《Advanced Optical Materials》：Optical Manipulation of Whispering Gallery Mode Microlasers for Controlled Cellular Delivery
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回音壁模式（Whispering Gallery Mode, WGM）微激光器结合了高Q因子（Q factor）与远程光谱读出以及对微环境通过折射率变化的敏感性。这种内在响应性，加上各种细胞类型内化此类微激光器的能力，在先进生物学研究中开启了独特的机会，包括单
回音壁模式（Whispering Gallery Mode, WGM）微激光器结合了高Q因子（Q factor）与远程光谱读出以及对微环境通过折射率变化的敏感性。这种内在响应性，加上各种细胞类型内化此类微激光器的能力，在先进生物学研究中开启了独特的机会，包括单细胞追踪和细胞内传感。然而，将微激光器精确递送到细胞仍然具有挑战性，因为常规方法如显微注射常常引起细胞应激或损伤。在本研究中，研究人员展示了光学捕获作为定位工具，将单个微激光器引导到非吞噬性哺乳动物细胞上，并且关键的是，独特地监测从质膜接触到内化的整个摄取过程。实时光谱特征，由互补成像支持，通过特征性位移、展宽和模式分裂揭示了不同的相互作用阶段。通过将微激光器直接定位在确定的膜位点，该方法还确保了一致的粒子-细胞相遇，导致比随机方法显著更可靠的摄取事件。这种方法实现了单细胞、单微激光器测量，揭示了膜重塑和摄取行为中的异质性，即使在少量细胞中也是如此。这些能力扩展了生物集成微激光器的实用性，并为膜动力学、摄取途径和细胞内传感的机制研究提供了基础，同时支持表面涂层和细胞类型反应的比较。
**研究背景、问题与意义**
回音壁模式（Whispering Gallery Mode, WGM）微激光器因具有高Q因子和高亮度，已成为生物传感的重要平台。它们对周围折射率变化高度敏感，且尺寸微小，可无缝整合入活体生物样品中，在抗原结合检测、单细胞标记与追踪等领域展现出巨大潜力。然而，现有微激光器递送方法在单细胞层面的空间和时间控制上存在显著不足。传统技术如显微注射需要高度专业知识且易造成不可逆细胞损伤；被动添加至培养基后孵育的方法虽简便，但仅对吞噬细胞有效，对非吞噬细胞需使用膜穿透涂层，且缺乏精确性，导致摄取事件不可预测，无法监测摄取过程中的光谱变化。因此，亟需一种更精确、微创的递送策略。光学捕获（optical trapping）自1986年Ashkin等人首次演示以来，已广泛应用于生命科学，但将其用于微激光器的操控和生物整合的研究尚属空白。本研究旨在开发一种针对细胞环境的光学镊子平台，实现微激光器的靶向、微创递送，并通过折射率传感实时监测细胞膜包裹过程，从而突破现有局限，为膜动力学、摄取途径及细胞内传感的机制研究提供基础。该成果发表在国际期刊《Advanced Optical Materials》上。
**主要关键技术方法**
研究人员构建了一套集光学捕获与微激光激发于一体的显微系统：使用1064 nm连续波激光进行光学捕获，473 nm脉冲固态激光（脉宽<2 ns，重复频率100 Hz）作为泵浦源激发微激光器；通过长通二向色镜耦合两束激光，并利用显微镜收集信号至相机和光谱仪。实验中采用荧光标记的聚苯乙烯微球（直径10.7±1.6 μm）作为WGM微激光器，以HeLa细胞（人类宫颈癌细胞系，作为非吞噬细胞模型）为研究对象。通过拟合光谱中至少两对横电（TE）和横磁（TM）模的波长确定微球直径和外部折射率，从而实现对局部折射率的精密传感（检测限5.5×10
-5折射率单位）。
**研究结果**
**2.1 微激光操控系统**
通过搭建光学操控平台，研究人员成功实现了单个微激光器的三维捕获和精确操控。图1b展示了将7个微激光器依次放置到HeLa细胞表面的实例，证明该系统能主动引导微激光器与目标细胞接触。采用的聚苯乙烯微球在蓝光脉冲激发下产生系列尖锐激光峰（图1c），对应横电和横磁模式。通过分析模式波长可独立确定微球直径和外部折射率。实验所用激发能量（<1 mJ cm
-2，平均功率<0.1 nW）不会引起光损伤，因低重复频率（100 Hz）使热量充分消散；1064 nm光学捕获激光（<250 mW）也因水对1064 nm光吸收极弱而几乎不产热，确保活细胞安全。
**2.2 不同介质中微激光器的折射率**
该节强调细胞内折射率是决定光传播的关键生物物理参数，且因细胞器和细胞周期而异。文献报道细胞质折射率约1.360–1.390 RIU（折射率单位），细胞核约1.355–1.365 RIU，提示微激光器在细胞内不同位置可探测到折射率变化。该背景信息为后续利用折射率传感监测摄取过程奠定理论基础。
**总结讨论与结论**
通过光学捕获实现微激光器的可控放置，研究人员能够在单细胞水平上实时启动并监测细胞摄取全过程，从质膜接触到内化的每个阶段均可通过光谱特征（位移、展宽、模式分裂）加以区分。与随机接触方法相比，定点击位显著提高了摄取事件的可靠性，并首次实现了单细胞-单微激光器测量，揭示了膜重塑和摄取行为中的细胞异质性。本研究的意义在于：扩展了生物集成微激光器的应用潜力，为研究膜动力学、摄取途径和细胞内传感提供了机制性平台，同时可比较不同表面涂层和细胞类型的响应差异。结论表明，光学捕获克服了传统递送方法的局限性，提高了微激光器的内化成功率，从而支持更多单细胞传感与个体细胞追踪测量。
