產生鐳射通常要有3個要素，第一是光源，第二是受激產生鐳射的“增益介質”，第三是將所產生的光聚攏到一起的“光學共振腔”。過去，人們都是利用有特殊性質的晶體來充當增益介質，而美國馬薩諸塞綜合醫院的研究人員卻發現，可以利用細胞來充當增益介質。
研究人員對一些人體腎細胞進行改造，使其能夠產生一種綠色螢光蛋白。這種綠色螢光蛋白髮現自會發光的水母，只要用藍光照射，它就會發出綠色熒光。研究人員將這樣的一個腎細胞放在由兩面微小鏡子組成的光學共振腔中，共振腔的寬度只有20微米。在用藍光照射後，光學共振腔中果然放射出了鐳射。雖然這種鐳射很微弱，但能被清晰地探測到，而用於生成鐳射的這個細胞仍然存活。
參與研究的馬爾特加特 (Malte C. Gather)說，這一成果源於好奇心。由於此前鐳射均由各種機械裝置生成，他和同事就想，“為什麼自然界中沒有生物能製造鐳射”，產生了用細胞組織試試看的念頭，結果顯示這是有可能實現的。
對於這項成果的應用前景，研究人員提出了幾種可能。首先，由於不同的細胞結構所產生的鐳射在光學性質上有差異，可以通過分析最後得到的光，來研究細胞和機體組織；第二，目前醫學上有一種光動力療法，可把對光敏感的藥物送到要醫治的機體部位，然後用光照來激發藥效，如果在這種療法中能用上“細胞鐳射器”，也許可以增進療效。
不過研究人員也表示，要完全實現在機體組織內部產生鐳射，還要解決一個問題，即如何在機體組織內形成一個光學共振腔，而不是像本次研究那樣利用外部的兩面小鏡子。
新華網 2011/06/13 黃堃
"活"的激光"活體激光"將會在未來大展身手
馬爾特·加瑟（Malte Gather）和尹賢錫（Seok Hyun Yun）目前供職於麻省總醫院。兩人表示，進行這項研究的部分原因是科學上的好奇。他們注意到，以前的科學家都盤算著用沒有生命的材料製造激光，而且自然界裡似乎從未產生過激光：“我們想知道這是為什麼？我們想知道，有沒有可能製造出完全基於生物的激光？ ”一試之下還真的成功了。他們的結果不久前發表在了《自然·光子學》的網絡版上。
想法新穎，步驟簡單
“激光”的原理是“受激輻射”理論。該理論認為，原子周圍的電子分佈在不同的能級上，高能級上的電子在受到某種光子的激發後會躍遷到低能級，同時向外發射出光子，而且發射光比入射光的強度更大。這種“弱光激發強光”的現象就叫做“激光”。激光是一種相干光，也就是說，只包含一種波長和頻率的光子。
製造激光器需要兩個部件：一是所謂的“增益介質”，它的作用就是吸收外部能量，使原子或分子處於“激勵狀態”並發射出光子；二是由一系列鏡子構成的“諧振腔”。自人類發現激光以來，多數激光器都使用半導體、晶體或者氣體作為增益介質。如果要製造生物激光，就必須找到一種能夠吸收並放射出光線的有機物。加瑟和尹賢錫將目光瞄準了在生物研究中廣泛應用的綠色瑩光蛋白（GFP）。
20 世紀60 年代，日本生物學家下村修率先從一種瑩光水母的體內提取出了綠色瑩光蛋白以及製造這種蛋白的基因。從那以後，GFP就在生物學家中流行開來，他們將它植入要研究的生物體內，當作是看清其內部情況的“探照燈”。因為這個發現，下村修在2008年獲得了諾貝爾生物學獎。後來隨著基因技術的進步，科學家又發現了一個事實：無論是細菌還是高級哺乳動物，幾乎任何有機體的細胞在進行基因重組之後，都能具備產生GFP的功能。
作為光源，GFP具有一個與眾不同的特點：普通光源發出的光線總是包含不同波長、不同頻率的光子微粒；而GFP 釋放出的卻是彼此完全相同的綠色光子微粒，也就是說，它能發出“純”的光線，只要將這種光線匯成一束，就是現成的激光了。正是GFP的這個特性，讓加瑟和尹賢錫決定從它下手進行實驗。
他們的實驗說來並不復雜：先用一個加強的GFP基因重組了一些人類胚胎腎細胞，使其能夠產生GFP。接著，他們將這些細胞放入一個長一英寸的圓柱形容器內，並在容器兩端放置了兩面相距20 微米的鏡子，構成了一個諧振腔。然後，他們就向容器內發射了一束藍色的光脈衝。容器中的細胞不斷吸收著來自外部的光線，幾分鐘後，它就開始發出了綠光。這道綠光經過容器兩頭鏡子的增強、形成相干光。就這樣，世界上的第一束生物激光產生了。
尹賢錫表示，和傳統的激光相比，這束細胞產生的激光十分微弱，但是已經比水母在自然條件下發出的瑩光強了好幾個數量級。
隨著觀察的深入，兩位研究者發現這些細胞有著傳統的增益介質所無法比擬的優勢：傳統介質在產生激光的過程中難免產生損耗，然而，這些細胞卻在使用過程中不斷地產生GFP，也就是說，這是一種能夠自我修復的激光器。
性質獨特，前景廣闊
兩位研究者承認，由細胞產生的激光強度太低，不可能取代工業激光切割鋼板，但他們同時指出，這種“活體激光”在未來的醫療領域中有機會大展身手。比如，有些療法（如光動力學治療）需要依靠外部激光來讓患者服下的藥物發揮藥性，有了活體激光之後，細胞就能在患者體內發射激光，從而更精確地激發藥性、提高療效。
除此之外，生物激光還具有成像的功能。加瑟告訴我們，由細胞產生的激光會投射出複雜的圖案，而不是像激光筆那樣的一個圓形光點。而且，那些圖案似乎還反映了細胞內部的形態和結構、攜帶著細胞本身的信息。假以時日，這個特性或許就能用來研發出一套精確的成像技術，生物學家要研究某些細胞，只需將它們“激光化”即可。
已經有不少專家對這項研究表示了讚賞，認為它富於趣味，也富於創意。加州大學的生物醫學工程師邁克爾·伯恩斯（Michael Berns）就說：“我研究細胞和激光都超過40 年了，從來沒想到還能這麼幹。”但是他也表示，新技術可能只適合研究單個細胞，投入醫療尚不可行。
加瑟和尹賢錫卻似乎信心十足，他們的下一步計劃是在這些細胞中植入微小的鏡子，將單個細胞改造成完整的諧振腔。如果可能的話，他們還打算進一步改造細胞的基因，使其本身就能發出藍光，再轉化成綠色激光，屆時，單個細胞就變成一台完整的激光器了。有人甚至認為，活體激光還能用來在生物體內實現光學通信和計算，從而取代一部分電子元件的功能。如果這些前景都能一一實現，那麼人類就將步入生物激光的嶄新時代了。
外灘畫報 2011/06/30 紅豬
相關連結
- Single-cell biological lasers (Nature Photonics)
- Laser is produced by a living cell (BBC)
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