基因测序激光器

p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 微软雅黑 " /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family: 微软雅黑 " 20世纪90年代，全球多个研究实验室的科研人员投入了数百万工时，绘制完成了第一个完整的人类基因组序列。从那时起，在基于多种创新方法的一系列自动化仪器的帮助下，个人 DNA 测序的成本和时间大幅降低了多个数量级。就某种程度而言，所有这些仪器实际都依赖于通常以激光为光源的荧光检测。 /span /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 微软雅黑 " 　　起初，市场对人类基因测序的需求并不大。而目前市场对这种应用的需求迫切、增长迅速，有这样几个原因。商业化的族源分析现在成为了一个主要应用领域。这种需求在美国尤其旺盛，因为美国有很大一部分人口是20 世纪来到这里的移民后代。他们中的许多人现在希望通过分析了解自己的地域沿袭状况和族谱情况。 /span /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em text-indent: 2em " span style=" font-family: 微软雅黑 " 在中国，产前基因筛查现在发展迅速。许多父母倾向于通过简单的抽血来对母亲的 DNA 进行基因分析，而不再是采用从羊膜腔抽取羊水这种虽然低风险但非零风险的方法。这特别适合高龄产妇(& gt 40 岁)，因为她们的婴儿可能面临较高的出生缺陷风险。测序也被作为一种法医工具而广泛使用。在许多国家/地区，任何被判有某种罪行的罪犯的 DNA 都会经过分析并被存储在国家数据库中，通过对当前犯罪活动甚至过去犯罪活动中检测到的 DNA 进行分析，然后与已有的 DNA 数据库进行比对。事实证明，这对解决“悬案”以及为过去被误判的人洗脱罪名方面极其有用。 /span /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 微软雅黑 " 　　如前所述，目前多种基于激光荧光技术的方法被用于商业化的测序仪器中。Coherent相干公司独有的光泵半导体激光器 (OPSL) 专利技术具有很多突出特性，使其非常适合用于测序中的荧光激发。 /span /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 微软雅黑 " 　　与许多早期激光器不同，OPSL 技术具有灵活的功率扩展性。这使得激光器的功率范围可以从几毫瓦扩展到几十瓦。对于适合基因测序的激光器而言，Sapphire系列是其中的代表。该系列于十多年前推出，是第一款提供蓝光(488 nm 波长)的固态激光器，输出功率达数十毫瓦。现在其功率高达 500 mW、体型小巧、功耗低且传导冷却简单。(相干公司近期宣布了该系列激光器出货量业已突破50,000台这一里程碑式的成就) /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/ea5ba49d-9931-4c26-8f31-a85d0c19787a.jpg" title=" 图 1.目前，大多数 DNA 测序方法依赖于激光荧光技术.jpg" alt=" 图 1.目前，大多数 DNA 测序方法依赖于激光荧光技术.jpg" / /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 微软雅黑 " 　　 span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " i 图 1.目前，大多数 DNA 测序方法依赖于激光荧光技术，不同的荧光染料分别表示四种不同的核苷酸 (ACGT)。 /i /span /span /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 微软雅黑 " 　　功率有什么重要意义?作为具有商业前景的领域，DNA 测序的发展有赖于检测速度的大幅提升以及相应检测成本的大幅降低。速度提升主要是并行处理和自动化产生的结果 第一次人类基因组测序是按顺序进行的，而今天的技术可以做到同时对数千个较短的基因组片断进行测序。简而言之，并行记录数千个数据点实质上意味着直接或间接地分散降低了激光功率。