可变形微激光力传感：生物力测量的新突破

大家好！今天我们来了解一项可变形微激光力传感技术——《Deformable microlaser force sensing》发表于《Light: Science & Applications》。在生物研究中，了解细胞所受机械力至关重要，但现有技术存在局限。本文介绍的DEFORM技术带来了突破。它基于微激光光谱分析，能以高时空分辨率检测亚纳牛顿力，无需依赖高分辨率显微镜。无论是肿瘤球体还是果蝇幼虫体内，它都能准确测量力，为生物力学研究开辟了新的途径。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景

机械力在细胞的行为和功能调控中扮演关键角色，影响着众多生物学过程。然而，现有的力传感器和成像技术受限于对高分辨率显微镜的依赖，难以用于光学致密组织，限制了对力在生物体内作用的研究。本文介绍的DEFORM技术为解决这一问题提供了新的途径。

二、DEFORM技术原理

（一）光学建模与液滴激光制造

1、液滴激光原理  

微米级油滴可作为光学谐振器，在添加荧光染料后，通过光泵浦产生激光发射。其发射光谱包含横向电（TE）和横向磁（TM）激光模式，这些模式的光谱位置能反映液滴的特性信息。

2、基于液滴变形的力检测原理

液滴的球形几何支持多种模式，在未变形时某些模式是简并的。当液滴因外力变形为椭球体时，模式简并被解除，表现为光谱中激光模式的分裂。通过分析这种模式分裂与液滴变形的关系，可实现对力的检测。例如，对于特定尺寸和表面张力的液滴，很小的力就能引起可测量的模式分裂。

3、液滴制造与特性调整

利用微流控系统制造微液滴，选择合适的油和染料确保激光发射，并通过调整液滴尺寸和表面张力来优化性能。通过涂层可进一步稳定液滴在生物组织内的状态，并实现功能化。例如，相关测试表明所选用的高折射率油和表面活性剂分子对细胞增殖无负面影响。  

（二）液滴校准与力计算

1、AFM校准实验过程与结果

使用原子力显微镜（AFM）对单个液滴施加已知力并同时检测微激光发射来校准。从AFM力-距离曲线可获取液滴表面张力，且发现施加的力与模式分裂呈线性关系。  

2、力计算模型与误差分析  

基于上述实验建立了从液滴光谱中提取绝对力的模型。通过分析光谱数据获取液滴椭球体的几何参数，进而计算力。误差分析表明在一定参数范围内，提取力的总误差较低（低于3%）。

三、DEFORM技术应用

（一）肿瘤球体中的3D力传感

1、力分布测量与分析

将DEFORM应用于肿瘤球体研究（以头颈部鳞状细胞癌UMSCC-1细胞系形成的球体为例），能够检测到整个球体的激光光谱，并分析力的分布。

2、细胞收缩性对力的影响研究

通过抑制细胞收缩性实验，观察到液滴微激光光谱的模式分裂和平均力的变化。例如，用blebbistatin处理后，模式分裂降低，平均力下降，而对照样品力的变化不同。  

（二）果蝇幼虫体内力传感

1、液滴注入与稳定性考察

将液滴微激光注入果蝇三龄幼虫体内，发现液滴能保持稳定的尺寸和光学性质，可穿过多个内部节段，对动物发育无负面影响。

2、力测量与动态变化监测  

对注入幼虫体内的液滴进行力测量，发现力随液滴位置动态变化（如力在不同百分位数范围内有变化，平均值为一定数值）。

在一些情况下，还能观察到液滴与幼虫组织相互作用引起的力的波动和变化。

四、技术优势与意义

（一）技术优势

高分辨率力测量：DEFORM具有高时空分辨率，能够检测亚纳牛顿力，可测量单细胞机械力。  

无需成像的力量化：不依赖显微镜数据，基于光谱信息即可工作，可深入散射组织内部进行测量。

广泛的环境适应性：可通过调整液滴特性监测不同环境中的变形。

直接力读取：能够直接读出机械力，无需额外结构或成像信息。

（二）技术意义

为生物体内机械过程的研究提供了新工具，可应用于多种动植物，有助于深入了解胚胎发育、组织重塑和肿瘤侵袭等过程中的生物力学机制。

五、一起来做做题吧

参考文献：

Dalaka E, et al. Deformable microlaser force sensing. Light Sci Appl. 2024 Jun 5;13(1):129.