温度敏感生物细胞中激光控制的细胞内流动

显微操作技术广泛应用于材料科学、胶体物理学和生命科学中的各种应用，从纳米结构组装和粒子捕获到细胞组织的时空分析。引入光诱导热粘流，即聚焦光诱导细胞质流(FLUCS)，可以操纵细胞和发育胚胎中的细胞质。

当加热点刺激物反复移动通过薄流体膜时，热粘性流动是由热膨胀和温度引起的粘度变化的复杂相互作用产生的。具体来说，通过扫描样品中的红外激光点产生的局部加热会引起流体密度和粘度的微小局部变化，从而产生具有示踪剂净传输的局部可压缩流体流。

尽管FLUCS具有产生定向流并大大降低侵入性的优点，但样品仍然会经历一些温度调制。这可能会影响高度热敏感的系统，例如热敏感哺乳动物细胞。

在《eLight》杂志上发表的一篇新论文中，由卡尔斯鲁厄理工学院莫里茨·克雷辛教授领导的科学家团队开发了近乎等温的扫描序列，可以为新的软物质和生物医学途径开辟一条道路。

研究小组表明，分步光学策略可以解开激光引起的流动和加热。他们使用以前被忽视的伴随流场光学生成的自由度。通过引入围绕所需轨迹对称排列的额外反向路径，使感兴趣区域(ROI)上的温度分布均匀化。

特别是，该团队在多达三个不同的时间尺度上利用了对称关系。它导致局部均匀的温度分布，同时通过流线诱导定向流动，与标准FLUCS相比，流线基本上没有改变。此外，通过外部珀耳帖冷却系统将样品冷却至所需温度。

研究人员证明，这项称为等温FLUCS(ISO-FLUCS)的技术可将热量至少减少10倍，同时实现热粘性流动，其强度远远超过秀丽隐杆线虫受精卵的内源流动。

鉴于其在保留FLUCS主要特征的同时大幅减少热影响，研究人员相信ISO-FLUCS将成为生物和材料科学中高温度敏感系统中光学微操作的新标准。

ISO-FLUCS可以极大地提高样品内部的温度均匀性(标准偏差减少多达20倍)。这些结果是通过在完善的FLUCS中实施三个新成分来实现的：(i)流动和加热解缠结，(ii)多时间尺度扫描序列对称化，以及(iii)残余高阶场抵消。

中性扫描线方便地包含在图案中，以使感兴趣区域(数百μm2)中的温度梯度变平。时空对称的扫描序列确保了可预测且高度对称的热粘性流场。传统FLUCS中的加热水平先前已被证明在敏感生物系统中是可以忍受的，例如正在发育的秀丽隐杆线虫受精卵。

ISO-FLUCS提供的流的干净解开和局部加热不仅将成为活体样本内精确流控制的新的无可挑剔的标准。它还为专门解决与力学和力以及速率方程的温度相关生物化学相关的不同类别的物理刺激奠定了基础。这将通过消除由测量引起的任何与温度相关的材料响应来推进流动驱动的微流变学。

由于ISO-FLUCS在非常窄的温度范围内运行并且可以很好地控制，因此它也有望在研究温度敏感的聚合物或颗粒水凝胶中得到广泛的应用。溶胶-凝胶转变的准确测定对于理解宏观尺度上的新兴特性至关重要。ISO-FLUCS中的精细温度控制还可用于研究许多表现出高相分离倾向的系统的旋节线分解。

研究小组相信，ISO-FLUCS将取代FLUCS，成为最敏感样品中激光诱导光学微操作的新标准。此外，ISO-FLUCS与快速发展的社区产生共鸣，利用温度刺激的力量在微米和纳米尺度上操纵胶体和生命系统。未来，该团队预计ISO-FLUCS将为激光辅助人类生殖医学等医疗用例铺平道路。

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