因此，要获得可接受的信噪比且避免长时间的数据采集，就需要更高的激光功率。 /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 405px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/7139f713-8953-4727-8e27-202a17674b7b.jpg" title=" 图 2.OPSL 技术具有波长灵活性.jpg" alt=" 图 2.OPSL 技术具有波长灵活性.jpg" width=" 600" vspace=" 0" height=" 405" border=" 0" / /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 微软雅黑 " 　　 span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " i 图 2.OPSL 技术具有波长灵活性，可使用许多标准波长的激光，并可根据要求提供定制 OEM 波长。 /i /span /span /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 微软雅黑 " 　　OPSL 技术的另一个重要特性是波长灵活性。气体激光器和早期固态激光器仅限于原子物理学确定的固定频率。而OPSL 是基于半导体芯片，其输出波长可以在很宽的光谱范围内进行定制：从紫外波长到近红外波长。这一点很重要，因为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，它们分别针对四种 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峰，而不是尝试反向匹配。相干公司的 OBIS 激光器可以提供20多种不同的波长，智能化、“即插即用”的标准配置，可实现仪器的快速集成和开发。此外，大多数OBIS激光器都提供自由空间或光纤偶合输出选项，这进一步简化了它们在当下和未来测序仪器中的使用。 /span /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 微软雅黑 " /span /p p style=" text-indent: 2em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " i 作者： /i /span /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " i 　　姚建武，michael.yao@coherent.com /i /span /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " i 　　Matthias Schulze, matthias.schulze@coherent.com /i /span /p p style=" text-align: justify margin-top: 10px margin-bottom: 10px line-height: 1.5em " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " i 　　Coherent相干公司 cn.coherent.com /i /span span style=" font-family: 微软雅黑 " /span br/ /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " /span /p

近日，Coherent 相干公司紧凑型连续可见光激光器Sapphire出货量已突破 50000 台。Sapphire是全球首款可产生488 nm的商用化固态激光器，采用相干公司独有的光泵半导体激光（OPSL）技术, 取代了传统的笨重、高能耗气体激光器。 相干公司 Sapphire 光泵半导体激光器 光泵半导体激光器具有灵活可调的波长、可扩展的功率、高效的倍频转换、优异的光束质量等多种优势, 无论是在使用成本、可靠性和使用寿命等方面都极具竞争力。 数十年来，光泵半导体激光（OPSL）技术已在医学诊断、生物成像和其他生命科学应用领域的各种仪器中得到广泛应用。其典型的应用实例包括流式细胞仪、共聚焦显微镜、高通量基因测序、病毒检测等。流式细胞仪领域一直都非常活跃，它的应用涉及免疫学、药物研究，以及用作一线临床诊断工具。