对流体中的微纳米材料、细胞、生物分子等进行高精度、高灵活性、无损伤操控的技术在生物医学、生物化学、纳米科学等领域的发展中有着重要的作用。作为捕获和操控的核心技术, 光镊的发展和应用也越来越广泛。本文系统地描述了各类光镊的工作原理和独特功能, 阐述了不同光镊技术在生物学上的应用, 讨论了它们在生命科学的发展前景。

利用原子力显微镜（AFM）研究了化疗药物多西他赛对肺腺癌细胞A549的作用机制。选取了不同浓度多西他赛作用下的A549细胞, 观察和分析了多西他赛对A549细胞形貌信息和生物力学特性的影响。结果表明细胞的峰谷差和超微结构的平均粗糙度随着药物浓度增加而减小, 表面粘附力随着药物浓度增加而增大。该结果对AFM可作为一种利用纳米量级分辨率进行药物药效评估的工具进行了佐证。

空化效应是发生在液体内部的一种极其复杂的流体物理现象, 能产生极高的中心能量密度, 并伴随发光、发热、冲击波、高速射流等极端物理现象, 它的存在能使一些极端的反应得以实现。空化效应发生时形成的空化微流体在破坏细胞形貌、微操控、微混合等方面有广泛地应用。本文综述了空化微流体及其产生的强烈冲击波在生物医学方面的应用, 包含空化微流体在破坏细胞形貌、微小元件的操控以及加快液体混合等三个方面。

原子力显微镜(AFM)由于具有纳米量级的空间分辨率和皮牛(pN)量级的力分辨率已经在活细胞和细胞组织超微结构的研究中取得重大进展, 该技术为细胞生物力学的研究提供了新方法。通过力曲线可以得到与单个细胞的力学性质相关的信息。细胞弹性的变化是生物细胞发生病变的特征之一。利用AFM研究各种细胞的弹性特性, 为疾病的早期诊断和治疗以及病理机制的研究提供了一种强有力的工具。本文主要综述了近些年用AFM技术研究疾病相关的细胞弹性特性的应用新进展, 如发现多种类型的癌细胞都比健康细胞软, 以及在相关血液性疾病(如冠状动脉疾病、高血压和糖尿病)中红细胞的弹性也发生了变化。这些特性可对疾病的辅助诊断提供参考, 为病理学和临床医学研究提供了新依据。

T细胞的抗原识别和活化可以直接影响整个免疫应答的性质、效能和结果, 在人体免疫反应中具有核心作用。细胞的形态结构和力学特性决定着细胞的功能的发挥。利用原子力显微镜(AFM)从纳米水平和皮牛顿量级探测分析静息的T细胞和不同刺激剂(超抗原SEA和植物凝集素PHA)活化的T细胞的形态结构和生物力学特性。研究发现静息的T细胞呈较为规则的圆形, 细胞表面相对光滑均一, 活化后细胞高度和体积明显增大, 体积增大为静息T细胞的2~3倍, 高度增加了约50%, 这是T细胞经过刺激剂活化后增殖、分化而增大的表现。同时发现活化后的T细胞表面粗糙度增大, 细胞表面形成100 nm~1 μm颗粒状团簇结构。这种微纳结构域的形成与T细胞经过活化后细胞表面分子表达和细胞因子的分泌有关, 并且与免疫突触的形成和功能发挥密切关联。经过PHA和SEA活化后的T细胞表面粘附力增大, 是静息的T细胞的3-6倍, 而细胞硬度明显减小, 这种力学特性的变化有利于T细胞与病原体的相关作用从而清除病原体。通过AFM的研究, 可以进一步的了解T淋巴细胞形态变化与细胞行为之间的关系, 为更好地理解T细胞的结构与功能提供了更多可视化的依据。

针对转基因大豆中普遍含有的35S启动子进行引物设计, 以双链DNA染料SYBR GreenⅠ为荧光标记物, 利用实时荧光定量PCR方法对大豆样品进行检测。该法检测转基因大豆的检测低限为0.005 nmol/L的35S启动子, 线性范围达3个数量级, 可快速区分转基因大豆和非转基因大豆, 具有快速、简便、灵敏、安全、高通量、低成本等优点, 可推广用于转基因植物产品的快速定量检测。

在纳米量级上探测红细胞生理病理特性对于揭示疾病的起源、早期诊断和有效的治疗是十分重要的。疾病可以从分子水平上扰乱红细胞的形貌和功能。缺铁性贫血病人的红细胞的形貌具有严重的表面畸形。通过高分辨率的原子力显微镜成像研究了健康人和缺铁性贫血病人红细胞的整个形貌和表面膜的差异。结果表明, 红细胞的形貌参数(例如细胞的峰、谷、峰谷差、表面起伏和标准方差)可以探测健康和病理的红细胞。因此, 红细胞的形貌信息可望成为诊断健康和疾病, 以及评估治疗效果的重要指标。

在纳米量级上探测药物对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的抑制作用对于揭示药物的功效及肿瘤的有效治疗十分重要。通过高分辨率的原子力显微镜研究了不同浓度的高乌甲素培养的HUVEC的形貌特征, 包括整个细胞的形貌和超微结构的表面膜的差异。从形貌学方面探讨了高乌甲素对HUVEC的抑制作用, 可为临床应用高乌甲素提供依据。结果表明, 我们可以通过HUVEC的形貌参数(例如细胞的峰谷差、平均表面粗糙度)来判断药物的功效, 以及评估治疗效果。

近场扫描光学显微镜(NSOM)对传统的光学分辨极限产生了革命性的突破, 可在超高光学分辨率下无侵入性和无破坏性地对生物样品进行观测。量子点(QDs)具有极好的光学性能, 如荧光寿命长、激发谱宽、生物相容性强、光稳定性好等优点, 适合先进的生物成像。NSOM结合QDs标记的纳米技术被应用在细胞生物学中。通过纳米量级NSOM免疫荧光成像( 50 nm)对特定蛋白分子在细胞表面的动态分布进行可视化研究和数量化分析, 阐明了蛋白分子在不同细胞过程中的作用机制。因此, NSOM/QD基成像系统提供了单个蛋白分子最高分辨率的荧光图像, 为可视化研究蛋白分子机制的提供了一种强有力的工具。

聚合物纳米光纤具有很好的器件构筑能力和良好的导光性能，对构筑超紧凑的微光子学器件和小型化集成光路十分理想。介绍了一种利用一步拉制技术制作的、具有良好的机械性能和光学性能的聚合物纳米光纤聚对苯二甲酸丙二醇酯（PTT）纳米光纤。作为亚波长波导， PTT纳米光纤具有较大的倏逝场和强约束。详细介绍了利用PTT纳米光纤组装的微光子学结构和器件（例如：弯曲结构、环形结构、M×N耦合分束器、马赫曾德尔干涉仪）。组装的结构和器件具有体积紧凑、损耗小的优点。概述了聚合物纳米光纤和器件的特点及其应用前景。