DNA is het erfelijke materiaal in de kern van alle cellen van mensen en andere levende organismen. Naast zijn betekenis in de biologie, DNA heeft ook een specifieke rol gespeeld bij het besturen van veel fysieke apparaten. Onlangs, een internationaal onderzoeksteam aan de Nanyang Technological University, Singapore, heeft het concept van een schakelbare microlaser gedemonstreerd door gebruik te maken van het organische biomolecuul-DNA-hybridisatieproces.

Daten, vooruitgang in schakelbare microlasers is naar voren gekomen als een bouwsteen met een enorm potentieel bij het beheersen van licht-materie-interacties en geïntegreerde fotonica. Over het algemeen, optische schakeling wordt bereikt door complexe apparaatfabricage of een aantal fysieke benaderingen, zoals het wijzigen van de structuur of brekingsindex van de laserholtes. In tegenstelling tot de kunstmatig ontworpen interface, stimuli-responsieve bio-interfaces profiteren van een biologisch systeem en bio-herkenning zodat een hoger niveau van functionaliteiten op nanoschaal zou kunnen worden gerealiseerd. Niettemin, het omschakelen van laseremissie met biologische herkenning moet nog worden aangepakt, in het bijzonder met omkeerbare en golflengte-afstembaarheid over een breed spectraal bereik.

Om dit probleem aan te pakken, Chen's team ontwikkelde een nieuwe methode om laseremissie te veranderen door DNA op te nemen in een optische microholte. DNA is een van de krachtigste biomaterialen die bekend staat om zijn controleerbare synthese en specificiteit van basenpaarinteracties. De programmeerbaarheid en zelfassemblage van DNA-structuren bieden veelzijdige manieren voor het construeren van DNA-bio-interfaces en het afstemmen van de optische respons. De optische microholte van Fabry-Perot bestaat uit twee diëlektrische spiegels, waarin met kleurstof gedoteerde vloeibare kristallen werden geïntroduceerd als optische versterking om de respons van DNA-bindingsgebeurtenissen te verbeteren.

De sterke licht-materie-interactie die door de microholte wordt veroorzaakt, maakt het dus mogelijk om subtiele veranderingen in de holte en vloeibare kristalmatrices te versterken. Het vloeibaar-kristalmolecuul verandert van homeotrope naar vlakke uitlijning wanneer enkelstrengs DNA (sDNA) wordt geadsorbeerd op de kationische monolaag van de matrix. De oriëntatieveranderingen van LC-moleculen resulteerden dus in een blauwverschuiving van de lasergolflengte met uitgesproken signaalversterking. De lasergolflengte zou kunnen worden teruggedraaid bij binding met het complementaire deel ervan door middel van een DNA-hybridisatieproces.

"We gebruikten deze speciale interactie tussen DNA en vloeibare kristallen als het schakelvermogen om de oriëntatie van de vloeibare kristallen in de Fabry-Perot-microholte te veranderen, zodat omschakeling van laseremissie tussen verschillende golflengten werd bereikt, " zei professor Yu-Cheng Chen, de corresponderende auteur van de studie. De interacties leiden tot tijdelijke omschakeling van lasergolflengten en -intensiteiten. De lasergolflengte lijkt blauw te verschuiven wanneer ssDNA wordt geïntroduceerd. Het keert terug bij hybridisatie met zijn complementaire basen. Zowel experimentele als theoretische studies hebben aangetoond dat de absorptiesterkte van het versterkingsmedium het kritische mechanisme is dat het laserverschuivingsgedrag bepaalt.

"De betekenis van deze studie is om het concept te introduceren van het gebruik van organische biomoleculen om coherente lichtbronnen op verschillende golflengten te schakelen. Het vertegenwoordigt een mijlpaal in het bereiken van biologisch gecontroleerde laser, "zei Chen. Het team is van mening dat deze studie licht werpt op de ontwikkeling van programmeerbare fotonische apparaten op sub-nanoschaal door gebruik te maken van de complexiteit en zelfherkenning van biomoleculen. Door gebruik te maken van de complexiteit en zelfherkenning van DNA-sequenties, laserlicht kon volledig worden gemanipuleerd en geprogrammeerd. Het opmerkelijke vermogen van specifieke moleculaire herkenning zou in de toekomst mogelijk geschikt kunnen zijn voor toepassingen zoals informatiecodering en gegevensopslag met laserlicht. Dit werk is gepubliceerd in ACS Nano .