光热镊技术与应用研究进展

自激光技术问世以来,光镊作为一种非接触、高精度的颗粒操控工具,已广泛应用于生物、化学等领域。然而光热效应引起的热对流及热损伤等问题,极大地限制了传统光镊技术的捕获性能和捕获样品活性。为突破这一限制,研究者们开始探索将光与热相结合的颗粒捕获与操控技术,发现可以通过材料的光致发热或致冷效应,将热场转化为颗粒捕获的一大助力,进而提出多种新颖的光热镊技术。相比于传统光镊,光热镊技术利用光场和热场的共同作用,具有更低的激光能量需求和更高的捕获精度,在生物医学等领域中展现出巨大应用潜力。系统性地阐述光热镊的基本原理,详细介绍代表性的光热镊技术的发展和应用,并分析该技术面临的问题、发展趋势和发展前景,旨在帮助研究者系统了解基于光热效应的光热镊基本知识、最新研究进展和潜在应用,为该领域的科学研究提供参考。

Mbone仿真骨压缩及扭转生物力学等效性研究

在临床应用及骨力学研究中,尸体骨样品稀缺且一致性较差,因此力学等效仿真骨不可或缺。美国Sawbones合成骨是目前世界上最具认可度的力学等效仿真骨,但其模型基于西方人开发,与中国人骨型有差异,尤其是股骨前弓角和前倾角与中国人有较大不同。本文旨在通过生物力学实验,研究基于中国人骨特点自研的新型力学等效仿真骨Mbone股骨的压缩及扭转力学性能,验证其力学等效性。本文测试并对比了新型自研力学等效仿真骨Mbone股骨和Sawbones股骨的压缩及扭转力学性能,结果显示:受压时,Mbone股骨压缩刚度比Sawbones略高7.2%,且其压缩破坏载荷在尸体骨范围内,破坏后呈现出与临床相符的股骨颈骨折;Mbone股骨内侧中段偏后方的压应变明显高于Sawbones,其他15个区域压应变与Sawbones高度一致。受扭时,Mbone股骨内旋扭转刚度比Sawbones略低6.7%,外旋扭转刚度比Sawbones低18.3%。Mbone力学等效仿真股骨在压缩及扭转力学性能上均表现出良好的力学等效性,且更贴合中国人骨型,因此认为其可以替代进口产品作为尸体骨的力学等效模型。

硅基光交换器件研究进展(特邀)

大数据、人工智能等驱动下的数据量快速增长,推动数据中心向更大规模发展。解耦架构的普遍使用进一步增加了数据中心内部互连节点的数量和数据交换量。高功耗、高延迟的电交换已经成为数据中心规模扩展的瓶颈。光交换代替电交换是未来实现大规模、低功耗数据中心的关键途径。硅基光电子芯片集成技术以与CMOS工艺兼容、高集成度、高性价比、大带宽以及成熟的器件生态等优势,被认为是最可行的技术途径。回顾了片上集成光交换器件的技术发展,重点展示了硅基光交换器件的研究进展。从网络选择、单元器件优化、损耗补偿、单元校准以及光电混合封装等多个方面,探讨了构建大规模光开关器件的技术方案以及存在的挑战。

光纤多通道并行激光直写光刻系统(特邀)

激光直写是一项应用广泛的微纳加工技术。但受限于通量,单通道激光直写技术无法实现大面积应用。为此,提出并验证一种多通道激光直写技术,以提升激光直写技术的通量。与传统的以空间光光路为基础的多通道系统不同,介绍的技术使用光纤器件实现多通道并行刻写,且每个通道可独立调控。通过加工多种微纳结构进行测试,证明搭建的系统兼容多种光刻胶,在ps量级脉宽情况下可实现横向126 nm、纵向222 nm的加工精度。系统结构紧凑,具备加工大面积复杂图形、三维结构的能力,证明光纤器件应用在多通道系统中的可行性,为高通量激光直写技术发展提出新的技术途径。

