chất thời gian
Như chúng ta đã biết ánh sáng laser có một cường độ rất lớn, có độ định phương cao, đồng thời nó có tính chất không gian và tính chất thời gian hết sức đặc biệt. Nó chỉ tập trung năng lượng vào duy nhất một đối tượng bị tác động. Người ta có thể định vị nó trong không gian và thời gian. Theo không gian thì người ta hội tụ nó trong kính hiển vi và theo thời gian khi ta sử dụng tần số laser phù hợp. Nhờ vậy, ta có thể dùng “vi kỹ thuật laser trong công nghệ sinh học”.
Cơ sở vật lý của công nghệ này là: Lực F mà một tia laser tạo nên với một công suất W có thể được xác định theo công thức:
c W
F=γ , trong đó
c = 3.108m/s là tốc độ ánh sáng, và γ là hệ số vật liệu (đối với vật thể màu
đen thì γ = 1). Vậy là một tia laser với công suất 1W sẽ cho một lực bằng lực tác động lên một vật có khối lượng 5.10-10 kg nằm trên bề mặt trái đất bởi sức hút của trái đất. Nếu toàn bộ ánh sáng của tia laser này tập trung vào một tế bào sinh học có đường kính khoảng 10µm thì một lực lớn bằng 5 lần áp lực khí quyển tác động lên tế bào. Và vì tế bào hết sức nhẹ nên tế bào bị dịch chuyển một đoạn ngắn trong thời gian rất nhanh. Nếu thay thế một tia laser liên tục bằng một laser xung với công suất đỉnh khoảng 100W thì ta có thể bắn phá dễ dàng một vi thể. Một laser được hội tụ, hạn chế nhiễu xạ, với độ
dài xung trong phạm vi 10-9giây hay dưới 10-9giây và có công suất đỉnh cao có thể loại bỏ rất hiệu quả vật chất sinh học khi bị ánh sáng đó tác động trực tiếp, mà chỉ gây ít tổn thương thứ cấp cho môi trường, và vì thế có thể sử dụng tia laser để xử lý mẫu một cách chính xác.
Từ một laser hồng ngoại liên tục và một laser tử ngoại xung cho phép tạo nên một tổ hợp vi tia laser và kìm gắp quang học. Khi hội tụ laser nitơ (bước sóng 337nm) qua vật kính của kính hiển vi trong suốt đối với ánh sáng tử ngoại, ở tiêu điểm, chúng ta sẽ đạt được mật độ công suất là 1012W/cm2, đủ để vi xử lý vật chất sinh học với độ chính xác trong miền dưới 1µm. Cũng nối vào hệ là một laser neodym-YAG được bơm bởi điốt và hoạt động trong dải hồng ngoại gần (ở 1064nm) có công suất liên tục 2W, thiết bị này có chức năng như một kìm gắp quang học.
Thiết bị này là công cụ thông dụng trong sinh học, đó là một kính hiển vi được gắn thêm vào hai laser. Nhưng chỉ qua đó đã tạo nên những kỹ thuật hoàn toàn mới trong nghiên cứu sinh học và y học [3].
2.3.1. Ứng dụng kỹ thuật laser trong nghiên cứu sinh học phân tử
Công việc đọc trình tự bộ gen người hiện nay đã được tiến hành rất khẩn trương và đầy trách nhiệm, nhưng hình như mới chỉ là bước đầu chúng ta đi tới hiểu biết về ADN. Một trong những phân tử quan trọng nhất của công nghệ sinh học là ADN. Thông tin di truyền của con
người được ghi nhận trong hơn 3 tỉ đôi base của ADN chứa trong nhân tế bào.
Mặc dù khoảng cách giữa base này với base kia và giữa các chữ cái của ký tự di truyền chỉ là 3Å, thì 3 tỉ đôi base này cộng lại với nhau, vẫn cho chiều dài tới 90cm được gói vào những pha nhất định của chu trình phân chia tế bào, tồn tại gọn trong nhân tế bào chỉ cỡ vài micromet như một nhiễm sắc thể có thể quan sát dưới kính hiển vi. Chắc chắn cần phải phân tích các ADN riêng biệt, và laser cũng lại chính là thiết bị góp phần quan trọng cho vấn đề này.
