DNA與激光的融合和切換

近年來(lái)，可開(kāi)關(guān)微腔激光技術(shù)的發(fā)展大幅增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用并在集成光子學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。通常可開(kāi)關(guān)微腔激光通過(guò)改變激光腔內(nèi)部微納米結(jié)構(gòu)或折射率來(lái)實(shí)現(xiàn)切換，相對(duì)繁瑣，變化性也小。

與人工制造的界面相比，刺激響應(yīng)性的生物界面具有可利用生物系統(tǒng)和生物識(shí)別的優(yōu)勢(shì)，從而實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能并可定制多種納米級(jí)光學(xué)響應(yīng)。除此之外，可開(kāi)關(guān)的生物界面通常是指對(duì)生物分子相互作用響應(yīng)后改變其微觀(guān)性質(zhì)的界面。盡管刺激響應(yīng)性的生物界面在光電應(yīng)用上已取得了很大的進(jìn)展，具有生物識(shí)別的可開(kāi)關(guān)微腔激光尚未獲得突破性進(jìn)展，特別是在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的可逆性和可調(diào)性方面。

DNA是人類(lèi)和其他活生物體所有細(xì)胞核中的遺傳物質(zhì)。除了在生物學(xué)中的意義外，DNA在控制許多物理設(shè)備方面也發(fā)揮了特定作用。人們利用特定的DNA堿基配對(duì)來(lái)控制光與物質(zhì)的相互作用已有一定的歷史，但并未有人將之整合到法布里-珀羅微腔中控制激光發(fā)射，如圖一。

圖1 激光隨著DNA結(jié)構(gòu)在法布里-珀羅微腔內(nèi)的變化而改變輸出信號(hào)

圖源：新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

針對(duì)以上問(wèn)題，可參考新加坡南洋理工大學(xué)電機(jī)與電子工程學(xué)院Yu-Cheng Chen教授課題組：“利用有機(jī)生物分子DNA堿基配對(duì)形成具有生物識(shí)別的特性，實(shí)現(xiàn)了可開(kāi)關(guān)微腔激光。”

這是利用生物分子控制激光的革命性進(jìn)展。該成果證實(shí)了激光信號(hào)可以精準(zhǔn)被生物分子控制的可能性，未來(lái)將應(yīng)用于信息傳輸與編程。該研究工作以“DNA Self-Switchable Microlaser”為題在線(xiàn)發(fā)表在ACS Nano。

法布里-珀羅微腔包含兩個(gè)反射鏡和在兩鏡之間的光學(xué)增益介質(zhì)。課題組采用摻了染料的液晶為增益介質(zhì)，目的是為了增強(qiáng)對(duì)堿基配對(duì)的響應(yīng)，并利用DNA-液晶特殊的互動(dòng)，作為轉(zhuǎn)換原理來(lái)改變微腔中液晶的排列方向從而實(shí)現(xiàn)激光中不同波長(zhǎng)之間的切換。

由于熵的原因，單鏈與雙鏈在液體中的結(jié)構(gòu)不同。單鏈DNA（sDNA）通常以糾結(jié)的松弛形式存在。堿基配對(duì)后DNA產(chǎn)生構(gòu)象變化，形成相對(duì)剛性的雙鏈DNA（dsDNA）。

如圖二所示，作者預(yù)先將液晶定向（垂直于鏡子）。當(dāng)注入的sDNA被液晶表面的正電荷吸引而嵌入液晶時(shí)，液晶開(kāi)始改變排列方向與鏡子平行。液晶表面的單鏈DNA雜交成雙鏈時(shí)，液晶的排列則恢復(fù)到垂直方向。

圖2 DNA分子與液晶的交互作用，激光可以有效地在時(shí)域上變換輸出不同發(fā)光波長(zhǎng)

圖源： 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

在本文中，利用激光腔的DNA堿基配對(duì)，研究人員發(fā)現(xiàn)：

1. 當(dāng)單鏈DNA （ssDNA）注入時(shí)，激光波長(zhǎng)出現(xiàn)藍(lán)移。

2. 如果注入與ssDNA互補(bǔ)的另一條單鏈DNA（cDNA），經(jīng)過(guò)生物自我辨識(shí)，兩條單鏈DNA雜交形成雙鏈，激光波長(zhǎng)紅移。

3. 除了波長(zhǎng)的位移，激光的時(shí)間強(qiáng)度也隨DNA的嵌入發(fā)生變化，仿佛液晶隨著DNA跳圓舞曲一般。

在此微腔中，增益介質(zhì)是由摻雜染料與液晶形成的主-客體復(fù)合材料。液晶的永久性偶極矩產(chǎn)生作用于染料的誘導(dǎo)偶極矩。因此染料的排列也會(huì)隨著液晶而改變。如圖三所示。 當(dāng)入射光的電矢量（E）垂直于染料分子的主軸時(shí)，會(huì)發(fā)生弱吸收。當(dāng)入射光的電矢量（E）平行于染料分子的主軸時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)吸收。在注入了sDNA的F-P腔中加入cDNA之前和之后的激光切換。堿基開(kāi)始配對(duì)后，激光開(kāi)始返回原始波長(zhǎng)附近。

圖3 DNA 激光切換波長(zhǎng)的機(jī)制與原理 （先藍(lán)移，結(jié)合后又紅移回去）

圖源：新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組

作者分別從入射光的偏振、增益介質(zhì)的折射率、染料的吸收強(qiáng)度和熒光發(fā)射強(qiáng)度分析了液晶的排列對(duì)增益介質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)和理論研究均表明，增益介質(zhì)的吸收強(qiáng)度隨著液晶排列變化，是決定激光位移的關(guān)鍵機(jī)制。

總結(jié)這項(xiàng)研究的意義在于引入使用有機(jī)生物分子切換不同波長(zhǎng)相干光源的概念。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，DNA特定分子識(shí)別的非凡能力將來(lái)可能會(huì)適合諸如激光的信息編碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)之類(lèi)的應(yīng)用。通過(guò)利用DNA的自我識(shí)別和序列的復(fù)雜性，可以對(duì)激光進(jìn)行完全的操縱和編程。這項(xiàng)研究通過(guò)利用生物分子的復(fù)雜性和自我識(shí)別，為亞納米級(jí)可編程光子器件的開(kāi)發(fā)提供了啟示。

文章信息

DNA Self-Switchable Microlaser， ACS Nano 2020.

本文的通訊作者為新加坡南洋理工大學(xué)電機(jī)與電子工程學(xué)院Yu-Cheng Chen教授， 第一作者為課題組博士后張藝凡，該工作與太原理工大學(xué)王文杰教授合作。

責(zé)任編輯：PSY