单细胞光镊拉曼光技术检测脐血淋巴细胞EB病毒转染过程初步研究

目的试验将单细胞光镊拉曼光技术（LTRS）应用于了解活小细胞内部生化变化过程。方法对加入EB病毒上清液的脐血淋巴细胞进行培养,分别在培养后0 h、24 h、48 h、72 h进行单细胞光镊拉曼光检测,并应用数码相机拍照及记录拉曼光谱。结果 EB病毒感染0 h、24 h、48 h、72 h淋巴细胞胞内物质拉曼光谱在785~1 742 cm-1,对上述不同时间检测的4条拉曼光谱曲线比较研究表明：16种胞内物质随着培养时间的延长,72 h内不断增加,其中以1002 cm-1、1064 cm-1、1265 cm-1、1300 cm-1、1443 cm-1、1655 cm-1、1 742 cm-1归属为苯丙氨酸、脂类、蛋白质、酰胺I/脂类等物质增长较快,785 cm-1所代表的核酸增长的幅度不大。结论单细胞光镊拉曼光技术检测可以应用于研究活的脐血淋巴细胞EB病毒转染后的变化和观察小细胞生长变化过程中内部的生化过程。

基于荧光光镊与机器学习的单细胞血液分类方法

利用物种间血液成分的差异来识别物种,对生物医学、医疗健康、海关、刑侦、食品安全、野生动物保护等工作十分重要。但目前的研究都是针对群体细胞展开,忽略了单细胞的异质性,开展基于单细胞的血液光谱分类方法研究非常迫切。在此提出了一种基于荧光光镊和机器学习的单细胞血液分类方法,利用光镊实现了单细胞捕获,通过荧光光谱检测系统获得了单细胞荧光光谱数据,并基于机器学习方法实现了准确分类。首先,设计并搭建了一套荧光光镊系统,实现了单细胞捕获和荧光光谱检测。然后,制备了马、猪、犬、鸡四种动物的红细胞稀释液,以440 nm激光作为荧光激发光源,获得了四个物种每种100条、共计400条荧光光谱数据,并进行了背景去除、平滑、归一化的预处理,消除了信号中的噪声干扰。随后,建立了随机森林分类模型,分析了当抽取特征数k=20时,模型中树的棵数与预测准确率之间的关系,当决策树m=500时,分类正确率趋于稳定,有很高的分类正确率和运行效率。进一步地,设定样本数据的30%作为测试集、70%为训练集,计算不同波长与特征重要性之间的关系,得到了10个分类准确率,并取平均值作为模型分类的准确率,测试集最终准确率达到93.1%,方差为0.31%。最后,计算了混淆矩阵,对模型预测精度进行了评价,鸡的分类正确率最高,马的分类正确率最低。分析表明,对分类有重要贡献的物质分别是卟啉类物质、血红素和黄素腺嘌呤二核苷酸。总之,研究表明,将荧光光镊与机器学习方法相结合,可实现单细胞水平的血液分类,较高的分类正确率验证了这种方法的可行性和有效性。同时,该方法不需要过多样品就能满足建模需求,避免了因浓度低带来的荧光自吸收强度过低等问题,具有快速、准确分类的优点,具有非常重要的潜在应用价值。

微流控芯片-拉曼光镊的红细胞光谱检测技术

将微流控芯片与带有光镊子的激光拉曼光谱系统结合起来用以检测人红细胞的拉曼光谱。根据实验效果,选用的芯片采用石英毛细管(内径70μm)与玻璃板耦合的方式制作而成,采用微流控技术使细胞依次通过光镊所在的区域,利用光镊将细胞囚禁,然后获取单个细胞的拉曼光谱,共测得正常人红细胞的12个拉曼光谱。将实验结果与使用常规方式检测得到的红细胞光谱进行比对分析,发现这一技术显著加快了细胞的拉曼光谱检测进程,并能增强数据的可靠性。

