DNA:會成為下一個熱門的光學材料嗎?

2020-12-06 環球創新智慧

導讀

最近，韓國首爾延世大學研究人員採用DNA製造出更好的有機薄膜，用於癌症治療和健康監測。它不僅具有所有矽基設備的功能，還與活體組織更加兼容，未來將應用於醫療電子和光子學設備等領域。

關鍵字

DNA、有機、醫療電子

背景

隨著矽玻璃成為製造光纖的基礎材料，矽已經成為無機光電設備領域的主要材料。它不僅很容易獲取，而且從材料的角度來看，其工作方式很簡單。但是，在有機光電設備領域，科學家們需要尋找到一種具有同樣優點的材料，且它最好能夠存在於生命世界之中。

我們今天要介紹的這種材料就是：DNA。它可以用於製造類似矽纖維的波導，在體內傳輸光線。未來，這些有機設備將更加便於製造，比矽更具柔性，對生態環境更無害。

創新

最近，韓國首爾延世大學的研究人員希望採用三文魚的DNA製造出有機薄膜。這種薄膜通常用於癌症治療和健康監測，它不僅具有所有矽基設備的功能，還具有與活體組織更加兼容的優勢，可製成更好的醫療電子設備和光子學設備。

顧名思義，這種薄膜只是一層只有納米或微米厚的材料，能用於引導光線。如果薄膜是絕緣性的，也就是說類似玻璃這樣的絕緣體，我們就無需擔心它在使用時會導電。

韓國首爾延世大學光子設備物理實驗室的 Kyunghwan "Ken" Oh 表示：

「DNA是最豐富的有機材料，且它是一種可以和二氧化矽相媲美的透明電介質。」

在光學會（OSA）《光學快報雜誌》（Optical Materials Express）期刊上， Oh 和他的同事們描述了這種製造薄膜的方法。他們利用這種方法，很好地控制了材料的光學和熱學特性。

技術

在光學設備中，使用到該材料的一個關鍵特性就是折射率，它決定了光線的傳播方向。光纖需要具有同一折射率的纖芯以及不同折射率的包層，所以當光線照射到纖芯和包層界面時，它被迫返回纖芯而不是洩露除去。光纖的製造商不僅需要具有兩種不同折射率的材料，同時也要控制這種差異的量級，從而得到期望的效果。

在微調方法中，即採用DNA製造可用於光學設備的薄膜，Oh 的團隊能夠達到的折射率範圍比矽中的高四倍。有了纖芯和包層之間更高的折射率差異，他們可以製造出更薄的光纖，相比於使用矽的10微米，直徑低至3微米。對於從纖維中射出的光線，它帶來了更小的光斑尺寸，因此可以用於需要更加仔細瞄準光線的應用。Oh 說：

「如果你有一個更小的目標，那麼你應該有更加尖銳的箭頭。」

為了製造一種可以用於作為光學器件基礎的薄膜，研究人員必須將DNA溶解於水，然後將混合物溶解於有機溶劑中。這種液體可以安裝於表面之上，它旋轉後使得材料均勻擴散。然後，溶劑蒸發後會留下薄膜。因為DNA不容易溶解，研究人員首先將它與水和十六烷基三甲基（ CTMA，一種類似肥皂的表面活性劑）溶劑相混合。這種混合物產生出沉澱物，可以溶解到溶劑中進行旋塗。雖然研究人員已經使用這種工藝有幾年了，但是他們得到的結果還是前後不一致。Oh 表示：

「我們注意到，根據不同的論文，反射率和材料特性是多種多樣的，所以我們感到奇怪。我們發現各個研究小組之間的製造工藝有點不同。」

Oh 的實驗室三個研究生 Woohyun Jung、Hwiseok Jun 、Seongjin Hong發現：控制混合物中的水和 CTMA 的含量，可對於薄膜的折射率進行微調。根據是否向CTMA溶劑增加水滴和DNA，或者添加水和CTMA到DNA溶液中，研究人員測試不同的混合物。Oh 將DNA鏈比作繩子，沿著繩子上有些點可供CTMA綁定。Oh 表示：

"如果你將這條繩子浸入到CTMA溶液中，那裡有大量的CTMA，所以你可以讓繩子浸滿CTMA。"

從另外一方面說，如果你將CTMA放到大批的DNA上，這條「繩子」將不會完全溼潤；也就是說，許多DNA的區域沒有與CTMA相聯繫。

混合物含水越多，含CTMA就越少，反之亦然。通過仔細控制二者的量，團隊能夠達到期望的折射率。同樣的方案也可以用於對於薄膜的熱學特性的控制，研究人員通過加熱或者冷卻薄膜改變其折射率。

價值

這種薄膜的潛在應用包括光動力學療法，通過這個療法，癌症病人接收藥物或者綁定於腫瘤中癌細胞的其他物質，使用光線激活藥物並且消滅癌細胞，還不損傷健康組織。這種薄膜也可以用於光遺傳學，光線可以用於控制特殊的大腦細胞活動，或者製造測量血壓或者血氧含量的傳感器，並且長時間穿戴不會引起過敏，因為它們是有機的。

該薄膜可以用於溫度傳感器，穿過該薄膜的光線變化與溫度變化相關聯。Oh 的實驗室也在拓展用於控制DNA光學特性的其他方案。他希望開發一系列的基礎特性和工藝，讓製造商們可以製造出各種不同的光學設備，包括新一代的可穿戴傳感器。

參考資料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/dna_the_next_hot_material_in_photonics/

【2】W. Jung, H. Jun, S. Hong, B. Paulson, Y. S. Nam, K. Oh, 「Cationic lipid binding control in DNA based biopolymer and its impacts on optical and thermo-optic properties of thin solid films,」 Opt. Mater. Express, Volume 7, Issue 11, 3796-3808 (2017).DOI: 10.1364/OME.7.003796

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