【光学前沿】光子科学研究所开发新型光镊技术，助力生物材料粘弹性研究

ICFO团队与ImpetuxOptics、基因组调控中心、生物医学研究所和庞培法布拉大学合作，开发了一种基于分时光镊的微观流变学方法——TimSOM。该技术通过单激光器产生两个时间共享的光阱，一个用于驱动主动振荡，另一个用于静态位移检测。TimSOM不仅简化了光学装置，降低了成本，还提高了测量的时空多功能性。

三、技术优势

1.简化装置与降低成本

TimSOM使用单激光器进行力和位置测量，消除了传统双激光系统中光路对准和检测器校准的复杂性。这不仅降低了实验装置的成本，还减少了测量时间。

2.增强的时空多功能性

研究员FredericCatala-Castro指出，单激光光阱可以在视野内的任何位置移动，使得在同一活细胞内的不同位置进行测量变得容易。这种方法增强了时空多功能性，适合于复杂的生物样本分析。

3.广泛的机械性能测量范围

TimSOM能够量化样品的机械性能，范围从毫帕到千帕，覆盖五个数量级的频率，使其适用于多种生物材料的研究。

尽管分时光镊技术具有显著优势，但也存在挑战。例如，分时测量意味着同一激光器在不同时间分别测量力和位移，可能导致时间上的微小偏差。为解决这一问题，团队开发了一个理论框架，用于从原始测量中检索缺失的数据，并获取粘弹性参数。

四、实验验证与应用前景

研究人员通过实验展示了TimSOM的多功能性，包括对生物分子凝聚物、细胞和动物组织的流变特性进行测量。例如，他们观察到蛋白质凝聚物的粘弹性变化，这种变化与神经退行性疾病密切相关。此外，TimSOM还被用于研究斑马鱼胚胎细胞和秀丽隐杆线虫肠道组织的粘弹性与衰老之间的关系。

ICFO的研究人员还发现，TimSOM能够快速对细胞和蛋白质混合物内的材料特性进行表型分析，这为生物医学和药物筛选提供了新的工具。由于该技术只需要少量样本，因此特别适用于珍贵稀有材料的流变特性研究。

TimSOM的开发不仅为生物力学研究提供了强大的工具，还为解决长期存在的科学问题提供了可能。例如，它可以帮助科学家理解细胞移动所需的能量、细胞核如何保护DNA以及机械敏感蛋白质凝聚体如何影响神经元激活等问题。

ICFO的MichaelKrieg教授表示：“TimSOM将帮助科学家拍摄生物力学的照片，绘制生物材料的刚度图。这可能最终帮助我们解答流变学中许多长期存在的问题。”该研究已发表在《自然纳米材料》杂志上。

TimSOM技术的开发为生物材料的流变特性研究开辟了新的道路，其低成本、高精度和多功能性使其成为未来生物医学研究和工业应用的理想工具。随着进一步的技术优化和推广，TimSOM有望在多个领域发挥重要作用，为人类健康和疾病治疗提供新的见解。