基于单细胞拉曼光谱技术的葡萄球菌黄素生物合成分析

利用光镊拉曼光谱技术研究吲哚对金葡菌细胞中葡萄球菌黄素合成的抑制作用以及色素含量在分批培养过程中的动态变化。收集经不同浓度吲哚(终浓度为0,0.2,0.6,0.8,1.2和1.5 mmol/L)处理后的以及不同培养时间的金葡菌单细胞的拉曼光谱,以光谱1523 cm-1峰强度表征色素含量,并与紫外可见分光光度法得到的结果进行比较。结果表明,细菌拉曼光谱1523 cm^(-1)峰强度与分光光度法测得的色素含量有良好的线性关系,相关系数达0.9772;群体和单细胞水平的光谱数据均表明,吲哚可剂量依赖性地抑制葡萄球菌黄素的合成,色素含量降低幅度超过70%;在分批培养中细菌色素含量在对数生长中期(12 h)达到最大值,各个时间点的群体内部细胞间色素含量的异质性较小,RSD在39.2%~61.1%之间。本研究表明光镊拉曼光谱技术是一种在单细胞水平分析葡萄球菌黄素含量的可靠方法。

激光光镊技术在单细胞、单分子科学中的应用研究

首先阐明了单细胞、单分子分析与研究的学科价值和社会意义:强调了激光光镊技术的出现对促进单分子、单细胞科学的发展的实际贡献;介绍了光镊的物理原理和工作特点;着重总结了激光光镊技术在单分子、单细胞领域的具体应用情况,并结合详细的研究工作,对这一技术的开发完善和应用发展给出了一些评述和建议:阐述了光镊技术在单细胞、单分子研究中的潜在地位和巨大的发展前景。

拉曼光镊技术在不同细胞中应用的进展

目的:引入并介绍拉曼光谱、光镊的物理原理及其工作特点,结合详细的医学研究工作,总结了拉曼光镊技术在不同细胞领域的具体应用情况。方法:采用光镊固定活细胞,同时应用激光拉曼技术对活细胞进行活细胞或细胞器的拉曼光谱测定,应用此技术俘获悬浮液中的样品,在接近生理状态下研究单个活体,如细胞、细胞器或生物大分子,对研究对象的生理生化过程可进行实时跟踪,进而对活细胞进行拉曼光谱测定。结果:光镊拉曼光谱技术从单细胞水平分析正常人红细胞和地中海贫血患者的红细胞的携氧能力和形变能力,实现对不同物种血红细胞和血小板鉴定;拉曼光谱技术在分子水平上揭示癌细胞组织结构与正常细胞组织结构之间的差异,为癌症诊断和机理分析提供重要的信息和数据;拉曼光谱技术实现了DNA分子的扭转和打结,并实现了对人类染色体操控和鉴别。结论:拉曼光镊技术是实时研究细胞生理、生化变化的快捷而有效的工具,有望成为在分子水平上对各种活细胞的检测、诊断的先进工具,具有非常广阔的前景。

光镊拉曼光谱技术检测结肠癌细胞的研究

使用激光光镊拉曼光谱分析系统,测量了结肠癌病人的3种不同细胞的拉曼光谱。实验结果显示结肠癌细胞和正常细胞的拉曼光谱有明显的差异,这种差异可以由1002cm-1和1300cm-1处的峰值参数来标示。与正常细胞比,结肠癌细胞在1350cm-1,1458cm-1,1576cm-1,1662cm-1处的强度增加,表明在结肠癌组织细胞中核酸含量增加。在1300cm-1,1442cm-1,1647cm-1,1739cm-1处的强度减小,表明在结肠癌组织中脂类的含量减少。

光镊技术在单细胞和单分子特性检测中的研究进展

光镊是一种高分辨率的光学操控技术,自诞生以来就广泛应用于生物研究领域,对单细胞和单分子的相关研究起了关键作用。随着近些年对光镊技术的不断改进,一些新方法已经用于单细胞和单分子的研究。综述了近些年光镊在单细胞操控、细胞间相互作用、红细胞力学特性研究领域的最新进展和光镊技术在单分子特性检测中的最新应用成果,以及光镊拉曼技术和光镊结合微流控技术的最新应用实例。最后,分析了光镊目前的发展现状并对光镊技术未来的发展提出了展望分析。

光镊捕获的单个解冻人血红细胞的拉曼光谱研究

红细胞的冰冻与解冻的实施为血液的长期保存提供了有效的方法。在过去的几十年中,红细胞冻存有过数种方法,其中高甘油冻存法比较普遍,因而用此方法保存红细胞是否对红细胞产生了影响及产生了什么影响是值得研究的。作者利用激光光镊拉曼光谱系统,通过拉曼光谱对冻存人血红细胞进行研究;结果显示,红细胞冻存前后的拉曼光谱有一定的变化,解冻提取后也产生了一定的变化,这些变化主要体现在对应拉曼光谱的位置和强度上。研究结果对进一步研究红细胞的冻存具有一定的参考价值。

