较，最 显著地区别在于光学谐振腔的不同；其利用新型带隙型空芯光子晶体 光纤谐振腔的设计，因为光纤内可以灌注多个细胞，荧光蛋白发射的 光将被进一步放大，形成较强的激光辐射，而现有技术中，采用的均 是两面镜子形成的谐振腔设计，镜子之间只能容纳一个细胞。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于空芯光子晶 体光纤载体的活细胞生物激光器，该激光器包括激光泵浦源、光学准 直系统、激光增益介质、空芯光子晶体光纤以及光学元件；具体而言， 激光泵浦源采用的是蓝光或者绿光泵浦源，泵浦源可以连续输出或者 脉冲输出；光学准直系统是两个或单个透镜，或梯度折射率（GRIN） 透镜；激光增益介质为稳定表达荧光蛋白（绿色荧光蛋白或红色荧光 蛋白或其它荧光蛋白）的活细胞，荧光蛋白具有准四能级结构，光谱 特性良好并且荧光量子化效率高；空芯光子晶体光纤中灌注激光增益 介质即能够稳定表达荧光蛋白的活细胞，该活细胞可以是人体不同 组织或器官来源的细胞系，只要能表达绿色荧光蛋白、红色荧光蛋 白或其它荧光蛋白即可；光学元件包括前置平面反射镜、后置平面反 射镜，空芯光子晶体光纤两端的前置平面反射镜以及后置平面反射镜 上镀的膜是对激光泵浦源的泵浦光增透光学膜或对激光的全反射光 学膜。

激光泵浦源的泵浦光（蓝光或绿光）经过光学准直系统准直、聚 焦到激光增益介质上，激光增益介质即稳定表达荧光蛋白的活细胞灌 注于空芯的光子晶体光纤空腔中,光子晶体光纤两端加上两个高反射 平面反射镜即前置平面反射镜和后置平面反射镜，使光纤在两个镜面 间形成光学谐振腔；空芯的光子晶体光纤空腔内的激光增益介质即稳 定表达荧光蛋白的活细胞被光源照射后，在光学谐振腔内，光线被来 回反弹，将荧光蛋白的自发发射放大为一束连贯激光，从而实现表达 荧光蛋白的活细胞生物激光输出。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。

1、本发明利用空芯光子晶体光纤与表达荧光蛋白的活细胞相结 合，既可以利用光子晶体光纤独特的波导结构和特有的光学性质，也 可以利用荧光蛋白良好的光谱特性和荧光量子化效率高的特点；将稳 定表达荧光蛋白的活细胞灌注于空芯光子晶体光纤载体中，然后利用 蓝光或者绿光激光器对光子晶体光纤中的细胞进行泵浦，最终达到产 生活细胞生物激光的目的。

2、本发明采用光子晶体光纤作为活细胞的载体，同时也可以采 用毛细管或者硅波导结构；谐振腔内可以容纳多个稳定表达荧光蛋白 的活细胞，产生的荧光强度会大大增强，发出的激光很容易探测记录 同时，本发明可以利用人体不同组织（器官）来源的细胞系，研 究结果可以应用于细胞结构的研究，还可以为人类疾病的诊断和 治疗提供新方法和思路。

3、本发明采用的稳定表达荧光蛋白的细胞在较长时间的激光实 验中，细胞仍是活的，能够稳定表达生物活性；同时，还可以用于 研发新一代的生物材料光学元器件。

附图说明

图1为基于空芯光子晶体光纤载体的活细胞生物激光器结构图。

图2为实施例一的结构示意图。

图3为实施例二的结构示意图。

图4为实施例三的结构示意图。

图中：1、泵浦源，2、光学准直系统，3、光学元件，4、光子晶 体光纤，5、稳定表达荧光蛋白的活细胞，301、前置平面反射镜，302、 后置平面反射镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示为基于空芯光子晶体光纤载体的活细胞生物激光器 结构图，一种基于空芯光子晶体光纤载体的活细胞生物激光器，该激 光器包括激光泵浦源1、光学准直系统2、激光增益介质5、空芯光 子晶体光纤4以及光学元件3；具体而言，激光泵浦源1采用的是蓝 光或者绿光泵浦源，泵浦源可以连续输出或者脉冲输出；光学准直系 统2是两个或单个透镜，或梯度折射率（GRIN）透镜；激光增益介 质5为稳定表达荧光蛋白（绿色荧光蛋白或红色荧光蛋白或其它荧光 蛋白）的活细胞，荧光蛋白具有准四能级结构，光谱特性良好并且荧 光量子化效率高；空芯光子晶体光纤4中灌注激光增益介质5即能够 稳定表达荧光蛋白的活细胞，该活细胞可以是人体不同组织或器官 来源的细胞系，只要能表达绿色荧光蛋白、红色荧光蛋白或其它荧 光蛋白即可；光学元件3包括前置平面反射镜301、后置平面反射镜 302，空芯光子晶体光纤4两端的前置平面反射镜301以及后置平面 反射镜302上镀的膜是对激光泵浦源1的泵浦光增透光学膜或对激光 的全反射光学膜。

