先進的可切換微型雷射作為積木的形式在控制光與物質的相互作用方面和集成光子學方面具有巨大的潛力。同人工設計的界面相比較，刺激反應生物界面可以在納米尺度的光學振蕩器的定製方面的不同手段和高水平的功能得以實現。然而，具有生物識別功能的切換雷射的發射到目前為止還沒有被發現，尤其是在較寬廣的光譜範圍內的光路的可逆性和波長的可調製性。
在這裡，研究人員為大家展示了一個具有自切換功能的雷射來發揮法布裡-珀羅微腔（Fabry–Perot microcavity） 無標記DNA分子和染料摻雜液晶基體的生物界面的作用。雷射的發射的在不同波長之間的切換可以通過DNA的構象變化隨著功率的切換來實現 ，從而改變液晶的方向。 研究發現，不同濃度的單鏈DNA導致雷射波長和雷射強度的時間轉換。雷射波長可以通過DNA雜化過程來實現同互補序列結合。實驗研究和模擬結果表明吸收的強度是雷射位移行為的關鍵機理。這一研究成果代表了生物控制雷射方面的研究取得了一個新的裡程碑。這一研究成果為發展可編程光子器件在亞納秒層面的器件來探測生物分子的複雜性和自識別方面打開了一扇明燈。
Graphic abstract
可切換界面在過去的幾十年裡，為包括生物電子，光電子器件，雷射開關，生物傳感器和基礎生物學等的發展提供了巨大的機會。尤其是，「可切換生物界面」的概念可以被認為是在接受到生物學的刺激和生物分子相互作用的時候改變其微觀性質。同人工製造 設計界面相比較，可切換生物界面在生物學系統和生物識別方面的優勢展示出比納米材料還要優異的的高級功能性。在生物分子中，ＤＮＡ是最具潛在價值的高效生物材料，具有著名的可控制合成特性和優異的鹼基對相互作用（base-pair interactions）。除了在生物醫學等方面的應用外，可編程和自組裝的ＤＮＡ結構提供了多種方式來構建ＤＮＡ的生物學界面和定製光學反應。DNA分子的刺激反應特性（ stimuli-responsive properties）由此就可以促使可編程DNA界面的發展。
圖1
圖解： (a) 在DNA雜化的時候液晶的過渡方向 ，中心的圖片展示的是液晶基體三明治在法布裡-珀羅微腔（ Fabry–Perot microcavity）的條件下的光學裝置 。液晶基材的方向當SSDNA開始同液晶相接觸的時候從垂直配向向平面發展，其方向在DNA雜化後被垂直配向的方向所覆蓋。 (b)液晶的基材在同PSS溶液在不同的泵浦能量密度的條件下相互作用的時候的雷射光譜，插入的雷射模式在門檻值的時候的CCD圖像，標尺為 10 μm。 (c) 當DCM穹形液晶同(1 μM)和水相互作用時的雷射門檻值，實驗的空隙尺寸固定在150 μm，激發的波長為 470 nm。
圖2
圖解：(a)液晶的基材在填充微小的電網的時候的示意圖，右邊的平面顯示的是在PSS樣品噴射前後的偏振光顯微圖像。黑色的狀態顯示的液晶處於垂直取向，白色的狀態揭示的是液晶取向的變化。圖片的網格的長度為200 μm， (b)液晶基材在浸潤1 μM PSS溶液之後的雷射光譜。頂部的圖片顯示雷射頂點的藍色光的漂移行為 ，底部的圖像顯示的是雷射發射的周期性漂移， (c) 在切換行為的時候不同的時間周期裡CCD捕獲的雷射模式，所有的圖片的標尺為 10 μm， (d)在不同PSS濃度下漂移速率的雷射波長的總結圖，對於每一個濃度，誤差和統計結果均基於三個不同的測量結果，空穴的尺寸為 150 μm，激發的波長為470 nm。
在當前的工作中，研究人員展示了一個通過在法布裡-珀羅(F-P)微腔（Fabry–Perot (F–P) microcavity）探究無標記寡核苷酸和染料摻雜液晶基材的界面來實現可以自轉換的雷射，此時DNA的相互作用可以提供轉換的功率。充分發揮DNA自識別和液晶的可重構性的優勢，雷射發射可以通過在生物界面的DNA構像的變化來實現調製。如圖1a所示，當單鏈DNA(single-stranded DNA (ssDNA))在基材的陽離子單層膜上吸收的時候，液晶的變化從垂直配向排列到平行排列. 液晶分子的方位在變化，會隨著發音信號的放大導致雷射波長的藍色漂移，DNA雜化發生在互補脫氧核糖核酸的靶材鍵合向單鏈探針轉變的時候.此時液晶的排列會切換回來.同時雷射波長開始轉向它開始的狀態.
研究結果顯示雷射波長的時間轉換可以通過低於1 nM( 大約在每平方釐米上有9.6 × 108約束目標 )的ssDNA濃度來追蹤.不同ssDNA的濃度會導致雷射波長不同的時間轉換和實時的雷射強度.動態指紋會逐漸展現出單鏈和雙鏈DNA,使得高精度的識別分子結合的類同成為可能.這些結果將會提供合理的設計具有高性能的基於無機和生物學光電材料的可切換的雷射.
