Med hjälp av DNA från lax, forskare i Sydkorea hoppas kunna göra bättre biomedicinska och andra fotoniska enheter baserade på organiska tunna filmer. Används ofta vid cancerbehandlingar och hälsoövervakning, tunna filmer har alla funktioner hos kiselbaserade enheter med den möjliga ytterligare fördelen att de är mer kompatibla med levande vävnad.

En tunn film är precis hur den låter, ett materialskikt endast nanometer eller mikrometer tjockt som kan användas för att kanalisera ljus. Om filmen är en dielektrikum - det vill säga en isolator som glas - den kan användas utan att oroa sig för att den kan leda elektricitet.

"DNA är det vanligaste organiska materialet, och det är ett transparent dielektrikum, jämförbar med kiseldioxid, "sa Kyunghwan" Ken "Åh, av Photonic Device Physics Laboratory vid Yonsei University, Seoul, Sydkorea. I journalen Expressmaterial Express , från The Optical Society (OSA), Oh och hans kollegor lägger fram sin metod för att tillverka de tunna filmerna på ett sätt som ger dem fin kontroll över materialets optiska och termiska egenskaper.

Som grund för kiseldioxidglaset som utgör optiska fibrer, kisel har länge varit ett dominerande material i oorganiska fotoniska enheter eftersom det är lätt tillgängligt och lätt att arbeta med ur materialperspektivet. Oh hävdar att DNA kan spela samma roll i organiska fotoniska enheter eftersom det kan hittas i hela levande världen. Det kunde, till exempel, användas för att göra vågledare som liknar kiseldioxidfibrer för att bära ljus in i kroppen. Ekologiska enheter ska också vara lätta att tillverka, mer flexibel än kisel och miljövänlig.

'En skarpare pil'

En viktig egenskap hos material som används i fotoniska enheter är brytningsindex, som avgör hur ljuset riktas. En optisk fiber kräver en kärna med ett index, insvept i en beklädnad med ett tillräckligt tillräckligt index så att när ljus träffar gränssnittet mellan kärna och beklädnad, den tvingas tillbaka in i kärnan istället för att läcka bort. Tillverkare av optisk fiber behöver inte bara material med två olika brytningsindex, de måste kontrollera storleken på den skillnaden för att få de önskade effekterna.

Vid finjustering av en metod för att använda DNA för att skapa tunna filmer som kan användas i fotoniska enheter, Ohs team kunde få en rad brytningsindex fyra gånger större än det som finns i kisel. Med en större indexskillnad mellan kärna och beklädnad, de kan göra mycket tunnare optiska fibrer, så låg som 3 mikron i diameter, jämfört med minst 10 i kisel. Detta möjliggör en mindre fläckstorlek för ljuset som kommer ut ur fibern, vilket kan vara användbart i applikationer som noggrant måste rikta ljus. "Om du har ett litet mål, du borde ha en vassare pil, "sa Åh.

Potentiella tillämpningar kan innefatta fotodynamisk terapi, där en cancerpatient ges ett läkemedel eller annat ämne som binder till celler i en tumör och ljus aktiverar läkemedlet och förstör cancercellerna, lämnar frisk vävnad orörd. Filmerna kan också vara användbara inom optogenetik, i vilket ljus används för att styra aktiviteten hos specifika hjärnceller, eller att göra sensorer för att mäta trycket eller syrehalten i blodtrycket som kan bäras länge utan att orsaka irritation eftersom de är organiska.

Brottas med inkonsekventa resultat

För att göra en tunn film, som kan användas som grund för fotoniska enheter, forskare måste lösa upp DNA i vatten, och lös sedan den blandningen i ett organiskt lösningsmedel. Vätskan placeras på en yta, som snurrar så att materialet sprids jämnt. Lösningsmedlet avdunstar sedan för att lämna filmen bakom sig. Eftersom DNA inte lätt upplöses, forskare blandar det först med en lösning av vatten och cetyltrimetylammonium (CTMA), ett tvålliknande ytaktivt medel. Blandningen ger en fällning, som sedan kan lösas upp i lösningsmedlet och centrifugeras.

Medan forskare har använt denna procedur i flera år, deras resultat har varit inkonsekventa. "Vi märkte att beroende på papper, brytningsindex och materialegenskaper varierade inom ett brett spektrum, så vi var väldigt nyfikna på det, "sa Oh." Och vi fick reda på att tillverkningsprocessen var lite annorlunda från forskargrupp till forskargrupp. "

Styr processen

Tre doktorander i Ohs lab - Woohyun Jung, Hwiseok Jun och Seongjin Hong - fann att genom att kontrollera mängden vatten och CTMA i blandningen, de kunde finjustera brytningsindexet för den tunna filmen. Testning avslöjade olika blandningar, beroende på om de tillsatte droppar vatten och DNA i CTMA -lösningen, eller vatten och CTMA i DNA -badet. Åh beskriver DNA -strängen som ett rep, med platser längs den som CTMA kan binda till. "Om du tappar detta rep i ett CTMA -bad, det finns massor av CTMA tillgängliga, så att du kan blöta repet med CTMA, "sa Oh. Å andra sidan, om du tappar CTMA på en stor mängd DNA, "repet" kanske inte blir helt blött; det är, det finns områden av DNA utan CTMA fäst.

Ju mer vatten blandningen innehöll, ju mindre CTMA det fanns, och vice versa. Genom att noggrant kontrollera mängden av båda, laget kunde uppnå önskat brytningsindex. Samma tillvägagångssätt gav kontroll över filmens termiska egenskaper, låta forskarna styra hur mycket brytningsindexet förändrades när filmen värmdes eller kyldes. Det kan göra att filmen kan användas som temperatursensor, eftersom förändringar i ljuset som passerar genom det skulle kopplas till temperaturförändringar.

Ohs labb utforskar också andra metoder för att kontrollera de optiska egenskaperna hos DNA. Hans förhoppning är att utveckla en uppsättning grundläggande principer och processer som gör det möjligt för tillverkare att bygga ett brett utbud av optiska enheter, inklusive en ny generation bärbara sensorer.