激光泵浦源1的泵浦光（蓝光或绿光）经过光学准直系统2准 直、聚焦到激光增益介质5上，激光增益介质5即稳定表达荧光蛋白 的活细胞灌注于空芯的光子晶体光纤4空腔中，光子晶体光纤4两端 加上两个高反射平面反射镜即前置平面反射镜301和后置平面反射 镜302，使光纤在两个镜面间形成光学谐振腔；空芯的光子晶体光纤 4空腔内的激光增益介质5即稳定表达荧光蛋白的活细胞被光源照射 后，在光学谐振腔内，光线被来回反弹，将荧光蛋白的自发发射放大 为一束连贯激光。

实施例一

图2为实施例一的结构示意图，图中泵浦源为蓝光或者绿光，可 选用连续输出或者脉冲输出；光学准直系统2包括两个透镜，对光束 进行准直聚焦；光学元件3为镀膜的前置平面反射镜301和后置平面 反射镜302，镀膜是对泵浦光的增透光学膜或对激光的全反射光学膜； 激光增益介质5为稳定表达荧光蛋白的活细胞；前置平面反射镜301 和后置平面反射镜302构成平行平面腔，且空芯的光子晶体光纤4空 腔内的激光增益介质5即稳定表达荧光蛋白的活细胞处于两反射镜 中间，进而形成激光谐振腔。

泵浦光依次经过光学准直系统2准直、聚焦到激光增益介质5即 稳定表达荧光蛋白的活细胞5上，而激光增益介质5即稳定表达荧光 蛋白的活细胞灌注于空芯光子晶体光纤4中，产生的激光在激光谐振 腔内多次反射后，通过后置平面反射镜302输出。

实施例二

图3为实施例二的结构示意图，图中泵浦源为蓝光或者绿光，可 选用连续输出或者脉冲输出；光学准直系统2为一个透镜，对光束进 行准直聚焦；光学元件3为镀膜的前置平面反射镜301和后置平面反 射镜302，镀膜是对泵浦光的增透光学膜或对激光的全反射光学膜； 激光增益介质5为稳定表达荧光蛋白的活细胞；前置平面反射镜301 和后置平面反射镜302构成平行平面腔，且空芯的光子晶体光纤4空 腔内的激光增益介质5即稳定表达荧光蛋白的活细胞处于两反射镜 中间，进而形成激光谐振腔。

泵浦光依次经过光学准直系统2准直、聚焦到激光增益介质5即 稳定表达荧光蛋白的活细胞5上，而激光增益介质5即稳定表达荧光 蛋白的活细胞灌注于空芯光子晶体光纤4中，产生的激光在激光谐振 腔内多次反射后，通过后置平面反射镜302输出。

实施例三

图4为实施例三的结构示意图，图中泵浦源为蓝光或者绿光，可 选用连续输出或者脉冲输出；光学准直系统2为梯度折射率（GRIN） 透镜，对光束进行准直聚焦；光学元件3为镀膜的前置平面反射镜 301和后置平面反射镜302，镀膜是对泵浦光的增透光学膜或对激光 的全反射光学膜；激光增益介质5为稳定表达荧光蛋白的活细胞；前 置平面反射镜301和后置平面反射镜302构成平行平面腔，且空芯的 光子晶体光纤4空腔内的激光增益介质5即稳定表达荧光蛋白的活细 胞处于两反射镜中间，进而形成激光谐振腔。

泵浦光依次经过光学准直系统2准直、聚焦到激光增益介质5即 稳定表达荧光蛋白的活细胞5上，而激光增益介质5即稳定表达荧光 蛋白的活细胞灌注于空芯光子晶体光纤4中，产生的激光在激光谐振 腔内多次反射后，通过后置平面反射镜302输出。