實現單細胞水平的空間位置追蹤對細胞異質性研究至關重要。

　　最近，以顆粒形式分散在溶液中的微納尺度激光器，在生命科學領域內作為一種極具潛力的光學探針出現。

　　藝術插圖/圖源：課題組

　　相比傳統的發光探針，例如熒光分子、染料摻雜的微顆粒、金納米顆粒等，激光顆粒具有窄線寬（<0.3 nm）和高亮度等獨特優勢，使它們能夠通過大規模光譜復用實現單細胞標記、成像和追蹤（圖1），為單細胞水平的機理和異質性研究（例如體外單細胞分析、活體動物實驗以及單細胞測序分析）提供了途徑。

　　圖1 基于激光顆粒的單細胞追蹤示意圖

　　單細胞追蹤的基本原理：細胞內部的激光顆粒能發射不同波長的激光，通過實時讀取具有特定波長的激光顆粒空間位置能夠實現單細胞軌跡追蹤。

　　然而，激光顆粒具有方向性發射特征，其激光輸出空間分布由微腔的激射諧振模式決定。例如，微盤腔激光顆粒主要沿回音壁模式諧振平面向外輻射激光。

　　因此，在細胞追蹤過程中，激光顆粒在細胞內的取向會隨機變化，激光信號會發生劇烈漲落，導致頻繁的細胞軌跡丟失，極大地限制了單細胞標記和追蹤應用中激光顆粒的實時探測和識別。

　　近日，來自美國哈佛醫學院的Seok-Hyun Yun教授研究組和北京大學肖云峰教授研究組在Light： Science & Applications共同發表了題為“Laser particles with omnidirectional emission for cell tracking”的文章，提出利用全方位出射的激光顆粒實現單細胞追蹤的新方法。

　　研究人員通過在半導體微盤腔上引入邊緣缺陷和納米尺度散射體，實現了回音壁模式微盤腔的全方位激光出射。進一步地，將激光顆粒轉移到活細胞內，實現了單細胞高信噪比連續追蹤。

　　該研究解決了激光顆粒在單細胞分析中的實時動態檢測問題，為大規模復用的單細胞標記、追蹤以及傳感提供了新技術。

　　針對激光顆粒在單細胞分析中的實時動態檢測問題，研究人員在回音壁微盤腔上引入邊緣缺陷或者納米硅顆粒結合彈性散射實現了全方位激光出射（圖2）。

　　圖2. 回音壁模式微盤腔的激光輸出空間分布調控。激光顆粒泵浦激發和激光收集示意圖（左）。傳統微盤腔（CLP）以及全方位出射型微盤腔（OLP）的激光強度隨微盤腔取向角的變化。全方位出射型激光顆粒是通過在微盤腔表面引入彈性散射（邊緣缺陷或者納米顆粒）實現。

　　全方位微盤激光顆粒的激光強度隨取向的變化范圍降低到<6>24 dB。盡管在半導體微盤腔設計中引入較強的彈性散射，全方位微盤激光顆粒的激光閾值和線寬與傳統型微盤激光顆粒基本相同，并且均能實現單模激射。

　　研究人員利用光刻技術進行了全方位半導體激光顆粒的批量制備，并將激光顆粒轉移到體外Hela活細胞內，進行單細胞標記及追蹤表征。在2小時的活細胞連續表征結果表明，隨細胞運動的全方位激光顆粒能夠實現高信噪比單細胞連續追蹤，而傳統型微盤腔由于頻繁的激光信號丟失導致細胞追蹤失敗（圖3）。

　　圖3. 在細胞追蹤過程中激光顆粒的強度信號變化。對運動的Hela活細胞內的傳統型激光顆粒（CLP）和全方位出射型激光顆粒（OLP）進行實時監測，得到的微盤腔顆粒的激光信號變化。數據顯示CLP由于頻繁的激光信號丟失導致細胞追蹤失敗，OLP能夠實現高信噪比單細胞連續追蹤。

　　撰稿 | 唐水晶（哈佛醫學院訪問學生及北京大學博雅博士后）

　　說明 | 本文來自文章作者（一作）投稿