浅析推动生命科学发展的光泵半导体激光技术

光泵半导体激光技术(Optically Pumped Semiconductor Lasers)凭借其多种独特优势，在市场上大获成功，目前市场运行的 OPSL 设备已超过 10 万台。本文介绍OPSL在流式细胞仪及DNA测序领域的应用及新进发展。

OPSL 拥有波长可灵活扩展、功率可调、体积小巧、高度可靠以及高光电转换效率等特点，在许多生命科学应用中大获成功。此外，OPSL还具有噪声低、光束质量优异、直接数字调制的特点以及光纤耦合选项，其紧凑型结构、智能化即插即用的配置，使其易于集成。这些特点都使其可以完美地适用于流式细胞仪和 DNA 测序领域。

图 1. 在众多流式细胞仪内，多条聚焦激光横穿流动池。照片由 Thermo Fisher Scientific 提供。

图 2. 基于激光的荧光激发是新一代测序仪和第 3 代测序技术中的主要检测方法，这种方法通过发射波长指示添加或减少的特定碱基，如这张原始数据轨迹图所示。图片由 Pacific BioSciences 提供。

流式细胞仪是对包括血细胞在内的小颗粒物进行探索、分析、计数和分类的卓越工具。细胞计数技术的主要应用领域是临床血液学/免疫学，当前较为新型的应用领域包括生物燃料研究、流行病学(例如 Covid-19)、肿瘤学、干细胞研究和制药(支持药物研发的快速高通量筛选)。

仪器制造商通过成本效益较高的台式仪器来支持这些多元化的应用。这类台式仪器具有通用型平台与模块化结构，可轻松实现工厂定制。这种模块化结构通常包括多达 4 种不同的激光器、十几个(荧光和散射)检测通道以及多种输入模式，例如，用于药物研发的微孔板和用于血液分析的常规流管。

事实证明，基于 OPSL 技术的即插即用紧凑型激光模块(如 Coherent OBIS 系列)在该领域备受青睐，因为这些模块不仅便于工厂定制，也易于仪器升级和现场服务。这是因为不论波长如何，每个装置都具备相同的光学、机械和电子特性。(最常用的波长包括 405 nm、488 nm、561 nm和 637 nm)。

此外，OPSL 技术的数字调制功能省去了部署外置调制器的成本和复杂性，支持流式细胞中的时序，实现多波长激光激发和检测。同样重要的是，对于从研究到临床的终端用户而言，OPSL的低噪声和出色的指向稳定性，能够满足他们对灵敏度和速度的需求。

仪器制造商还希望通过使用新型荧光染料来提高多参数仪器的性能。在较大型的研究仪器中，他们将激发波长拓展到紫外光。使用紫外光激发扩大了多色分析/采集的带宽，并且避免了使用荧光探针对样品进行化学干预。这是因为所有活细胞都含有经紫外光照射后便会自然发出荧光的物质(例如 NADH、DNA)。举例来说，精子可以通过内源性 DNA 荧光物质的数量来区分性别。

OPSL 技术的波长扩展能力能够灵活的匹配应用所需的波长，从而为这两种应用趋势提供了极好的支持。除 OPSL 技术外，Coherent 相干公司还使用一些其他技术在 OBIS系列中，包括激光二极管和倍频镨 (Pr) 技术。这使得 OBIS系列激光器现拥有约 25 种不同的波长，包括 349 nm、355 nm、360 nm和 375 nm四种紫外波长。 第一次人类基因组的读取工作由多个实验室共同完成，每个实验室运行多台测序仪，历时10余年，投入的总成本约为 50 亿美元。

如今，某些测序仪只需一个下午就能解读一个完整的人类基因组，总成本大约在 100 至 1000 美元之间。仪器自动化和大规模并行的创新型技术成就了这种巨变。新一代测序仪可同时分析多达数十万条 DNA 链。目前使用中的方法有数种，但是所有常用方法均基于荧光探针和标记物的激光激发。

波长和功率的扩展能力是 OPSL 的主要优势。测序取决于能否通过激光激发四种化学标记(荧光染料)中的荧光，分别针对四种 DNA 核苷酸 ACGT 中的一种。测序的精准度取决于能否区分四种荧光染料，测序速度取决于能否高效激发它们。充分提高仪器效率意味着让激发波长去匹配每个标记的最大吸收光谱，而不是尝试反向匹配。

某些方法对单链进行测序，其固有的信号强度低，在这种情况下，更高的激光功率极其必要，尤其是那些常常进行大规模并行测序的应用。与之相对，为了避免造成损失，某些方法仅使用毫瓦级功率。OBIS 激光器的技术多样性极具优势。

总而言之，连续激光器在生命科学领域中的应用多种多样，每种应用都有着对特定激光器的需求。事实证明，OPSL 技术独特的波长和功率可扩展的特点可以很好地应对这一挑战，因此在市场上大获成功。