DNA折紙：照亮光子學的未來

脫氧核糖核酸（DNA）折紙技術涉及將長鏈DNA折疊成精確的形狀，并已徹底改變了包括光子學在內的多個領域。該技術在納米尺度上提供了卓越的控制能力，能夠構建復雜的納米結構，其應用范圍涵蓋量子計算和生物醫(yī)學成像。研究人員利用DNA的獨特特性開發(fā)了復雜的光子器件。

本文探討了光子學中 DNA 折紙的演變、其操作背后的原理、其變革性影響以及當前面臨的挑戰(zhàn)。

DNA折紙是如何工作的？

在DNA折紙技術中，較長的單鏈DNA分子利用短的互補鏈（稱為“訂書釘”）折疊成特定形狀。這些“訂書釘”結合到DNA的特定位點，迫使其折疊成所需的結構。這種自組裝過程允許精確的納米級控制，從而有助于以納米精度定位熒光分子、納米顆粒和量子點等功能元件。

在光子學中，DNA折紙技術可以作為組織和操控發(fā)光分子及其他光子元件的框架。通過以精確的距離和角度排列這些元件，該技術可以增強光與物質的相互作用，優(yōu)化能量傳輸，并提升光子器件的性能。例如，DNA折紙技術可以將染料分子緊密排列，從而實現(xiàn)高效的能量傳輸和光發(fā)射。

DNA折紙在光子學中的演化

DNA折紙的概念由加州理工學院（Caltech）的保羅·羅瑟蒙德（Paul Rothemund）于2006年提出。最初，該技術主要用于結構生物學領域，用于塑造納米級的形狀和圖案。隨著時間的推移，研究人員意識到它在光子學領域的潛力，尤其是在精確定位和組織發(fā)光分子和納米結構方面。

早期的研究集中于將DNA折紙與光子晶體腔（PCC，一種光學諧振器）相結合。這種集成有助于熒光分子在PCC內的精確定位，從而增強其發(fā)光特性。能夠調節(jié)腔內發(fā)射器的位置和數(shù)量是一項重大進展，解決了以往在可重復性和精度方面的挑戰(zhàn)。

DNA折紙和單分子光譜

在光子學領域，DNA折紙技術徹底改變了單分子光譜學。科學家利用這項技術創(chuàng)建了等離子體納米腔，從而增強了納米尺度的光場。這些納米腔是由金納米粒子排列在DNA折紙模板上形成的，能夠以前所未有的細節(jié)研究單分子相互作用。該方法已用于檢測單個DNA堿基和氨基酸殘基，為分子行為和相互作用提供了寶貴的見解。

《納米尺度進展》雜志最近發(fā)表的一篇綜述報道了利用DNA折紙技術制作納米腔，可以放大單個分子的拉曼散射信號。這項被稱為表面增強拉曼散射 (SERS) 的技術，使得在單分子水平上研究分子相互作用成為可能，這對于理解復雜的生化過程至關重要。

光發(fā)射增強

DNA折紙技術也被用于增強各種光子器件的光發(fā)射。研究人員通過策略性地將染料分子以精確的距離放置在DNA折紙結構上，設計出了高效的發(fā)光系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可用于有機發(fā)光二極管 (OLED) 和其他光電器件。分子的精確排列確保了最佳的能量傳輸和光發(fā)射，從而提高了這些器件的性能。

例如，發(fā)表在《物理化學雜志C》上的一項研究展示了利用DNA折紙技術將染料分子以特定模式組織起來，從而改善熒光特性。該方法可用于創(chuàng)建用于顯示器、傳感器和其他光子應用的高效光源。

量子點和熒光團集成

另一項重大進展是將量子點和有機熒光團與DNA折紙技術相結合。這些納米結構可以精確定位在折紙模板內，從而有助于構建復雜的光子系統(tǒng)。此類系統(tǒng)在量子計算領域具有應用前景，因為在納米尺度上控制光的發(fā)射和吸收至關重要。能夠以納米精度定位單光子發(fā)射器，有助于開發(fā)高效的量子點和其他納米光子器件。

