撰稿：李宏海，审核：陈良怡 唐水晶

2025年12月3日，受北京大学IDG麦戈文脑科学研究所邀请，圣安德鲁大学与科隆大学的Malte C.Gather教授在金光生命科学楼邓祐才报告厅作题为“Living Laser and Other Photonic Gadgets for Next Generation Biomedical Research”的学术报告，陈良怡教授与唐水晶研究员主持报告会。

摘要

本次讲座中，Gather教授介绍了其团队近期在基于微纳激光器的细胞力学传感成像、光遗传集成OLED光源制备以及角度色散稳定滤光片三大方向的突破性进展。Gather团队开发了一种用作“智能培养皿”的可形变微腔，用于监测成像细胞施加于基底表面的微小垂直力。通过监测可形变微激光器的共振频谱变化，他们成功解析了单个心肌细胞收缩引起的细胞内折射率微小变化，以及亚纳牛量级的细胞应力。此外，他们将OLED制备与CMOS工艺结合，在神经刺激探头上集成了1024个可独立寻址的OLED光源阵列，可选择性激活单个神经元。他们还将OLED光源与磁电换能器集成，制备得到世界先进的紧凑型无线供能光源。最后，通过调谐超强耦合微腔中的激子-极化激元模态，Gather团队突破了薄膜光学的角度色散极限，制备得到稳定角度响应的光学极化激元滤光片。

一、基于微纳激光器的细胞力学传感成像

细胞层面的力学刺激在细胞发育、迁移等生命功能中起重要作用。目前常用的细胞力测量手段，例如牵引力显微镜或者微加工弹性微柱阵列，通常依赖于定位显微镜追踪基底上微观标记的运动，通过局部位移反推细胞力场。然而，这些方法在测量垂直方向位移时面临更大挑战，这是因为大多数显微镜方法的轴向分辨率低于横向分辨率，难以解析与量化细胞垂直于基底施加的小力。Gather团队开发了一种弹性共振腔干涉应力显微镜，用于测试细胞在平面基底上施加的垂直力。该方法采用蛋白质涂层的弹性光学微腔体作为细胞培养基底，微腔由硅基弹性体夹在两层半透明金层之间构成，在宽视场单色照明下，光线在微腔内形成干涉图案。当细胞在微腔表面施加力时，顶镜变形，导致腔体共振的局部光谱位移，从而通过干涉图样的变化反推局部腔体位移以及细胞对微腔基底施加的机械应力。

图 1 测量微小垂直力的弹性干涉显微镜

除此之外，Gather团队利用回音壁式微激光器，实现了细胞分辨率下的瞬态心脏收缩曲线全光学记录。在此工作中，他们使用直径在10~20微米的荧光聚苯乙烯微球作为微型回音壁激光器，在远程光谱泵送下显示多模发射。在激光器被不同类型的心肌细胞内化后，心肌细胞每次收缩导致激光器的发射谱发生光谱红移。由于激光发射明亮且在频谱窄带，每种激光模式的波长可快速准确监测，从而基于激光波形的瞬时扰动揭示心肌细胞的自发收缩行为。Gather团队通过跟踪至少两组横电模与横磁模的激光模式位置并将其拟合到光学模型中，反演得到了每个微球激光器的直径和平均外部折射率。对心肌细胞的肌节肌动蛋白丝染色后发现，细胞收缩时激光模式的变化源于微球外折射率变化：当心肌细胞收缩时，肌原纤维蛋白密度显著增加，导致细胞内等效折射率提高，从而引起激光器光谱红移。Gather团队进一步在深层组织成像以及活体成像中验证了该技术的可行性。

图 2 利用光谱监测单个心肌细胞收缩行为

Gather团队还开发了一种可形变微激光器的组织尺度机械应力测量方法。其它常见方法例如铁流体液滴或者柔性聚合物微珠的检测性能受限于光学分辨率下液滴精确大小或微珠三维形状测量。在此方法中，Gather团队使用高折射率微米级油滴作为可形变力学传感器，通过光谱分析结构完整、不透明组织深度的微小力。在完美球形谐振腔中，所有方位角模式均兼并，在光谱中无法区分；当球体受力后变为椭球体后，模式简并性被消除，激光器发射光谱中的原始峰发生劈裂，通过高分辨率光谱仪测量光谱劈裂宽度，可反推微激光器的椭圆度，并计算得到组织中亚纳牛量级的力。

图 3 可形变微腔实现亚纳牛力传感

Gather团队还开发了一系列微纳激光器的新型表征以及递送手段，例如设计了一种光学可控微镜，通过调控微镜的不同自由度实现从不同方向激发光学微腔；同时，他们将光镊系统集成到了微激光器的表征光路中，实现向细胞靶向递送微激光器并同步监测细胞的内吞行为。

图 4 可调微镜与集成光镊系统

二、用于光遗传光源的OLED

光遗传是一种利用光控制神经活动的非侵入式手段，通过基因修饰在神经细胞上表达光敏离子通道，可实现特定神经细胞的激活与沉默。然而，大多数光遗传应用中使用的光源很难实现空间调控或具有高度侵入性，因此，Gather团队设计了一些小型化、可弯折且耐用的OLED光源用于光遗传刺激神经细胞。

传统的LED光源空间分辨率低且通常需要有线连接。在这个工作中，Gather团队制备了一种用于光遗传的单体集成高密度植入式OLED阵列。该团队首先进行CMOS集成电路芯片加工，在2mm X 1mm的底座中集成了解耦电容与寻址逻辑电路。随后基于掩模工艺，在CMOS结构前端加工出高达1024个独立OLED光源，每个光源大小在20微米左右。在活体实验中，该阵列实现了高时间分辨率刺激转基因小鼠的单个神经元。

图 5 高密度集成OLED阵列

此外，为解决光传输设备（如LED或者光纤）的侵入性问题，Gather团队通过将OLED热蒸发沉积到磁电换能器上，构建了紧凑型无线供电光源。该复合磁电换能器由磁致收缩材料（在磁场作用下膨胀）与压电材料（响应机械应变产生电压）组成。磁致伸缩材料的膨胀对压电材料施加应变，使振荡磁场通过机械振荡转换为交流电压，从而驱动OLED发光。由于磁电换能器的共振频率取决于其尺寸，团队通过设计不同尺寸的换能器，实现了通过调节交流电场共振频率独立激活不同OLED光源。

图 6紧凑型无线供电OLED光源

三、使用有机材料和强耦合光-物质相互作用解决滤光片的角度依赖性

传统光学滤光片依赖于薄膜干涉，但干涉的光谱特性不可避免地存在角度色散问题，即腔体的共振波长在不同入射角下会发生显著变化，这在大多数光学系统中是不被期望的。Gather团队通过调控微腔中的激子-极化基元色散，克服了薄膜光学的角度色散极限。具体而言，微腔激子-极化激元是激子与微腔光子相互作用形成的叠加态；当激子-光子耦合强度大于系统耗散时，缀饰效应使系统的本征值去简并，产生能级劈裂。系统的色散曲线分裂为下极化激元支与上极化激元支。通过调整光子与激子之间的耦合强度以及裸态光子与激子之间的能量差，Gather团队获得了角度色散相对平坦的上极化激元分支。随后，他们将该结果应用于设计多种极化子滤光片，在线宽、角度色散稳定性等指标上均显著优于传统滤光片。这项技术被用于设计高度角稳定性多层滤光片，机械柔性的非平面滤光片，单片集成极化子滤光片与宽带光电二极管，以及依赖偏振且角度无关的窄带透射滤波器。

图 7调控微腔激子-极化激元得到角度无关的系统色散

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