Met behulp van DNA van zalm, onderzoekers in Zuid-Korea hopen betere biomedische en andere fotonische apparaten te maken op basis van organische dunne films. Vaak gebruikt bij kankerbehandelingen en gezondheidsmonitoring, dunne films hebben alle mogelijkheden van op silicium gebaseerde apparaten met het mogelijke extra voordeel dat ze beter compatibel zijn met levend weefsel.

Een dunne film is precies hoe het klinkt, een laag materiaal van slechts nanometers of micrometer dik die kan worden gebruikt om licht te kanaliseren. Als de film een ​​diëlektricum is, dat wil zeggen, een isolator zoals glas - het kan worden gebruikt zonder dat je je zorgen hoeft te maken dat het elektriciteit zou kunnen geleiden.

"DNA is het meest voorkomende organische materiaal, en het is een transparant diëlektricum, vergelijkbaar met silica, " zei Kyunghwan "Ken" Oh, van het Photonic Device Physics Laboratory aan de Yonsei University, Seoel, Zuid-Korea. In het journaal Optische materialen Express , van The Optical Society (OSA), Oh en zijn collega's leggen hun methode voor het vervaardigen van de dunne films zo uit dat ze nauwkeurige controle hebben over de optische en thermische eigenschappen van het materiaal.

Als basis voor het kwartsglas waaruit optische vezels bestaan, silicium is lange tijd een dominant materiaal geweest in anorganische fotonische apparaten omdat het gemakkelijk beschikbaar is en gemakkelijk om mee te werken vanuit het perspectief van de materialen. Oh stelt dat DNA dezelfde rol kan spelen in organische fotonische apparaten omdat het overal in de levende wereld te vinden is. Het zou kunnen, bijvoorbeeld, worden gebruikt om golfgeleiders te maken die lijken op silicavezels om licht in het lichaam te dragen. Biologische apparaten moeten ook gemakkelijk te vervaardigen zijn, flexibeler dan silicium en milieuvriendelijker.

'Een scherpere pijl'

Een belangrijke eigenschap van materialen die in fotonische apparaten worden gebruikt, is de brekingsindex, die bepaalt hoe het licht wordt gericht. Een optische vezel vereist een kern met één index, gewikkeld in een bekleding met een voldoende verschillende index zodat wanneer licht het grensvlak tussen kern en bekleding raakt, het wordt terug in de kern gedwongen in plaats van weg te lekken. Makers van optische vezels hebben niet alleen materiaal nodig met twee verschillende brekingsindexen, ze moeten de grootte van dat verschil beheersen om de gewenste effecten te krijgen.

Bij het verfijnen van een methode om DNA te gebruiken om dunne films te maken die in fotonische apparaten kunnen worden gebruikt, Oh's team was in staat om een ​​reeks brekingsindexen te krijgen die vier keer groter was dan die beschikbaar in silicium. Met een groter indexverschil tussen kern en bekleding, ze kunnen veel dunnere optische vezels maken, met een diameter van slechts 3 micron, vergeleken met een minimum van 10 in silicium. Dit zorgt voor een kleinere spotgrootte voor het licht dat uit de vezel komt, die nuttig kunnen zijn in toepassingen die zorgvuldig op licht moeten worden gericht. "Als je een klein doelwit hebt, je zou een scherpere pijl moeten hebben, " zei O.

Mogelijke toepassingen zijn onder meer fotodynamische therapie, wanneer een kankerpatiënt een medicijn of andere stof krijgt die zich bindt aan cellen in een tumor en licht activeert het medicijn en vernietigt de kankercellen, gezond weefsel onaangeroerd laten. De films kunnen ook nuttig zijn in optogenetica, waarin licht wordt gebruikt om de activiteit van specifieke hersencellen te regelen, of om sensoren te maken om de druk of het zuurstofgehalte van de bloeddruk te meten die lange tijd kunnen worden gedragen zonder irritatie te veroorzaken omdat ze organisch zijn.

Worstelen met inconsistente resultaten

Om een ​​dunne film te maken, die kan worden gebruikt als basis voor fotonische apparaten, onderzoekers moeten DNA oplossen in water, en los dat mengsel vervolgens op in een organisch oplosmiddel. De vloeistof wordt op een oppervlak geplaatst, die ronddraait zodat het materiaal zich gelijkmatig verspreidt. Het oplosmiddel verdampt vervolgens om de film achter te laten. Omdat DNA niet gemakkelijk oplost, onderzoekers mengen het eerst met een oplossing van water en cetyltrimethylammonium (CTMA), een zeepachtige oppervlakteactieve stof. Het mengsel produceert een neerslag, die vervolgens kan worden opgelost in het oplosmiddel en spin-coated.

Hoewel onderzoekers deze procedure al enkele jaren gebruiken, hun resultaten waren inconsistent. "Dat hebben we gemerkt, afhankelijk van de papieren, de brekingsindex en materiaaleigenschappen varieerden in een breed bereik, dus we waren er erg benieuwd naar, " zei Oh. "En we kwamen erachter dat het fabricageproces een beetje anders was van onderzoeksgroep tot onderzoeksgroep."

Het proces beheersen

Drie afgestudeerde studenten in Oh's lab - Woohyun Jung, Hwiseok Jun en Seongjin Hong - ontdekten dat door de hoeveelheid water en CTMA in hun mengsel te beheersen, ze zouden de brekingsindex van de dunne film kunnen verfijnen. Testen brachten verschillende mengsels aan het licht, afhankelijk van of ze waterdruppels en DNA aan de CTMA-oplossing hebben toegevoegd, of water en CTMA in het DNA-bad. Oh beschrijft de DNA-streng als een touw, met plaatsen erlangs waaraan de CTMA kan binden. "Als je dit touw in een CTMA-bad laat vallen, er zijn tonnen CMA beschikbaar, zodat je het touw kunt doordrenken met de CTMA, "zei Oh. Aan de andere kant, als u CTMA op een grote partij DNA laat vallen, het "touw" mag niet helemaal nat worden; dat is, er zijn gebieden van DNA zonder CTMA bevestigd.

Hoe meer water het mengsel bevatte, hoe minder CMA er was, en vice versa. Door de hoeveelheid van beide zorgvuldig te controleren, het team kon de gewenste brekingsindex bereiken. Dezelfde aanpak zorgde voor controle over de thermische eigenschappen van de film, waardoor de onderzoekers konden bepalen hoeveel de brekingsindex veranderde wanneer de film werd verwarmd of afgekoeld. Daardoor zou de film als temperatuursensor kunnen worden gebruikt, aangezien veranderingen in het licht dat er doorheen gaat, zou worden gekoppeld aan veranderingen in temperatuur.

Oh's lab onderzoekt ook andere methoden om de optische eigenschappen van DNA te controleren. Hij hoopt een reeks fundamentele principes en processen te ontwikkelen waarmee fabrikanten een breed scala aan optische apparaten kunnen bouwen, inclusief een nieuwe generatie draagbare sensoren.