随着越来越多研究机构以及临床实验室对多参数流式细胞仪的使用，进一步增加可同时分析的参数数量，加快仪器开发速度并降低总体使用成本益发重要。增加可分析参数的数量能够推动免疫学和细胞生物学等领域开展更复杂的实验。在临床应用领域，这能够让一些数据更加具体，从而为越来越普及的“个性化医疗”（尤其是肿瘤医疗）提供支持。很显然，激光波长的数量是所能测量参数最大数量的制约因素之一。相干公司即插即用的小型化光泵半导体（OPSL）OBIS系列激光器可提供的波长不仅已基本覆盖整个可见光光谱，还把波长带宽拓展到了近红外及更重要的紫外波段，拓展了流式细胞仪多参数测量的能力。 对用于流式细胞仪的激光器而言，还有一个重要趋势是，多波长的激光引擎在临床仪器中的应用越来越普及。相干公司集成化的光引擎OBIS CellX，将4种波长的激光器以及其相关的电子元件、光束整形器和光学聚焦器件都封装在一个模块内，简化并加速了仪器制造商开发新仪器的过程，缩短了产品上市的时间，降低了开发成本。同时，集成化光引擎的这些优势使仪器制造商能够专注于荧光染料化学和可带来优势的其他关键领域的开发（如创新的数据分析技术及其他功能）。相干公司用于生命科学领域的激光器

经过１０余年设计制造、３５亿美元投资，美国建成世界最大激光器 　　新浪科技讯 北京时间5月7日消息，据美国《连线》杂志网站报道，在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)国家点火设施(NIF)的科学家，希望利用192个激光器和一个由400英尺长的放大器及滤光器阵列构成的装置，制造出一个像太阳或者爆炸的核弹一样的自维持聚变反应堆(self-sustaining fusion reaction)。最后一批激光器安装完毕后，《连线》网站记者参观了这个点火设施。观看看世界上最先进的科学设备。 　　1.美国“国家点火装置” 　　这个大部头看起来可能很像迈克尔贝执导的《变形金刚》中的人物，但是这个大型机器很快就会成为地球上的恒星诞生地。 　　美国“国家点火装置” 位于加州，投资约合24亿英镑，占地约一个足球场大小。科学家希望该激光器能模仿太阳中心的热和压力。“国家点火装置”由192个激光束组成，产生的激光能量将是世界第二大激光器、罗切斯特大学的激光器的60倍。2010年，192束激光将被汇聚于一个氢燃料小球上，创造核聚变反应，打造出微型“人造太阳”，产生亿度高温。 　　2.庞大的靶室 　　 庞大的靶室 　　在庞大的靶室里，192束激光束进入直径是33英尺的蓝色真空室，在那里跟一个胡椒瓶大小的目标物相撞。然后这些光束会以动力较低的红外线的形式，从该仪器的不同部位出来，这个部位跟DVD播放器的内部结构类似。接着激光经过一系列复杂的放大器、过滤器和镜子，以便变得足够强大和精确，可以产生自维持聚变反应堆。 　　3.包含放射性氢同位素、氘和氚的铍球 　　 包含放射性氢同位素、氘和氚的铍球 　　这个铍球包含放射性氢同位素、氘和氚。科学家将利用这个系统的192个激光器产生的X射线轰击它。核子熔合的关键是有足够的能量把两个核子熔合在一起，在这项实验中用的是氢核子。由于把两个核子分开的斥力非常强，因此这项任务需要利用极其复杂的工程学和特别多的能量。 　　例如，在光束进入真空室(包含图片上方的目标物)之前，激光必须通过巨大的合成水晶，转变成紫外线。发射到真空室里的光束会进入一个被称作黑体辐射空腔(hohlraum)的豆形软糖大小的反射壳(reflective shell)里，光束的能量在这里产生高能X射线。从理论上来说，X射线的能量应该足以产生可以克服电磁力的热和压力，这样核子就能熔合在一起了。电磁力促使同位素的核子分开。 　　4.靶室顶部的起重机和气闸盖 　　 靶室顶部的起重机和气闸盖 　　在第一张照片的靶室顶上，是用来把底部仪器放入真空室的起重机和气闸盖。如果这个仪器产生作用，它将成为未来发电厂的前身，将提高科学家对宇宙里的力的理解。当常规核试验被禁止的时候，它还有助于我们了解核武器内部的工作方式。 　　5.精密诊断系统 　　 精密诊断系统 　　激光束将被发射到精密诊断系统里，以在它进入靶室以前，确定它能正常工作。 　　6.激光间 　 　激光间 　　在激光间(laser bay)里眺望，会看到国家点火设施的激光间2号向远处延伸超过400英尺，激光在从这里到达靶室的过程中，会被放大和过滤。过去35年间，科学家在劳伦斯利弗莫尔国家实验室建设了另外3个激光熔合系统，然而它们都不能生成足够达到核子熔合的能量。