Физики из Гарвардской медицинской школы разработали способ внедрения в живую клетку микроразмерных оптических резонаторов, способных превращать ее в лазер. Исследование опубликовано в журнале *Nature Photonics, *а кратко о его результатах рассказывается в Nature News.

Ученые использовали в роли оптического резонатора различные сферические объекты, такие как капли и микросферы. Авторы помещали их в клетки с помощью инъекций, в случае жидких субстанций, или естественным путем, например, с помощью фагоцитоза. Внутри капель находились флуоресцентные красители, помогающие усилить поглощение излучения, необходимого для накачки лазера.

Изображение адипоцитов после подкожной инъекции нильского красного (краситель). Свечение наблюдается из-за оптического резонанса в капле жира, существующей в норме в адипоците. Изображение: Seok Hyun Yun et al. Nature Photonics, 2015

Жировая клетка, испускающая резонансное оранжевое свечение. Изображение: Seok Hyun Yun et al. Nature Photonics, 2015

Резонатор, предложенный авторами, работает на эффекте мод шепчущей галереи. Такие волны наблюдаются в цилиндрических, сферических и других осесимметричных системах из-за эффекта полного внутреннего отражения. Они являются стоячими, то есть положения максимумов этих волн не меняются со временем, но напрямую зависят от формы резонатора. Возбуждающее излучение за счет резонанса постепенно увеличивает интенсивность этих мод — каждый новый волновой пакет интерферирует (накладывается) со стоячими волнами, прибавляя к их энергии свою. Затем накопленная энергия испускается клеткой.

Впервые моды шепчущей галереи были исследованы на акустических волнах (звуковых). Этот эффект обнаружил Рэлей в галерее Собора Святого Павла. Изображение: Wikimedia Commons

По словам исследователей, такая система позволяет внедрить оптические метки в любой тип клеток. При этом, варьируя размеры капель и используемый краситель можно получить надежные метки, разнообразия спектров которых хватит чтобы различить все виды клеток человеческого организма. 

Активация клеточных лазеров в адипоцитах свиньи. Изображение: Seok Hyun Yun et al. Nature Photonics, 2015

Использование лазерного излучения решает проблему современных флуоресцентных меток — широкие пики в спектрах испускания. Типичная ширина таких пиков составляет 30–100 нанометров, поэтому при использовании большого количества меток в пределах одного образца наблюдается перекрывание спектров — ширина диапазона видимого излучения составляет 400 нанометров. Это усложняет идентификацию отдельных клеток. Ширина линий, генерируемых резонатором на эффекте мод шепчущей галереи, составляет десятые доли нанометра.