激光引擎改善生命科学应用

图 1. 在流式细胞仪中，荧光标记的细胞在流中单列通过，并受到几种不同波长的激光照射。产生的荧光在分离成不同的波长带后进行检测。

　　多波长激光引擎将激光源与预对准和稳定的自由空间聚焦光学器件或集成光纤传输系统相结合，简化了荧光显微镜专家和流式细胞仪 OEM 的对准和集成任务。

　　如今，生命科学领域成功应用的大多数光子学技术都基于某种形式的荧光检测。这些技术包括研究人员用于活细胞成像的共聚焦显微镜、为临床血细胞计数仪器提供动力的流式细胞术、DNA 测序仪等。

　　这些应用通常受益于使用多个激发波长。在荧光显微镜中，这允许用户激发各种目标，包括传统染料、基因表达的荧光蛋白和初始细胞内容物。在神经科学中，光遗传学技术使用一个波长来模拟或沉默目标神经元，而第二个波长通过荧光钙指示剂映射互连神经元中的反应。该方法最大限度地减少了激活和成像通道之间的串扰。流式细胞术通常使用多个波长进行多参数计数和/或分类。这意味着使用几个波长分离的荧光染料信号通过单个仪器分析细胞或其他生物颗粒。

　　这些不同的应用都具有一个共同的需求，即以微米或更高的精度聚焦、塑造和定位多束激光。越来越多的“激光引擎”满足了这一需求，它将光源与高度稳定的自由空间聚焦光学器件或集成光纤传输系统相结合。对于 OEM 和最终用户来说，这可以降低成本、避免耗时的光学对准程序、缩短开发时间并提高仪器的稳定性和可靠性。

　　多参数流式细胞仪激光引擎

　　激光引擎最初是为流式细胞仪开发的，流式细胞仪是基础研究中常用的仪器，用于进行血细胞计数以及对畜牧业和养鱼业的精子或胚胎进行分类。在流式细胞术中，荧光标记的细胞或其他小目标被迫以单行流的形式流过流动池(见图 1)。它们穿过几束激光束的相互作用区，这些激光束被整形并聚焦成像梯子上的横档一样排列的长线。产生的荧光和散射被收集起来，并通过二向色滤光片和带通滤光片分离成波长带，然后再进行检测。一些高性能研究仪器可以有 100 多个独立的探测器。

　　第一批激光引擎为流式细胞仪制造商提供了使用多种激光波长的更好途径。然而，这些最初的激光引擎只是由多个单独的激光器组装而成。这不可避免地造成了冗余，因为每个激光器都有自己的控制器、接口和机械外壳。此外，它们是在面包板上构建的，因此用户或仪器制造商必须提供并对齐可调节的光学元件和支架。

　　第二代激光引擎直接针对 OEM 仪器制造商。它们的特点是小型化并使用多个激光核心。这意味着所有激光器都使用单个驱动电路板、接口和电源，并且全部包含在一个紧凑的外壳内。

　　这种类型的激光引擎包括光束整形和组合，每个激光器的焦点和指向都通过简单的螺旋式调节装置(每个自由度一个)独立控制。这些产品中的第一款提供了流式细胞仪中最常用的四种波长的选择：405 nm、488 nm 和 640 nm，还有可选的 561 nm(见图 2)。

　　图 2. 在第二代激光引擎中，暂时移除装饰性的外壳(插图)，以便对最多四种激光波长进行独立的光学调节。

　　如今，研究仪器制造商通常会整合两个激光引擎，以便获取从紫外线 (UV) 到 640 nm 的多达八种波长。这样，使用一台仪器就可以对多达数十种不同的数据参数进行细胞计数。

　　微型光学元件、更低的成本、卓越的稳定性

　　流式细胞仪的应用范围不断扩大，从研究到个性化医疗，再到追踪 COVID-19 等疾病的传播和进展。市场需求也促使仪器制造商缩短开发时间、减小台式机型号的尺寸、降低成本并延长维护间隔。

