Styring af lasere med dansende DNA

DNA er arvematerialet i kernen af ​​alle celler i mennesker og andre levende organismer. Udover dets betydning i biologi, DNA har også spillet en specifik rolle i at kontrollere mange fysiske enheder. For nylig, et internationalt forskerhold ved Nanyang Technological University, Singapore, har demonstreret konceptet med en omskiftelig mikrolaser ved at drage fordel af den organiske biomolekyle DNA-hybridiseringsproces.

Til dato, fremskridt inden for omskiftelige mikrolasere er dukket op som en byggesten med et enormt potentiale til at kontrollere lys-stof-interaktioner og integreret fotonik. Generelt, optisk omskiftning opnås ved kompleks enhedsfremstilling eller nogle fysiske tilgange, såsom ændring af strukturen eller brydningsindekset af laserhulrummene. I modsætning til kunstigt designet grænseflade, stimuli-responsive biointerfaces drager fordel af et biologisk system og bio-genkendelse, således at et højere niveau af funktionaliteter kunne realiseres på nanoskala. Ikke desto mindre, skift af laseremission med biologisk genkendelse er endnu ikke behandlet, især med reversibel og bølgelængdetunbarhed over et bredt spektralområde.

For at løse dette problem, Chens team udviklede en ny metode til at ændre laseremission ved at inkorporere DNA i et optisk mikrohulrum. DNA er et af de mest potente biomaterialer kendt for dets kontrollerbare syntese og specificitet af basepar-interaktioner. Programmerbarheden og selvsamlingen af ​​DNA-strukturer tilbyder alsidige måder til at konstruere DNA-biogrænseflader og skræddersy optisk respons. Fabry-Perot optiske mikrokavitet består af to dielektriske spejle, hvor farvestof-doterede flydende krystaller blev indført som optisk forstærkning for at øge responsen af ​​DNA-bindingshændelser.

Den stærke lys-stof-interaktion induceret af mikrohulrummet gør det således muligt at forstærke subtile ændringer i hulrummet og flydende krystalmatricer. Det flydende krystalmolekyle ændres fra homøotropisk til plan justering, når enkeltstrenget DNA (sDNA) adsorberes på matrixens kationiske monolag. Orienteringsændringerne af LC-molekyler resulterede således i et blåt skift af laserbølgelængde med udtalt signalforstærkning. Laserbølgelængden kunne vendes efter binding med dens komplementære del gennem DNA-hybridiseringsproces.

"Vi brugte denne specielle DNA-flydende krystal-interaktion som koblingskraften til at ændre flydende krystallers orientering i Fabry-Perot-mikrohulrummet, så laseremissionsskifte mellem forskellige bølgelængder blev opnået, " sagde professor Yu-Cheng Chen, undersøgelsens tilsvarende forfatter. Interaktionerne fører til tidsmæssig skift af laserbølgelængder og -intensiteter. Laserbølgelængden ser ud til at være blåt skift, når ssDNA introduceres. Det vender tilbage efter hybridisering med dets komplementære baser. Både eksperimentelle og teoretiske undersøgelser afslørede, at absorptionsstyrken af ​​forstærkningsmediet er den kritiske mekanisme, der bestemmer laserforskydningsadfærden.

"Betydningen af ​​denne undersøgelse er at introducere konceptet med at bruge organiske biomolekyler til at skifte sammenhængende lyskilder ved forskellige bølgelængder. Det repræsenterer en milepæl i at opnå biologisk kontrolleret laser, " sagde Chen. Holdet mener, at denne undersøgelse kaster lys over udviklingen af ​​programmerbare fotoniske enheder på sub-nanoskala ved at udnytte kompleksiteten og selvgenkendelsen af ​​biomolekyler. Ved at udnytte kompleksiteten og selvgenkendelsen af ​​DNA-sekvenser, laserlys kunne manipuleres og programmeres fuldt ud. Den bemærkelsesværdige evne til specifik molekylær genkendelse kan potentielt være egnet til applikationer som informationskodning og datalagring med laserlys i fremtiden. Dette værk blev udgivet i ACS Nano .