第一个激光熔合系统——Janus在1974年开始运行，它产生了10焦耳能量。第二项试验在1977年实施，这个激光熔合系统被称作Shiva，它产生了10000焦耳能量。 　　最后一项实验在1984年实施，这个被称作Nova的激光熔合项目产生了30000焦耳能量，这也是它的制造者第一次相信通过这种方法可以实现核子熔合。国家点火设施科研组制造的这个最新系统有望产生180万焦耳紫外线能量，科学家认为这些能量已经足以在劳伦斯利弗莫尔国家实验室里产生一个小恒星。 　　7.磷酸盐放大玻璃 　　 磷酸盐放大玻璃 　　国家点火设施包含3000多块混合着钕的磷酸盐放大玻璃，这是在熔合试验中用来增加激光束的能量的一种基本材料。这些放大玻璃板隐藏在密封的激光间周围的围墙里。 　　8.技术人员在激光间里安装光束管 　　 技术人员在激光间里安装光束管 　　技术人员在激光间里安装光束管，激光通过这些管会进入调试间。激光在调试间里会被重新改变运行路线，并重新排列，然后被输送到靶室里。 　　9.紧急停运盘 　　 紧急停运盘 　　在整个国家点火设施里，标明激光位置的紧急停运盘(emergency shutdown panels)，可在激光发射时，为那些在错误的时间站在错误的地方的科学家和技术人员提供安全保障。 　　10.光导纤维 　　 光导纤维 　　光导纤维(黄色电缆部分)把低能激光传输到能量放大器里。然后在通过混有钕的合成磷酸盐的过程中，利用强大的频闪放电管放大。 　　11.能量放大器 　　 能量放大器 　　能量放大器隐藏在天花板上的金属覆盖物下面，它含有可增大激光能量的玻璃板。在激光刚刚进入放大玻璃前，灯管把能量吸入玻璃里，接着激光束会获得这些能量。 　　12.可变形的镜子 　　 可变形的镜子 　　可变形的镜子隐藏在天花板上覆盖的银膜下面，这种镜子是被用来塑造光束的波阵面，并弥补它在进入调试间前出现的任何缺陷。每个镜子利用39个调节器改变镜子表面的形状，纠正出现错误的光束。你在照片中看到的电线是用来控制镜子的调节器的。 　　13.激光放大器 　　 激光放大器 　　激光束在进入主放大器和能量放大器前，较低前置放大器会放大激光束，并给它们塑形，让它们变得更加流畅。 　　14.便携式洁净室 　　 便携式洁净室 　　科学家利用一个独立的便携式洁净室(CleanRoom)运输和安置能量放大器和其他元件，这个洁净室就像用来装配微芯片的小室。 　　15.能量放大器 　 　能量放大器 　　每个能量放大器都被安装在洁净室附近，然后利用遥控运输机把它们运输到梁线所在处。 　　16.技术人员校对能量放大器 　　 技术人员校对能量放大器 　　从照片中可以看到，能量放大器在被放入梁线以前，技术人员正在对它进行校对。 　　17.模仿NASA的主控室 　 　模仿NASA的主控室 　　照片中的主控室看起来跟美国宇航局的任务控制中心很相似，这是因为前者是模仿后者建造的。国家点火设施并不是利用这个主控室把火箭发射到外太空，而是设法通过激光，利用它把恒星的能量(核子熔合)带回地球。 　　18.光束源控制中心 　　 光束源控制中心 　　光束源控制中心即已知的主控振荡器室，看起来跟数据中心(Server Farm)很像，但是这个控制中心不是利用电脑，而是安装了一排排架子。光束通过光纤前往能量放大器的过程中，看起来就像网络供应商使用的网络。 　　19.国家点火设施的激光源 　　 国家点火设施的激光源 　　国家点火设施的激光是从一个相对较小、能量较低，并且比较呆板的盒子里发射出来的。这个激光器呈固体状态，跟传统激光指示器没有多大区别，不过它们发射的光波波长不一样，前者是红外线，后者是可见光。 　　20.高能灯管 　 　高能灯管 　　高能灯管(flashlamps)跟照相机里的灯管一样，但是前者的体积超大，它可以用来激发激光。每束光束刚产生时，强度仅跟你的激光指示器发出的激光强度一样，但是它们在二十亿分之一秒内，强度就能曾大到500太拉瓦，大约是美国能量输出峰值时功率的500倍。 　　这一结果是能实现的，因为该实验室里拥有巨大的电容器，里面储存了大量能量。这个电容器非常危险，当它充电后，这个房间将被封闭，禁止任何人靠近，以免出现高压放电现象，伤着来访的人。 　　国家点火设施的外面看起来很像《半条命(Half-Life)》的拍摄现场，这种普通的外观掩饰了在里面进行的历史性科学研究。(孝文) 英刊揭秘世界最强激光产生过程(组图) 　　导读：2009年4月，耗资达35亿美元的美国“国家点火装置”(NIF)正式开始进行相关实验，并计划于2010年最终实现聚变反应。