光泵半導體激光技術(Optically Pumped Semiconductor Lasers)憑借其多種獨特優勢，在市場上大獲成功，目前市場運行的 OPSL 設備已超過 10 萬臺。本文介紹OPSL在流式細胞儀及DNA測序領域的應用及新進發展。

OPSL 擁有波長可靈活擴展、功率可調、體積小巧、高度可靠以及高光電轉換效率等特點，在許多生命科學應用中大獲成功。此外，OPSL還具有噪聲低、光束質量優異、直接數字調制的特點以及光纖耦合選項，其緊湊型結構、智能化即插即用的配置，使其易于集成。這些特點都使其可以完美地適用于流式細胞儀和 DNA 測序領域。

▼ 流式細胞儀

流式細胞儀是對包括血細胞在內的小顆粒物進行探索、分析、計數和分類的卓越工具。細胞計數技術的主要應用領域是臨床血液學/免疫學，當前較為新型的應用領域包括生物燃料研究、流行病學(例如 Covid-19)、腫瘤學、干細胞研究和制藥(支持藥物研發的快速高通量篩選)。

圖 1. 在眾多流式細胞儀內，多條聚焦激光橫穿流動池。照片由 Thermo Fisher Scientific 提供。

儀器制造商通過成本效益較高的臺式儀器來支持這些多元化的應用。這類臺式儀器具有通用型平臺與模塊化結構，可輕松實現工廠定制。這種模塊化結構通常包括多達 4 種不同的激光器、十幾個(熒光和散射)檢測通道以及多種輸入模式，例如，用于藥物研發的微孔板和用于血液分析的常規流管。

事實證明，基于 OPSL 技術的即插即用緊湊型激光模塊(如 Coherent OBIS 系列)在該領域備受青睞，因為這些模塊不僅便于工廠定制，也易于儀器升級和現場服務。這是因為不論波長如何，每個裝置都具備相同的光學、機械和電子特性。(最常用的波長包括 405 nm、488 nm、561 nm和 637 nm)。此外，OPSL 技術的數字調制功能省去了部署外置調制器的成本和復雜性，支持流式細胞中的時序，實現多波長激光激發和檢測。同樣重要的是，對于從研究到臨床的終端用戶而言，OPSL的低噪聲和出色的指向穩定性，能夠滿足他們對靈敏度和速度的需求。

儀器制造商還希望通過使用新型熒光染料來提高多參數儀器的性能。在較大型的研究儀器中，他們將激發波長拓展到紫外光。使用紫外光激發擴大了多色分析/采集的帶寬，并且避免了使用熒光探針對樣品進行化學干預。這是因為所有活細胞都含有經紫外光照射后便會自然發出熒光的物質(例如 NADH、DNA)。舉例來說，精子可以通過內源性 DNA 熒光物質的數量來區分性別。

OPSL 技術的波長擴展能力能夠靈活的匹配應用所需的波長，從而為這兩種應用趨勢提供了極好的支持。除 OPSL 技術外，Coherent 相干公司還使用一些其他技術在 OBIS系列中，包括激光二極管和倍頻鐠 (Pr) 技術。這使得 OBIS系列激光器現擁有約 25 種不同的波長，包括 349 nm、355 nm、360 nm和 375 nm四種紫外波長。

▼ 測序

第一次人類基因組的讀取工作由多個實驗室共同完成，每個實驗室運行多臺測序儀，歷時10余年，投入的總成本約為 50 億美元。如今，某些測序儀只需一個下午就能解讀一個完整的人類基因組，總成本大約在 100 至 1000 美元之間。儀器自動化和大規模并行的創新型技術成就了這種巨變。新一代測序儀可同時分析多達數十萬條 DNA 鏈。目前使用中的方法有數種，但是所有常用方法均基于熒光探針和標記物的激光激發。

圖 2. 基于激光的熒光激發是新一代測序儀和第 3 代測序技術中的主要檢測方法，這種方法通過發射波長指示添加或減少的特定堿基，如這張原始數據軌跡圖所示。圖片由 Pacific BioSciences 提供。

波長和功率的擴展能力是 OPSL 的主要優勢。測序取決于能否通過激光激發四種化學標記(熒光染料)中的熒光，分別針對四種 DNA 核苷酸 ACGT 中的一種。測序的精準度取決于能否區分四種熒光染料，測序速度取決于能否高效激發它們。充分提高儀器效率意味著讓激發波長去匹配每個標記的最大吸收光譜，而不是嘗試反向匹配。

某些方法對單鏈進行測序，其固有的信號強度低，在這種情況下，更高的激光功率極其必要，尤其是那些常常進行大規模并行測序的應用。與之相對，為了避免造成損失，某些方法僅使用毫瓦級功率。OBIS 激光器的技術多樣性極具優勢。

▼ 總結

總而言之，連續激光器在生命科學領域中的應用多種多樣，每種應用都有著對特定激光器的需求。事實證明，OPSL 技術獨特的波長和功率可擴展的特點可以很好地應對這一挑戰，因此在市場上大獲成功。

審核編輯 黃宇