此外，科學家們正在利用DNA折紙技術開發(fā)納米級量子點陣列。由于量子點的精確定位，這些陣列表現(xiàn)出更佳的光致發(fā)光特性，最大限度地減少了能量損失，并最大限度地提高了光輸出。這一進展對量子光子器件的發(fā)展具有重要意義，因為量子光子器件需要精確控制光與物質的相互作用。

基于DNA折紙的等離子體

等離子體學研究的是金屬中電磁場與自由電子之間的相互作用。DNA折紙技術已被用于制造能夠在納米尺度上操控光的等離子體納米結構。通過在折紙模板上精確排列金屬納米粒子，研究人員設計出能夠增強光與物質相互作用的結構，從而改進傳感器和其他光學器件的性能。

最近的研究表明，DNA折紙可用于創(chuàng)建等離子體波導，這種波導能夠以最小的損耗引導光線。這些波導可應用于光通信和集成光子電路。此外，基于DNA折紙的等離子體結構可用于制造高接收靈敏度的生物傳感器，用于識別低濃度的生物分子。

《科學進展》雜志最近發(fā)表的一項研究展示了利用DNA折紙技術將金納米粒子定位到蝴蝶結狀天線中。這些天線被用來產生等離子體熱點，從而顯著增強了納米腔內分子的拉曼散射信號。該方法能夠高靈敏度地識別分子振動，為生化傳感和分子診斷帶來了新的機遇。

光子晶體結構

近期研究已證明，利用DNA折紙技術可以高精度地組裝光子晶體結構。通過將基于DNA的四足體排列成類似金剛石的晶格，這些結構展現(xiàn)出卓越的光學特性。對晶體生長和結構的精確控制，可以生成性能優(yōu)異的光子晶體，可用于波導和傳感器等各種光學應用。

《科學》雜志最近發(fā)表了一篇論文，描述了利用DNA折紙技術創(chuàng)建鉆石晶格光子晶體。這些晶體呈現(xiàn)出清晰的刻面和邊緣，其光學特性與傳統(tǒng)方法相比顯著增強。生產這種高質量光子晶體的能力，為開發(fā)性能卓越的先進光學器件開辟了新的機遇。

挑戰(zhàn)與局限性

盡管DNA折紙技術在光子學領域取得了顯著進展并擁有廣闊的應用前景，但仍存在諸多挑戰(zhàn)。必須克服這些挑戰(zhàn)，才能充分實現(xiàn)基于DNA折紙的光子器件的實際應用和商業(yè)可行性。

DNA結構在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性是一個主要問題。酶和刺激性化學物質會降解DNA分子，從而限制了基于DNA折紙的光子學器件的實際應用。

此外，該技術的可擴展性也面臨挑戰(zhàn)。雖然DNA折紙技術能夠實現(xiàn)納米結構的精確組裝，但大規(guī)模生產用于工業(yè)用途卻十分困難。這一困難源于自組裝過程的復雜性以及對DNA鏈折疊精確控制的要求。

此外，將 DNA 折紙技術與光刻等成熟的光子制造方法相結合需要進行優(yōu)化以確保兼容性。此外，在體內應用或工業(yè)環(huán)境等操作環(huán)境中實現(xiàn)折紙結構的長期穩(wěn)定性對于實際部署至關重要。

未來展望與結論

隨著研究人員不斷攻克當前挑戰(zhàn)并拓展其應用，DNA折紙技術在光子學領域的前景一片光明。DNA結構化學穩(wěn)定性的增強以及大規(guī)模生產技術的進步，將提升基于DNA折紙的光子器件的實際應用。

此外，研究人員正在探索將DNA折紙技術與集成光子學和量子信息處理等新興光子技術相結合的創(chuàng)新方法。該技術提供的精確控制對于開發(fā)性能卓越、功能強大的下一代光子器件至關重要。

總而言之，DNA折紙技術已成為光子學領域的一個強大工具，能夠精確組裝具有廣泛應用的復雜納米結構。從增強光電器件的光發(fā)射到實現(xiàn)單分子光譜，這項技術極大地革新了光子學。盡管存在諸多挑戰(zhàn)，但持續(xù)的研究和技術進步在未來仍具有巨大的潛力，為利用DNA折紙獨特功能的創(chuàng)新光子器件鋪平了道路。