　　激光制造商正通过第三代激光引擎来支持这一趋势。它们基于微型光学元件，实现了更小的整体封装、卓越的稳定性和更高的经济性。

　　要实现封装尺寸的减小，需要两个关键的设计创新。第一个就是从一开始就使用直径较小的光学元件。这是有道理的，因为内部激光束直径小于 1 毫米。因此，没有令人信服的理由使用过去常用的 0.5 英寸直径透镜(约 13 毫米)及其相关的笨重支架。

　　其次，新引擎不使用传统的光学支架。这些传统支架由多个独立的金属部件、挠曲件和螺钉组装而成。因此，由于热循环和环境振动，它们在长期使用中不可避免地会出现偏移。

　　最新的激光引擎采用了一种最初为密封腔内激光器使用而开发的安装技术。它被称为 PermaTrack，其光学元件支架被取消。相反，光学元件在制造过程中对齐并永久粘合到稳定的基板上。由于没有单独的机械部件，它们在正常使用过程中不可能移动。

　　这种安装技术成功地消除了流式细胞仪现场维修的主要原因之一：激光重新校准，这对仪器制造商和用户都有好处。此外，由于这项最新的激光引擎技术基于生产过程中的自动化(即机器人)组装和校准，因此它提供了更好的单元间一致性。

　　无需打开激光引擎进行重新校准，这带来了另一个重大好处。它允许外壳密封，这样内部组件就不会暴露在灰尘或可能从有机材料中释放出的化学物质中。此外，还包括主动“吸气剂”，以进一步保护原始环境。这种方法是为工业应用提供长寿命密封可见光和紫外激光器的同一种方法的改编。

　　实际上，工厂校准和密封的激光引擎配置了四条(或三条)光束，通常采用交错聚焦线排列。尽管 OEM 可以指定不同的几何形状，但整个行业中这些线的相对分离已经变得相对标准化。使用可调聚焦光学元件可以在三维空间中调整光束阶梯的位置，以适应仪器组装中各个单元之间的差异。

　　为显微镜用户提供即插即用系统

　　同样的理念也应用于荧光显微镜，这种技术几乎见于每个生命科学研究实验室——从大学到制药厂。将多种激光波长引入这些显微镜的集成解决方案已经问世一段时间了。

　　最常见的做法是通过光纤耦合来实现。这样可以避免光学器件和相关硬件使显微镜直接空间变得杂乱。但这也意味着必须将多个激光器对准光纤，然后将它们全部耦合到显微镜的单个输入光纤中。

　　对于荧光显微镜，通常首选单模光纤，因为这样可以提高效率并实现清晰聚焦(更高分辨率)的样品激发。但典型的单模光纤的纤芯直径在 8.0–10.5 µm 范围内。使用具有五六个自由度的传统光纤耦合支架将激光束对准这种尺寸的光纤纤芯非常耗时。即使是经验丰富的技术人员也可能需要几个小时才能完成每台激光器的这项任务。

　　一旦实现了对准，在使用过程中以及长期内，仍存在着维持必要的微米级对准度的问题。操作仪器和环境温度的正常变化很容易使其失去对准度。此外，使用二向色滤光片、偏振器和波片来组合波长也是一个挑战。

　　激光制造商已经通过类似于光学总线的紧凑型模块解决了这个问题。这些模块将多个光纤耦合激光源的输出组合成一根单模光纤，为显微镜供电。用户通过八个特定波长的光纤端口提供输入，这些端口使用卡入式连接器。输出是一条光纤，在整个 405-640 nm 范围内具有恒定的数值孔径 (NA)，无需用户进行任何调整。

　　如今，紧凑而智能的固态激光器几乎像灯泡一样易于操作。这使得生命科学研究人员和仪器制造商能够专注于他们的工作，而不是激光调整。这反过来又导致了荧光方法在实验室和临床环境中的普及。激光引擎的不断发展提供了同样轻松访问多种波长的能力，这将继续为荧光技术带来光明的未来。

审核编辑 黄宇