DNA:Det næste varme materiale i fotonik?

Ved hjælp af DNA fra laks, forskere i Sydkorea håber på at lave bedre biomedicinske og andre fotoniske enheder baseret på organiske tynde film. Anvendes ofte i kræftbehandlinger og sundhedsovervågning, tynde film har alle mulighederne for siliciumbaserede enheder med den mulige ekstra fordel, at de er mere kompatible med levende væv.

En tynd film er lige hvad det lyder som, et lag af materiale kun nanometer eller mikrometer tykt, der kan bruges til at kanalisere lys. Hvis filmen er et dielektrikum - dvs. en isolator som glas – den kan bruges uden at bekymre dig om, at den kan lede elektricitet.

"DNA er det mest udbredte organiske materiale, og det er et gennemsigtigt dielektrikum, sammenlignes med silica, " sagde Kyunghwan "Ken" Åh, fra Photonic Device Physics Laboratory ved Yonsei University, Seoul, Sydkorea. I journalen Optiske materialer Express , fra The Optical Society (OSA), Oh og hans kolleger opstiller deres metode til fremstilling af de tynde film på en måde, der giver dem fin kontrol over materialets optiske og termiske egenskaber.

Som grundlag for silicaglas, der udgør optiske fibre, silicium har længe været et dominerende materiale i uorganiske fotoniske enheder, fordi det er let tilgængeligt og nemt at arbejde med fra materialeperspektivet. Oh hævder, at DNA kan spille den samme rolle i organiske fotoniske enheder, fordi det kan findes i hele den levende verden. Det kunne, for eksempel, bruges til at lave bølgeledere svarende til silicafibre til at transportere lys i kroppen. Økologiske enheder skal også være nemme at fremstille, mere fleksibel end silicium og miljøvenlig.

'En skarpere pil'

En nøgleegenskab ved materialer, der anvendes i fotoniske enheder, er brydningsindekset, som bestemmer, hvordan lyset rettes. En optisk fiber kræver en kerne med et indeks, pakket ind i en beklædning med et forskelligt nok indeks, så når lys rammer grænsefladen mellem kerne og beklædning, det tvinges tilbage ind i kernen i stedet for at lække væk. Producenter af optisk fiber har ikke kun brug for materiale med to forskellige brydningsindekser, de skal kontrollere størrelsen af ​​denne forskel for at få de ønskede effekter.

Ved at finjustere en metode til at bruge DNA til at skabe tynde film, der kunne bruges i fotoniske enheder, Ohs team var i stand til at få en række brydningsindekser fire gange større end det, der er tilgængeligt i silicium. Med en større indeksforskel mellem kerne og beklædning, de kan lave meget tyndere optiske fibre, så lav som 3 mikrometer i diameter, sammenlignet med minimum 10 i silicium. Dette giver mulighed for en mindre spotstørrelse for lyset, der kommer ud af fiberen, hvilket kunne være nyttigt i applikationer, der omhyggeligt skal målrette lys. "Hvis du har et lille mål, du burde have en skarpere pil, " sagde Oh.

Potentielle anvendelser kunne omfatte fotodynamisk terapi, hvor en kræftpatient får et lægemiddel eller andet stof, der binder sig til celler i en tumor, og lys aktiverer lægemidlet og ødelægger kræftcellerne, efterlader sundt væv uberørt. Filmene kan også være nyttige i optogenetik, hvor lys bruges til at kontrollere aktiviteten af ​​specifikke hjerneceller, eller at lave sensorer til at måle trykket eller iltindholdet i blodtrykket, som kunne bæres i lang tid uden at forårsage irritation, fordi de er organiske.

Kæmper med inkonsistente resultater

For at lave en tynd film, som kan bruges som grundlag for fotoniske enheder, forskere skal opløse DNA i vand, og opløs derefter denne blanding i et organisk opløsningsmiddel. Væsken placeres på en overflade, som snurrer, så materialet spredes jævnt. Opløsningsmidlet fordamper derefter for at efterlade filmen. Fordi DNA ikke let opløses, forskere blander det først med en opløsning af vand og cetyltrimethylammonium (CTMA), et sæbelignende overfladeaktivt stof. Blandingen danner et bundfald, som derefter kan opløses i opløsningsmidlet og spincoates.

Mens forskere har brugt denne procedure i flere år, deres resultater har været inkonsistente. "Vi har bemærket, at afhængig af papirerne, brydningsindekset og materialeegenskaberne varierede i et bredt område, så vi var meget nysgerrige på det, " sagde Oh. "Og vi fandt ud af, at fremstillingsprocessen var lidt forskellig fra forskergruppe til forskergruppe."

Styring af processen

Tre kandidatstuderende i Ohs laboratorium - Woohyun Jung, Hwiseok Jun og Seongjin Hong - fandt ud af, at ved at kontrollere mængden af ​​vand og CTMA i deres blanding, de kunne finjustere brydningsindekset for den tynde film. Test afslørede forskellige blandinger, afhængigt af om de tilføjede dråber af vand og DNA til CTMA-opløsningen, eller vand og CTMA i DNA-badet. Åh beskriver DNA-strengen som et reb, med steder langs den, som CTMA'en kan binde til. "Hvis du taber dette reb i et CTMA-bad, der er tonsvis af CTMA til rådighed, så du kan gennembløde rebet med CTMA, sagde Åh. På den anden side, hvis du taber CTMA på et stort parti DNA, "rebet" bliver muligvis ikke helt vådt; det er, der er områder af DNA uden vedhæftet CTMA.

Jo mere vand blandingen indeholdt, jo mindre CTMA var der, og omvendt. Ved omhyggeligt at kontrollere mængden af ​​begge, holdet kunne opnå det ønskede brydningsindeks. Den samme tilgang gav kontrol over filmens termiske egenskaber, giver forskerne mulighed for at kontrollere, hvor meget brydningsindekset ændrede sig, når filmen blev opvarmet eller afkølet. Det kunne tillade filmen at blive brugt som en temperatursensor, da ændringer i lyset, der passerer igennem det, ville være forbundet med ændringer i temperaturen.

Ohs laboratorium udforsker også andre metoder til at kontrollere de optiske egenskaber af DNA. Hans håb er at udvikle et sæt grundlæggende principper og processer, der vil give producenterne mulighed for at bygge en bred vifte af optiske enheder, inklusive en ny generation af bærbare sensorer.