届时会将192束激光同时照射在一个微小的目标上，是迄今世界上性能最强大的激光装置。英国《新科学家》杂志网站13日撰文揭秘世界最强激光产生过程。以下为全文： 　　“国家点火装置”是美国国家核安全管理局(NNSA)的库存管理计划的关键环节。在受控实验室条件下，“国家点火装置”将进行聚变点火和热核燃烧实验，实验结果将为NNSA提供相关武器生产条件的实验手段。这些条件对NNSA在不开展地下核试验的条件下评估并验证核武库的工作至关重要。“国家点火装置”实验将研究武器效应、辐射输运、二次内爆和点火相关的物理学机理，并支持库存管理计划继续取得成功。“国家点火装置”是目前世界上最大和最复杂的激光光学系统，用于在实验室条件下实现人类历史上的第一次聚变点火。192束矩形激光束将在30英尺的靶室中实现会聚，其中靶室内含有直径为0.44厘米的氢同位素靶丸。发生聚变反应时，温度可达到1亿度，压力超过1000亿个大气压。 　　以下是“国家点火装置”产生最强激光的几大步骤： 　　1、安装球形外壳 　　 　　安装球形外壳 　　为了产生聚变所必须的高温和高压，“国家点火装置”将汇聚其所有192束激光束同时射向一个氢燃料目标之上。“国家点火装置”呈球形(如图所示)，直径约为10米，重约130吨。装置内有一个目标聚变舱，点火实验就发生于目标聚变舱内。整个球体由18块铝材外壳拼接而成，每块外壳均约10厘米厚。球体外壳上正方形窗口就是激光束的入口，而圆形窗口则是用来安装和调节诊断装置，诊断装置共有近100个分片。 　　2、用调节器调整靶位 　　 　　用调节器调整靶位　　这是目标聚变舱内部的照片。激光束通过外壳上的入口进入目标舱，把将近500万亿瓦特的能量瞄准于位置调节器的尖端。图中右侧的长形带有尖端的物体就是位置调节器，每次实验的目标氢燃料球就置放于尖端之上。当所有激光束全部投入时，“国家点火装置”将能够把大约200万焦耳的紫外线激光能量聚焦到小小的目标氢燃料球之上，它比此前任何激光系统所携带能量的60倍还要多。当激光束的热和压力达到足以熔化小圆柱目标中氢原子的时候，所释能量要比激光本身产生的能量更多。氢弹爆炸和太阳核心会发生这类反应。科学家相信，总有一天通过核聚变而不是核裂变会产生一种清洁安全的能源。 　　3、将燃料放入燃料舱(圆柱体) 　　 　　将燃料放入燃料舱(圆柱体) 　　进入“国家点火装置”的所有192束激光束都将被引向图中这个铰笔刀大小的圆柱体。该圆柱体中将装有聚变实验所使用的目标燃料，目标燃料就是约为豌豆大小的球状冰冻氢燃料。实验时，激光束将通过各自窗口进入目标舱内，从各个方向压缩和加热氢燃料球，希望能够产生自给能量的聚变反应。曾经有不少科学家认为可控核聚变反应是不可能实现的。近年来，科学家找到了一些点燃热聚变反应的方法，美国研究人员找到的方法是利用高能激光。虽然科学家们也尝试了其他种核聚变发生技术，但从已完成的实验效果看，激光技术是目前最有效的手段。除激光外，利用超高温微波加热法，也可达到点燃核聚变的温度。 　　4、压缩并加热燃料 　　 　　压缩并加热燃料 　　所有激光束进入这个金属舱内部时，他们将产生强烈的X光线。这些X光线不仅仅可以把豌豆大小的氢燃料球压缩成一个直径只有人类头发丝截面直径大小的小点，它还能够将其加热到大约300万摄氏度的高温。尽管激光的爆发只能持续大约十亿分之一秒，但物理学家们仍然希望这种强烈的脉冲可以迫使氢原子相互结合形成氦，同时释放出足够的能量以激活周围其他氢原子的聚变，直到燃料用尽为止。在激光点火装置内，一束红外线激光经过许多面透镜和凹面镜的折射和反射之后，将变成一束功率巨大的激光束。然后，研究人员再将该激光束转变为192束单独的紫外线激光束，照向目标反应室的聚变舱中心。当激光束照射到聚变舱内部时，瞬间产生高能X射线，压缩燃料球芯块直至其外壳发生爆裂，直到引起燃料内部的核聚变，从而产生巨大能量。 　　5、用磷酸二氢钾晶体转换激光束 　　 　　用磷酸二氢钾晶体转换激光束 　　激光束在进入目标舱内之前，必须要先由红外线转换成紫外线，因为紫外线对加热目标燃料更为有效。激光转换过程必须要使用磷酸二氢钾晶体。图中的这块磷酸二氢钾晶体重约360公斤。首先将一粒籽晶放入一个高约2米的溶液桶中，经过两个月的培养才可形成如此巨型的晶体。然后将晶体切割成一个个截面积约为40平方厘米的小块。“国家点火装置”共需要大约600多块这样的晶体小块。“国家点火装置”将被用于一系列天体物理实验，但是，它的首要目的是帮助政府科学家确保美国“老年”核武器的可靠性。“国家点火装置”项目的建造计划于上世纪90年代早期提出，1997年正式开始建设。(刘妍)