基于单细胞拉曼光谱的酵母乙醇发酵动态过程研究

应用光镊拉曼光谱技术以15%葡萄糖为乙醇发酵底物,在发酵过程中定时取样,收集发酵液及酵母单细胞的拉曼光谱,通过分析胞内主要生物大分子及葡萄糖、乙醇的特征性拉曼信号变化来监测酵母发酵乙醇的动态过程。结果显示,酵母细胞在进入发酵培养基后代谢很活跃,表征线粒体呼吸水平的1600cm-1信号在0h^3h很强,但在乙醇开始大量产生后迅速减弱;葡萄糖在第3h^18h大量消耗,乙醇在第3h开始产生,第4h^18h大量生成;RNA在3h后迅速增加,同时蛋白质和脂类物质的特征峰亦增强,在8h、9h后基本达到较高水平;酵母细胞蛋白质二级结构在发酵前6h以α螺旋为主,之后稳定以无规则卷曲为主。结果表明,利用光镊拉曼光谱技术可便捷获取胞内外信息,能有效地监测乙醇动态发酵过程,获取底物消耗、产物生成及胞内其他成分变化等。

拉曼光镊流式细胞仪的构建及其在地中海贫血分析中的应用

为自动检测和分析地中海贫血(地贫)红细胞内部的物质变化情况,建立拉曼光镊-微流控芯片自动化系统平台。应用此装置收集β地贫红细胞和正常红细胞的拉曼光谱,并对其进行多元统计分析,从拉曼特征峰(1004,1130,1450,1545,1604和1618cm-1)的数据统计分析可见,β地贫红细胞的血红蛋白分布比正常红细胞广,平均强度差在6%以内。采用主成分分析法,可较好地将正常红细胞和β地贫的红细胞区分开,从载荷图可以更明显的看到它们的变化情况。此装置实现了快速、准确、非损伤的全自动化检测,为生物学的研究和医学诊断提供新的研究手段。

人血红细胞在直流电作用后光镊操控的拉曼光谱研究

激光光镊拉曼光谱(LTRS)系统是拉曼光谱和激光光镊的结合,是一种研究细胞的全新方法,可对单个活细胞进行操控和光谱收集。从拉曼光谱特征峰位置、强度和线宽可得到细胞的组成、结构及细胞内物质相互作用的信息。外界因子对细胞的作用可引起细胞的生理变化,这种变化也可以通过拉曼光谱的变化而进行分析。本文是对人血红细胞在不同强度直流电的作用前后拉曼光谱变化的研究,结果表明:人血红细胞在直流电作用前后拉曼光谱有明显的差异,这种变化正是红细胞内信息变化的一种反映。本研究为直流电物理治疗的分子机理提供一定的理论参考。

心肌梗死患者红细胞的光镊拉曼光谱

利用激光光镊拉曼光谱系统,测定了健康者红细胞和心肌梗死患者的红细胞拉曼光谱,研究其拉曼光谱之间存在的差异性,探讨其红细胞内容物的改变情况及其变化机理,为疾病的诊断提供一种新的、快速简便的光谱分析手段,为临床诊断提供有力的实验依据。

心律失常与心肌梗死患者红细胞异常的光镊拉曼光谱分析

目的利用激光光镊拉曼光谱系统,测定健康者、心律失常患者和心肌梗死患者红细胞的拉曼光谱。方法取新鲜静脉血样本,经洗涤、离心处理后分离出红细胞,用激光光镊拉曼系统采集其红细胞的拉曼光谱。结果与正常红细胞比较,心血管疾病患者红细胞的光镊拉曼光谱有较大的差异,红细胞的整体谱线偏弱;部分特征谱数发生位移。结论通过对红细胞的分离和捕获并测定其拉曼散射光谱,研究和分析红细胞的内容物及生物大分子的变化。进一步收集并建立心血管疾病的拉曼光谱数据库,为分子水平上探讨常见心血管疾病的类型及发病机制提供依据。

应用于单细胞分析的光流控技术

回顾了光流控技术在单细胞分析领域的应用,介绍了目前采用光流控方法进行单细胞操纵、处置及性能检测的研究进展,特别是单细胞分选、转染及注入过程,细胞变形检测方法等.证实了采用微流控器件整合光学方法研究单细胞蛋白质表达、基因表达等生物医学应用的重要性.最后对光流控实验平台未来的发展进行了分析和展望.

