南洋理工大学陈延昌 信用:Pixabay/CC0公共域 脱氧核糖核酸是人类和其他生物所有细胞核中的遗传物质
除了在生物学上的重要性，脱氧核糖核酸还在控制许多物理设备方面发挥了特殊的作用
最近，新加坡南洋理工大学的一个国际研究小组利用有机生物分子DNA杂交过程，展示了可切换微激光器的概念
迄今为止，可转换微激光器的进展已经成为控制光-物质相互作用和集成光子学的巨大潜力的基础
通常，通过复杂的器件制造或一些物理方法，例如改变激光腔的结构或折射率，可以实现光开关
与人工设计的界面相反，刺激响应生物界面利用了生物系统和生物识别，从而可以在纳米尺度上实现更高水平的功能
然而，将激光发射转换为生物识别还有待解决，特别是在宽光谱范围内的可逆和波长可调性
为了解决这个问题，陈的团队开发了一种新的方法，通过在光学微腔中掺入DNA来切换激光发射
脱氧核糖核酸是最有效的生物材料之一，以其可控的合成和碱基对相互作用的特异性而闻名
脱氧核糖核酸结构的可编程性和自组装为构建脱氧核糖核酸生物界面和定制光学响应提供了多种方法
法布里-珀罗光学微腔由两个介质镜组成，其中引入了掺杂染料的液晶作为光学增益，以增强对脱氧核糖核酸结合事件的响应
因此，由微腔引起的强烈的光-物质相互作用能够在腔和液晶矩阵内放大细微的变化
当单链脱氧核糖核酸吸附在基质的阳离子单层上时，液晶分子从垂直排列变为平面排列
液晶分子的取向变化导致激光波长蓝移，信号放大明显
激光波长可以通过与互补部分的杂交过程而被还原
“我们使用这种特殊的脱氧核糖核酸-液晶相互作用作为开关电源来改变法布里-珀罗微腔中液晶的方向，从而实现不同波长之间的激光发射切换，”该研究的相应作者陈玉成教授说
相互作用导致激光波长和强度的时间转换
当ssDNA引入时，激射波长出现蓝移
当与它的互补碱基杂交时，它恢复原状
实验和理论研究表明，增益介质的吸收强度是决定激光位移行为的关键机制
“这项研究的意义在于引入使用有机生物分子来切换不同波长的相干光源的概念
这是实现生物控制激光的一个里程碑，”陈说
该团队认为，这项研究通过利用生物分子的复杂性和自我识别，揭示了亚纳米级可编程光子器件的发展
通过利用脱氧核糖核酸序列的复杂性和自我识别，激光可以被完全操纵和编程
特异分子识别的卓越能力有望在未来应用于信息编码和激光数据存储等领域
这项工作发表在美国化学学会纳米
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