可產生多色、寬頻帶雷射的金屬-有機框架微晶體

2020-11-26 中國科學技術館

ZJU-68晶體沿單軸同質外延(*晶體的一種生成方式，即採用與目標產物相同的襯底材料生長單晶生長過程簡圖。圖片來源：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-020-00376-7

輸出範圍覆蓋可見光到近紅外光的多色、單模偏振微型雷射在光電集成、多模化學傳感和成像領域非常重要。然而，這樣的設備大多停留於紙面且難以實用。在一項新的研究報告中，Huajun He和一支由新加坡、中國和美國的物理、材料和化學專業人士組成的研究團隊，開發出一種由多組分構成、並且能夠產生可控單模近紅外(NIR)雷射的單晶。構成單晶的多種組分均生長在一種混合了能夠產生紅、綠及近紅外雷射的染料分子的金屬-有機框架（MOF）上。微晶中不同染料分子的分段組合類似於一個小型諧振，並能夠在更低的三色雷射（紅、綠和近紅外）閾值下合成動態的、多色單模雷射。這一發現將為基於MOF的單模、微型/納米級雷射在生物光子領域的應用打開新的篇章。此研究當前發表於《光：科學與應用》。

採用金屬-有機框架的多色單模偏振雷射傳感

多色單模偏振雷射傳感與成像是一種很有潛力的診斷技術，其實踐應用仍待有效開發。不同的生物組織、細胞和生化試劑暴露在不同波長的光照下會產生不同的光學、熱學和聲學響應。因此，具有寬頻、多色輸出特性的光源是多通道或多維傳感、成像的基礎。光的偏振特性為處理由生物材料中豐富的結構信息產生的散射信號提供了可能。單模微型/納米級雷射能夠滿足小型光電設備的應用需求，包括生成高精度信息、規避偽信號和調節參數設置不同光信號間的相互幹擾，從而實現對不同細胞和分子的傳感或成像。

金屬有機框架（MOFs）是一種由金屬離子和有機橋聯配體組裝的周期性晶體材料，它能夠提供一個強大的混合平臺以克服目前多色微型雷射中存在的困難。MOF光滑而規律的晶體結構類似於高效的光學共振器並提供光學反饋。He等人在他們的工作中演示了以ZJU-68框架為基礎，實現同時組裝不同的染料分子並產生多色單模雷射。

寬頻、多色、偏振、單模雷射可能用於多通道生化傳感和成像。由染料組裝的分層、同質外延混合MOF微晶產生的雷射兼具寬頻輸出、偏振和單模雷射的優點。圖片來源： Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-020-00376-7

染料組裝MOFs的合成與表徵

MOF微晶包含多種染料分子，研究人員首先藉助計算機仿真揭示材料的雷射模態，以探索可能的雷射模式機理。他們發現了一種將多色、固態微型雷射材料用於光電集成和生化傳感與成像的新思路。He的團隊操控MOF晶體沿單一方向生長，從而在(金屬-有機)框架上組裝不同的材料或染料分子，最終合成一種組裝了染料的分層混合金屬有機框架。合成過程中，他們首先將鋅離子(Zn2+)、一種有機偶聯劑和一種染料分子自組裝在一起合成染料1；接著，他們將上一步得到的微晶浸入一種由鋅離子、有機偶聯劑和不同的染料分子組成的新的反應溶劑中，併合成染料2；第三步，他們重複第二步並最終得到一種三色、分層、混合微晶染料。該團隊將三種分別縮寫為DPBDM,  DMASM 和MMPVP的染料分子組合在一起，得到不同類型的混合MOF單晶。所有的混合單晶都保持和純淨的ZJU-68框架相同的六方柱結構，僅因組裝了染料分子而呈現出顏色差異。組裝的染料分子分別為亮黃色、品紅色和紫色。該團隊生成了組裝在ZJU-68分層微晶上的染料的X射線粉末衍射圖譜，與模擬值吻合得很好。

多色螢光和多色雷射性能

UHG分層混合ZJU-68微晶的合成與表徵。圖片來源: Science & Applications, doi: 10.1038/s41377-020-00376-7

該團隊隨後比較了組裝在ZJU-68混合晶體上的染料的螢光光譜。他們使用一種含480納米激發濾光片組(*在螢光顯微鏡中，僅允許波長480納米的激發螢光通過的濾光片)的水銀燈來得到該光譜，並確定了綠光、紅光和近紅外光的發射波峰。藉助多通道共聚焦雷射顯微鏡，He等人揭示了含有三種染料的混合單晶與入射光及濾光模塊聯合、並分段激發從而輸出不同色彩的螢光信號的物理過程。該過程阻止了染料在組裝過程中因聚合導致的淬火效應，並幫助能量由短波染料分子轉移到長波染料分子，最終輸出高效的寬頻帶信號。

研究人員在顯微鏡下進一步研究了含有三種染料分子的一種小型混合晶體的雷射性能。他們組合使用顯微鏡和配備480納米雷射脈衝的光纖光譜儀來收集螢光信號。He等人基於觀測結果，將三色雷射過程歸因於六方柱晶體的回音壁模式(WGM, *在光學上，指光束被約束在具有旋轉對稱特性的幾何結構邊界內的現象)。為進一步理解六方微腔的雷射模式機理，他們使用COMSOL Multiphysics軟體進行了光學仿真，並指出其內部六個晶體面的反射正是仿真圖像中WGM機理的特徵表現。

混合微晶的雷射掃描性能

He的團隊能夠將位於兩種晶體組分結合處的材料同時激發，並得到亮綠色/紅色或紅色/近紅外雷射。這種獨特的設置使得微納米空間中操縱多色或單色雷射成為可能，能滿足於生物光子領域的多種應用。迄今為止，研究人員利用具有明顯雷射偏振特性的三色混合晶體得到了三種波長的單模雷射。He等人將這三種染料分子進行排列組合，實現了明顯的發光各向異性（比如：由不同螢光團釋放的光強相同）。這樣的各向異性多色雷射非常有潛力用於生物化學傳感、成像以及光信號處理。

通過這種方式，Huajun He及其同事在一個金屬有機框架(MOF)微型諧振器上分層組裝了不同染料分子。基於此，他們獲得了三種波長的單模雷射。不同的組分決定了微型雷射的顏色輸出，同時克服了能量在不同染料分子間轉移帶來的不利影響。三色單模雷射在整體結構上覆蓋了可見到近紅外光的波長範圍。這項工作簡化了用於多通道生物光子的單模雷射結構開發過程。

引進來源：物理學家組織網

引進連結：https://phys.org/news/2020-08-metal-framework-mof-microcrystals-multicolor.html

 

 

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