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星战至今，激光器越来越小，这次它钻进了细胞

DeepTech深科技 · 公众号 · 科技媒体 · 2016-09-17 00:00

正文

还记得《X战警》中的镭射眼吗？他的眼睛可以发射毁灭光束。虽然还不能跟他一样，但历史上第一个由生物细胞制造的激光器诞生了。

制造“活的”激光器，人类的肾细胞脱颖而出。在将来，这样“活的”激光器可能在活体动物中被制造出来，这可能会使内部组织成像达到前所未有的细致程度。

这并不是首个非传统意义上的激光器。其他的尝试还包括使用Jell-O果冻制作的激光器，以及核反应堆驱动的激光器（后文会提到）。但是你怎么能给予一个活的细胞这种奇异的能力呢？

通常情况下，一个激光器由增益介质（这种材料的结构特性使其可以放大光线）以及在其两边的镜片组成。一个能量源——像是闪光管或是放电现象——将会激发增益介质中的原子并使其释放光子。一般来说，它们将会射向随机的方向，就像手电筒的光束那样，但是激光器使用增益介质两侧的镜面来产生定向的光束。

光子在镜面间反射前进时会反复穿过增益介质，此时它们会刺激其他的原子释放出具有完全相同波长、相位和方向的光子。最终，一道集中并具有唯一频率的光束会冲破镜面成为激光。

存活并完好无损

数百种不同的增益介质都曾被使用过，包括各种染料和气体。但没有人使用过活的生物组织。出于好奇，哈佛大学的Malte Gather 和 Seok-Hyun Yun决定研究使用单个的哺乳动物细胞。

他们将促进绿色荧光蛋白形成的DNA环注射到一个人类的肾细胞中。绿色荧光蛋白最初从水母中提取，它在暴露在蓝光中时会发出绿色荧光。它可以用于追踪细胞中的分子，并当特定基因被表达时点亮，是生物学中的指路明灯。

将细胞置于两面镜子间后，研究员使用蓝光脉冲对它进行轰击，直到它开始发光。当绿光在镜面间反射时，某种特定波长将被优先放大，直到它成为激光冲出半透明的镜面。在持续数分钟的激光放射后，该细胞仍然能够存活并保持完好。

哈佛大学的Malte Gather 和 Seok-Hyun Yun

来自宾夕法尼亚大学的Christopher Fang-Yen致力于研究单原子激光器，但并没有参与此次研究，他认为这个新的研究十分吸引人。“绿色荧光蛋白类似于工业染料激光器所用的染料，如果将它放到一个像细胞这样的小袋子里，并进行光学刺激，你确实可以得到一个激光器，这并不使人感到意外”，他说，“但能证明这确实可行还是非常酷！”

内部成像？

Yun的主要目的只是简单地测试一下生物激光器是否可能，但他还是认真考虑了一些可能的应用。“我们可以使用动物体内的激光器直接在在动物组织内生成激光。”他说。

在被称为激光光学层析成像的技术中，激光束从体外射向活体组织。该光束透射以及散射的路径可以表述组织的大小、体积和深度，并能生成图像。如果可以从内部成像，那么可能会得到具有更多细节的图像。另外一种名为荧光显微镜的技术，它依靠使用绿色荧光蛋白标记的活细胞产生的荧光来成像，Yun的生物学激光器可以生成更亮的激光用以提高它成像的分辨率。

要使动物体内的细胞成为激光器，必须植入绿色荧光蛋白使其可以发光。而Yun的激光器中使用的镜片必须替换为纳米级的金属片作为光线接收器。

“以前，激光器被认为只能使用工程材料，但现在我们证明了激光器可以植入生物系统，”Yun说。

见识一下可食用激光器、核能激光器以及反激光器

生物激光器虽是第一次，但其他奇怪的激光器在半世纪前就被制造出来了，比如Theodore Maiman就使用指尖大小的红宝石棒制造了这样的装置。1960年5月16日，Maiman使用照相机的闪光轰击红宝石，产生了明亮的红色光束。

Theodore Maiman于1960年制造的激光器

大概十年后，两个未来的诺贝尔奖获得者创造了首个可食用的激光器——好吧，几乎是可食用的。Theodor Hänsch和Arthur Schawlow尝试了12种口味的Jell-O零食才确定了一种“几乎无毒的”荧光染料。将其加入到无味的明胶中，在受到紫外线光照射时会产生明亮的激光束。可惜的是Schawlo吃掉了失败品，却错过了成功的那个。

几乎在同一时间，美国航空航天局想要更强力的激光发射器将能量发射到太空，并提出使用小型反应堆中的核裂变碎片激发分子用以推动发射器。在美国航空航天局最终放弃该计划前，脉冲能量已经达到了1千瓦。这个在里根时代被称为“星球大战”的计划后来资助了核反应堆驱动的激光武器，不过这些武器从没离开过地面。