Với đường kính 2nm, ta không thể nhận biết chi tiết cấu trúc một phân tử ADN dưới kính hiển vi quang học. Nhưng nếu chúng ta đánh dấu huỳnh quang phân tử ADN và chấp nhận ảnh phân tử bị mờ và dày hơn so với thực tế, chúng ta có thể hài lòng quan sát nó dưới kính hiển vi quang học: chúng ta có thể phân hủy phân tử ADN bằng các phân tử enzym hay cắt nó bằng vi tia laser. Để làm việc này, trước hết phân tử ADN phải được gắn vào hạt tổng hợp hữu cơ có đường kính 1µm để sau đó có thể bắt giữ bằng kìm gắp quang học chuyển vào thị trường kính hiển vi và cố định ở đó. Nếu lúc này có một dòng chất lỏng chảy qua phân tử ADN, nó sẽ duỗi ra, nhưng với một trường điện từ, người ta cũng có thể làm cho phân tử duỗi ra. Chỉ riêng với hai kỹ thuật này cho tới nay đã cho phép chúng ta thực hiện những khảo cứu hầu như không thể làm nổi về lý sinh các phân tử ADN.
Người ta có thể cắt những đoạn ADN đặc hiệu khỏi toàn bộ phân tử ADN bằng phương pháp vi cắt laser dọc theo trục của nhiễm sắc thể. Tuy vậy, phần lớn được cắt theo chiều ngang so với trục này bởi vì có thể quy các lỗi ADN ở những đoạn cắt ngang như vậy về những bệnh nhất định [3].
2.3.2. Ứng dụng kỹ thuật laser trong nghiên cứu ung thư
Trong chuẩn đoán bệnh, đặc biệt trong chuẩn đoán ung thư, thường các mẫu mô được sinh thiết để phân tích tế bào. Để phân tích một cách thật chính xác, điều mong muốn là có thể tách từng tế bào ra khỏi mẫu mô ung thư, sau đấy người ta mới có thể xác định tế bào sinh trưởng bất thường rồi xét nghiệm các phản ứng của chúng.
Vi kỹ thuật cơ khí sẽ quá thô thiển đối với vấn đề này. Người ta đã phát minh ra phương pháp laser được gọi là vi phẩu thuật sinh thiết laser. Họ đặt mô lên một phiến phim chất dẻo và lấy ra từng tế bào, chủ yếu là do làm nóng chảy tại chỗ lớp phim này. Một laser tử ngoại xung với công suất đỉnh vài chục kW được hướng vào tế bào cần tách. Áp lực ánh sáng đẩy tế bào lên cao tới mức nó được đặt vào ống vi phản ứng đặt phía trên mặt phẳng tạo ảnh của kính hiển vi. Với phương pháp phóng bằng áp lực laser này, một số lượng lớn tế bào riêng rẽ được chế bản trong một thời gian ngắn. Vì áp lực tác động đó chỉ kéo dài vài nano giây nên tế bào ít bị tổn thương hơn so với phương pháp đốt nóng tư mili giây tới hàng giây, nên đây là phương pháp đảm bảo an toàn đặc biệt trong khi làm chế bản tế bào riêng lẻ từ các mô sinh thiết [3].
2.3.3. Tảo Chara
Tảo Chara sinh trưởng hướng địa, nghĩa là hướng sinh trưởng của nó phụ thuộc vào trọng lực. Thực vật thủy sinh có thể mẫn cảm với trọng lực, vì
bên trong tế bào của nó, các tinh thể BaSO4 được bao bọc bởi lớp màng sẽ rơi
vào các cấu trúc mẫn cảm với tiếp xúc. Với kỹ thuật laser mới, chúng ta có thể đánh lừa trọng lực cho tảo, đơn giản triệt tiêu sự mẫn cảm với trọng lực bằng cách đưa kìm gắp quang học vào sâu tới thể giả rễ (rễ giả) và dịch chuyển các hạt tinh thể rời xa vị trí ban đầu của chúng. Sau đó có thể xảy ra hai tình huống: các thể giả rễ không còn phát triển theo hướng trọng lực nữa, và như vậy cũng mất luôn khả năng định hướng bình thường. Chính là chúng ta đang kỳ vọng điều đó. Nhưng đồng thời lại xảy ra trường hợp tốc độ sinh trưởng hầu như bị giảm đi nhiều lần.