光镊拉曼光谱技术结合响应面法优化红酵母产类胡萝卜素的发酵条件

拉曼光谱具有快速、实时、无损分析的特点,在生物学领域应用广泛。作者利用光镊拉曼光谱技术(LTRS)测定红酵母细胞中类胡萝卜素。采用Plackett-Burman法对影响红酵母发酵的相关因素进行评价,发现葡萄糖、蛋白胨、pH和温度对类胡萝卜素的产量影响显著。利用BoxBehnken设计和响应面分析法对影响类胡萝卜素产量的关键因素进行优化,获得的最优发酵条件为:葡萄糖42.86 g/L,蛋白胨5 g/L,酵母提取物5 g/L,KH2PO41 g/L,MgSO4。7H2O 0.5 g/L,pH 7.0,温度28.3℃,优化后类胡萝卜素产量较优化前提高了45%。

光操控技术下的细胞力学测量方法

目的准确评估细胞的力学特性是实现细胞筛选、疾病诊断等应用领域的重要前提,光操控技术不但具有非侵入式和非接触,更具有精准检测和可变换等实验特点。自2018年科学家Ashkin发明了光镊技术获得诺贝尔物理学奖后,光镊技术打开了光操控技术对细胞的力学特性测量的大门。方法在介绍光操控技术在细胞力学特性检测的类别和特点的基础上,本报告构建了细胞的光学力学响应物理模型,分析了细胞在稳态、时域、频域的光学-力学响应,研究了细胞所受外力、细胞负载区域、细胞形状等因素对测量结果(如细胞弹性模量、黏弹性)的影响,分析了细胞力学性质测量误差产生的原因,并讨论了通过选择特定的光操控方式提高检测效率和测量精度。结果和结论光操控技术为细胞力学研究提供了有效的多种检测方法,也为细胞力学特性作为生物标志物的精准检测提供了可靠的测量工具,具有非常重要的应用潜力。

激光光镊拉曼光谱技术在生物医学上的应用及进展

激光光镊拉曼光谱技术(LTRS)是一种将激光光镊与共聚焦拉曼光谱技术相结合的产物。该技术能够保证在生理条件下捕获、操控、测量在悬浮状态下单个活性细胞并对其进行生物学分析研究。这种在单细胞研究上的独特优势使其越来越受到人们的关注。本文以激光光镊拉曼光谱技术在生物医学上的应用及其技术发展历程为主线,围绕拉曼光谱技术在细胞分选及细胞的特性研究,多光镊拉曼光谱系统,微流控传输系统,多模式分析系统四个方面综述了近些年来光镊拉曼光谱技术如何通过其他技术联用及其技术的改进实现在多数据采集与整合,高效率,高通量和自动化的传输方面的发展,并概述了LTRS技术生物医学上的应用。最后,对其未来的发展前景进行展望。

利用光镊-腔增强拉曼技术探究蔗糖/丙二酸混合体系的挥发性

采用光镊-腔增强拉曼光谱技术研究蔗糖/丙二酸/水三元体系的气溶胶液滴半径和折射率随湿度的变化情况。利用Maxwell气相扩散方程计算不同湿度下混合体系中丙二酸的饱和蒸汽压,发现当湿度由66.2%降到13.8%时,丙二酸的蒸汽压由2.86×10-4 Pa降到7.08×10-6 Pa。与文献中报道的纯丙二酸的饱和蒸汽压(3.2×10-4~3.19×10-3 Pa)相比,在较低湿度下三元体系中丙二酸的饱和蒸汽压下降了两个数量级。实验结果表明蔗糖的加入增加了体系的粘度,抑制了丙二酸的挥发。

激光光镊拉曼光谱技术的鼻咽癌研究展望

激光光镊拉曼光谱技术是光镊技术与拉曼光谱技术交叉融合的产物,能够用于生理条件下单细胞拉曼光谱的测量和分析,已成为细胞生物学、医学研究中不可缺少的重要工具.综述回顾了激光光镊拉曼光谱测量系统理论和技术的发展,展望了全息光镊、声镊、光电镊、光泳镊等新型光镊与拉曼光谱系统融合的前景;根据激光光镊拉曼光谱技术的特点,系统梳理、分析了该技术在生物医学领域,尤其是鼻咽癌的诊断和治疗领域的应用前景.