圖3
圖解：(a) ssDNA表面覆蓋範圍隨著濃度增加的示意圖.在生物界面，液晶改變它的同方性，並影響著液晶基材的批量校準. (b) 當濃度為1 μM ssDNA溶液施加到液晶單元的時候，雷射光譜的三維圖，雷射光譜的位移為周期性的. (c) 當液晶同不同的 ssDNA濃度 (0.1, 0.25, 0.5, 0.8, 和 1 μM)相互作用時，雷射峰值波長（藍色位移的）時間軌跡. (d) (左)從面板中提取的不同ssDNA 濃度下的波長位移速率的總結 。 （右) 不同DNA濃度下的波長位移的總結. 濃度分別為0.1, 0.25, 0.5, 0.8, 和 1 μM. (e) 在極端低的 ssDNA濃度的時候，波長位移的速率. 所有的數據均為3個不同測量結果的平均值。空穴的尺寸為150 μm，激發波長為470 nm。
通過引入由一個高度發射的介質鏡所形成的F-P微腔，來形成可切換的微雷射。 液晶的方位由長鏈的表面活性劑分子溴化十八烷基三甲基銨（octadecyltrimethylammonium bromide, OTAB）所驅動，此時OTAB被利用來吸引陰離子分子，這一吸引是通過靜電作用來實現的。假設所有的OTAB分子均可以在液晶界面進行吸收，平均表面活性劑大約為緊密堆積分子區(0.83 molecule/nm2）四倍還要多。一個OTAB的單分子層由於它的兩親性而在液晶和水之間形成。 液晶基體的排列，於是，在多陰離子分子到OTAB單層的鍵合中變化。作為概念證明，我們首次研究了雷射的行為，這一行為是通過分子作為DNA分子的相似來進行的，這是因為它的多陰離子鏈結構和疏水部分所決定的。 在這裡，PSS首次被選擇作為分子靶材來刺激 液晶基材的雙折射變化。聚陰離子PSS分子通過OTAB 陽離子頭團的靜電相互作用 在液晶表面被吸收。作為一個控制組，雷射通過注入純水在一個不被打擾的微腔中進行測試。
在沒有液晶的相互作用時，具有多模式的寬範圍的雷射波長可以被觀察到。在PSS分子過濾進入微腔之後，出現窄的雷射光譜。 全寬半最大值（full width half-maximum (fwhm)）大約為1.28 nm。然而，當充滿PSS分子超過純水的時候， F–P 腔造成了一個顯著低的雷射門檻值。 雷射光譜在不同的泵浦能量密度的條件下的雷射光譜見圖1b。不同的門檻值的結果見圖1 c，主要是由於液晶單元的方位是色澤吸收的原因造成的。 由於最大的吸收發生在入射光沿著分子軸的線性偏振的時候，垂直排列的液晶單元同在平行排列的條件下的結果相比較，擁有一個較高的門檻值。可以 注意到整個Fwhm和雷射發射的門檻值是相對大的。由於在兩個鏡片之間存在巨大的空穴，額外的損失和失調將會在空穴中產生。然而，當製造一個較小的空間和一個較小的液晶基材的體積的時候，在兩種情況下均可以得到改善 。
圖2a明確地表示了DCM-摻雜的液晶器件在同PSS分子在光學顯微鏡相互作用前後的結果。在添加PSS溶液之前，網格呈現出均勻的黑色，顯示出液晶單元在順勢排列時可以得到保持。當PSS同液晶基材相接觸的時候，疏水在PSS邊組和液晶之間相互作用，促進聚合物鏈插入到液晶基材中。在PSS吸收之後，網格開始變白，顯示液晶的排列在分析的同一方向。液晶方位的變化同時也在偏光顯微鏡下被證實。圖2b進一步的表示在PSS溶液進入到F-P腔體中雷射輪廓的動力學，此時頂部的面板顯示出雷射發射的光譜輸出。圖2b的底部面板顯示的為雷射發射的時間曲線，此時雷射峰值波長和強度也會相應的改變，圖2c則證實了CCD圖像的這一現象。此時雷射模式作為一個閃光燈來在大量的周期循環中來回切換。雷射熱點首次在中心顯示，然後逐漸消逝，然後重新在出現。
研究成果：
作者分別從入射光的偏振、增益介質的折射率、染料的吸收強度和螢光發射強度分析了液晶的排列對增益介質的影響。實驗和理論研究均表明，增益介質的吸收強度隨著液晶排列變化，是決定雷射位移的關鍵機制。
本論文的研究成果所起到的作用在於引入使用有機生物分子切換不同波長相干光源的概念。研究人員認為，DNA 特定分子識別的非凡能力將來可能會適合諸如雷射的信息編碼和數據存儲之類的應用。通過利用 DNA 的自我識別和序列的複雜性，可以對雷射進行完全的操縱和編程。這項研究通過利用生物分子的複雜性和自我識別，為亞納米級可編程光子器件的開發提供了啟示。
本文的通訊作者為新加坡南洋理工大學電機與電子工程學院 Yu-Cheng Chen 教授， 第一作者為課題組博士後張藝凡 。
文章來源：DNA Self-Switchable Microlaser，
Cite this: ACS Nano 2020, 14, 11, 16122–16130，Publication Date:November 2, 2020，https://doi.org/10.1021/acsnano.0c08219。