基于波前调控的激光超声显微成像技术及其应用(特邀)

为了研究镍基高温合金声学表面波(SAW)的传播速度与晶向之间的关系,介绍了一种基于波前调控的新型激光超声技术。该技术采用光栅将激发光调制成周期排列的线性光源,从而在样品表面激发出具有特定波长且定向传播的SAW。通过对SAW传播速度的提取实现样品各向异性的分析。结合数值仿真与实验验证,实现了单晶镍基高温合金SAW速度的定量检测与各向异性分析。提出了基于波前调控的激光超声有限元数值仿真模型,通过数值仿真得到单晶镍基高温合金在(100)晶面和(001)晶面内的SAW速度各向异性比分别为0.073和0.18。基于镍基高温合金声速对晶向的依赖性,采用激光超声显微成像系统对单晶以及多晶镍基高温合金表面声速进行扫描成像,实现了表面缺陷以及晶粒分布状态的可视化分析。研究结果表明基于波前调控的激光超声显微成像技术为特种金属缺陷以及声速检测提供了一种新型快速的无损检测手段。

基于光学表面波技术探究具核梭杆菌介导的自噬与细胞折射率的关系

目的拟利用光学表面波传感技术,探索具核梭杆菌(fusobacterium nucleatum,Fn)介导的自噬水平与细胞折射率变化的关系,初步探究光学表面波技术对癌细胞自噬水平检测的潜力。方法运用CCK-8技术检测Fn对结直肠癌细胞增殖活力的影响,蛋白免疫印迹法及自噬双标荧光法检测Fn对自噬水平的影响,同时采用光学表面波技术检测不同Fn感染状态下细胞折射率的变化,观察其与自噬水平的相关性。结果当感染复数为100,感染时间为4 h时,自噬起始蛋白苄氯素1(Beclin-1)、微管相关蛋白1A/1B-轻链3(microtubule-associated protein 1A/1B light chain 3,LC3)蛋白表达水平升高(均P<0.05),螯合体1(sequestome,P62/SQSTM1)蛋白表达水平降低(P<0.01),自噬水平升高;同时光学检测结果显示,HCT116、HT29细胞的折射率亦随自噬水平的增高而升高(均P<0.01)。进一步研究表明,细胞折射率的变化主要在于细胞内自噬小体水平的变化,且不受细胞增殖及胞外物质等因素影响。结论Fn介导的自噬水平与细胞折射率具有相关性,可实时反映Fn介导的自噬水平的变化,表明光学表面波技术可作为一种快速、直观且不影响细胞活性的检测自噬水平的技术。

硬化性腺病和浸润性导管癌组织的Mueller矩阵表征

Mueller矩阵偏振成像方法相比于传统的非偏振光学探测手段更能展现生物组织丰富的微观结构信息,在生物组织病变检测方面具有巨大的应用潜力。本课题组以临床上容易误诊的乳腺硬化性腺病和早期浸润性导管癌组织为研究对象,采用Mueller矩阵极化分解和变换方法提取Mueller矩阵参数,利用最小包围球从分布范围的角度研究了Mueller矩阵参数在纤维化间质和细胞核区域对两种疾病差异的表征效果。研究结果显示:在纤维化间质区域,Mueller矩阵分解参数R以及R-θ-ψ、δ-θ-ψ、R-δ-ψ三种参数组合对两种疾病差异具有较好的表征效果,4种表征参数下的最小包围球相对半径差依次为68.77%、61.33%、61.09%和61.04%;在细胞核区域,Mueller矩阵分解参数Δ及Δ-δ-θ参数组合对两种疾病差异具有较好的表征效果,两种表征参数下的最小包围球相对半径差分别为57.36%和49.35%。结果表明,Mueller矩阵参数可用于对两种疾病差异的表征,为发展针对两种疾病的临床鉴别手段提供了参考。