[论文解读] Photogenerated singlet oxygen damages cells in optical traps

S.D. Zakharov N.C. Thanh|ArXiv.org|Nov 24, 2009

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 24被引用 6

一句话总结

本研究确定光生单线态氧（¹O₂）是光镊中细胞损伤的主要原因，证明激光诱导的溶解氧三线态-单线态跃迁——通过瞬态氧-溶剂复合物促进——会产生细胞毒性¹O₂。关键发现是单细胞光损伤的作用光谱与¹O₂生成作用光谱一致，证实了¹O₂在激光诱导细胞损伤中的作用。

ABSTRACT

The origin of photodamage of single cells confined in laser tweezers is determined by comparison of action spectra with these recorded for a photoinduced response of cell populations. Triplet-singlet transitions in dissolved oxygen provide a common cause of both phenomena. Such transitions are forbidden in isolated O2 molecules, but occur in solutions due to the formation of temporary oxygen-solvent complexes. In dependence on the photon energy oxygen molecules may be excited alone or in combination with roto-vibrational excitations in H2O. The photodamage is a consequence of a toxic action produced by the singlet oxygen 1O2 (1.DELTA.gO2.).

研究动机与目标

• 确定激光光镊捕获单个细胞时光损伤的来源。
• 研究单线态氧（¹O₂）的形成是否导致观察到的细胞损伤。
• 将单细胞光损伤的作用光谱与细胞群体光诱导反应的作用光谱进行比较。
• 阐明溶解氧中三线态-单线态跃迁在导致光损伤中的作用。
• 阐明通过溶液中瞬态氧-溶剂复合物生成单线态氧的机制。

提出的方法

• 将单细胞激光捕获实验的作用光谱与群体水平光响应的作用光谱进行比较。
• 分析溶解O₂分子中的三线态-单线态跃迁，这些跃迁在孤立O₂中为禁阻跃迁，但在溶液中通过瞬态氧-溶剂复合物而成为允许跃迁。
• 研究光子能量对单线态氧生成的影响，包括H₂O中的转动-振动激发。
• 将作用光谱用作诊断工具，将光损伤与特定光化学过程关联起来。
• 应用光化学和溶液相动力学原理，解释激光诱导的细胞毒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光镊中束缚的细胞中，光损伤的主要机制是什么？
• RQ2 单细胞光损伤的作用光谱与细胞群体光诱导反应的作用光谱相比如何？
• RQ3 为何O₂分子中的三线态-单线态跃迁在溶液中被允许，而在气相中为禁阻？
• RQ4 瞬态氧-溶剂复合物在激光照射下促进单线态氧生成中起什么作用？
• RQ5 水分子中的转动-振动激发在多大程度上影响单线态氧的生成？

主要发现

• 光镊中的光损伤主要由溶解氧中激光诱导的三线态-单线态跃迁生成的单线态氧（¹O₂）引起。
• 单细胞光损伤的作用光谱与细胞群体光诱导反应的作用光谱高度一致，表明存在共同机制。
• O₂中的三线态-单线态跃迁在孤立分子中为禁阻跃迁，但在溶液中由于瞬态氧-溶剂复合物而变为允许跃迁。
• 单线态氧（¹ΔgO₂）是激光照射下导致细胞损伤的细胞毒性物质。
• 光子能量影响单线态氧生成的程度，其贡献来自O₂的直接激发以及H₂O中的转动-振动激发。
• 本研究建立了激光诱导细胞损伤与水相环境中溶解氧参与的光化学过程之间的直接联系。