DNA：会成为下一个热门的光学材料吗？

导读

最近，韩国首尔延世大学研究人员采用DNA制造出更好的有机薄膜，用于癌症治疗和健康监测。它不仅具有所有硅基设备的功能，还与活体组织更加兼容，未来将应用于医疗电子和光子学设备等领域。

关键字

背景

随着硅玻璃成为制造光纤的基础材料，硅已经成为无机光电设备领域的主要材料。它不仅很容易获取，而且从材料的角度来看，其工作方式很简单。但是，在有机光电设备领域，科学家们需要寻找到一种具有同样优点的材料，且它最好能够存在于生命世界之中。

我们今天要介绍的这种材料就是：DNA。它可以用于制造类似硅纤维的波导，在体内传输光线。未来，这些有机设备将更加便于制造，比硅更具柔性，对生态环境更无害。

创新

最近，韩国首尔延世大学的研究人员希望采用三文鱼的DNA制造出有机薄膜。这种薄膜通常用于癌症治疗和健康监测，它不仅具有所有硅基设备的功能，还具有与活体组织更加兼容的优势，可制成更好的医疗电子设备和光子学设备。

顾名思义，这种薄膜只是一层只有纳米或微米厚的材料，能用于引导光线。如果薄膜是绝缘性的，也就是说类似玻璃这样的绝缘体，我们就无需担心它在使用时会导电。

（图片来源：Kyunghwan Oh / 延世大学）

韩国首尔延世大学光子设备物理实验室的 Kyunghwan "Ken" Oh 表示：

“DNA是最丰富的有机材料，且它是一种可以和二氧化硅相媲美的透明电介质。”

在光学会（OSA）《光学快报杂志》（Optical Materials Express）期刊上， Oh 和他的同事们描述了这种制造薄膜的方法。他们利用这种方法，很好地控制了材料的光学和热学特性。

技术

在光学设备中，使用到该材料的一个关键特性就是折射率，它决定了光线的传播方向。光纤需要具有同一折射率的纤芯以及不同折射率的包层，所以当光线照射到纤芯和包层界面时，它被迫返回纤芯而不是泄露除去。光纤的制造商不仅需要具有两种不同折射率的材料，同时也要控制这种差异的量级，从而得到期望的效果。

在微调方法中，即采用DNA制造可用于光学设备的薄膜，Oh 的团队能够达到的折射率范围比硅中的高四倍。有了纤芯和包层之间更高的折射率差异，他们可以制造出更薄的光纤，相比于使用硅的10微米，直径低至3微米。对于从纤维中射出的光线，它带来了更小的光斑尺寸，因此可以用于需要更加仔细瞄准光线的应用。Oh 说：

“如果你有一个更小的目标，那么你应该有更加尖锐的箭头。”

为了制造一种可以用于作为光学器件基础的薄膜，研究人员必须将DNA溶解于水，然后将混合物溶解于有机溶剂中。这种液体可以安装于表面之上，它旋转后使得材料均匀扩散。然后，溶剂蒸发后会留下薄膜。因为DNA不容易溶解，研究人员首先将它与水和十六烷基三甲基（ CTMA，一种类似肥皂的表面活性剂）溶剂相混合。这种混合物产生出沉淀物，可以溶解到溶剂中进行旋涂。虽然研究人员已经使用这种工艺有几年了，但是他们得到的结果还是前后不一致。Oh 表示：

“我们注意到，根据不同的论文，反射率和材料特性是多种多样的，所以我们感到奇怪。我们发现各个研究小组之间的制造工艺有点不同。”

（图片来源：参考资料【2】）

Oh 的实验室三个研究生 Woohyun Jung、Hwiseok Jun 、Seongjin Hong发现：控制混合物中的水和 CTMA 的含量，可对于薄膜的折射率进行微调。根据是否向CTMA溶剂增加水滴和DNA，或者添加水和CTMA到DNA溶液中，研究人员测试不同的混合物。Oh 将DNA链比作绳子，沿着绳子上有些点可供CTMA绑定。Oh 表示：

"如果你将这条绳子浸入到CTMA溶液中，那里有大量的CTMA，所以你可以让绳子浸满CTMA。"

从另外一方面说，如果你将CTMA放到大批的DNA上，这条“绳子”将不会完全湿润；也就是说，许多DNA的区域没有与CTMA相联系。

混合物含水越多，含CTMA就越少，反之亦然。通过仔细控制二者的量，团队能够达到期望的折射率。同样的方案也可以用于对于薄膜的热学特性的控制，研究人员通过加热或者冷却薄膜改变其折射率。

价值

这种薄膜的潜在应用包括光动力学疗法，通过这个疗法，癌症病人接收药物或者绑定于肿瘤中癌细胞的其他物质，使用光线激活药物并且消灭癌细胞，还不损伤健康组织。这种薄膜也可以用于光遗传学，光线可以用于控制特殊的大脑细胞活动，或者制造测量血压或者血氧含量的传感器，并且长时间穿戴不会引起过敏，因为它们是有机的。

该薄膜可以用于温度传感器，穿过该薄膜的光线变化与温度变化相关联。Oh 的实验室也在拓展用于控制DNA光学特性的其他方案。他希望开发一系列的基础特性和工艺，让制造商们可以制造出各种不同的光学设备，包括新一代的可穿戴传感器。

参考资料

【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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