DNA微納光纖的制備及其光學(xué)特性研究.pdf

1、生物材料本身所具有的生物兼容性和生物可降解性等特殊材料性質(zhì)使得其在材料領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，尤其是在生物醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域。其中，DNA(deoxyribonucleic acid)作為遺傳信息的載體存在于幾乎所有高等生物體內(nèi)，具有高度穩(wěn)定的雙螺旋結(jié)構(gòu)賦予了DNA高度的遺傳穩(wěn)定性和特殊的光電材料特性，該特性廣泛應(yīng)用于遺傳信息、微生物病原、病毒性疾病和轉(zhuǎn)基因食品的光電檢測，也使得DNA復(fù)合材料具有獨特的光電特性，如作為轉(zhuǎn)基因載體的DNA-CTMA(

2、十六烷基三甲基胺，cetyltrimethyl ammonium)材料，并賦予這些器件獨特的光電特性，如DNA-CTMA材料制造的BioLEDs(bio-organiclight-emitting diodes)、激光器和OFET(organic field-effect transistors)等光器件。其中，用DNA材料制造的OLEDs的綠光發(fā)光亮度是對照器件的三十多倍，其器件流明效率達(dá)到了對照器件的三倍，這使得各種基于DNA材料的

3、光電器件研究如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)。雖然研究人員對DNA材料的機(jī)理進(jìn)行了分析，由于DNA材料在光電領(lǐng)域的研究時間較短，其作用機(jī)理還未完全闡明。此外，本論文作者的生物信息學(xué)背景，使得作者較為容易了解DNA熒光分子相關(guān)進(jìn)展，并嘗試以跨學(xué)科的方式，將生物學(xué)分析方法應(yīng)用于電子器件的材料光學(xué)特性分析。基于以上原因，本論文嘗試從DNA材料分子結(jié)構(gòu)和分子功能的角度，結(jié)合實驗室的在波導(dǎo)光學(xué)，尤其是微納米波導(dǎo)的研究優(yōu)勢，分別對DNA-CTMA的材料制備、D

4、NA-CTMA微米光纖及其器件的制備、基于熒光能量共振轉(zhuǎn)移(fluorescenceresonance energy transfer，F(xiàn)RET)的追蹤光子在DNA-CTMA納米波導(dǎo)中的傳輸，OLEDs發(fā)光特性中的DNA-CTMA材料機(jī)理等進(jìn)行了深入研究。在此過程中發(fā)現(xiàn)并證實了DNA-CTMA光電材料作用的分子機(jī)理:DNA光纖（波導(dǎo)）中的DNA-CTMA分子是一種分子波導(dǎo)。
　　本論文的主要研究內(nèi)容如下:
　　1.DNA納米

5、材料的制備
　　DNA-CTMA材料是本論文的研究基礎(chǔ)，制備DNA-CTMA納米光纖需要高純度DNA-CTMA材料。由于無商用DNA-CTMA材料，其挑戰(zhàn)性在于在相關(guān)化學(xué)反應(yīng)條件不具備的情況下制備DNA-CTMA材料，并對其進(jìn)行純化，實現(xiàn)制備納米光纖的高純度DNA材料。
　　初次制備的DNA材料純度較差，通過不斷改進(jìn)工藝中的每一個步驟，如摸索優(yōu)化DNA的溶液與CTMA溶液的反應(yīng)比例，制備了純度符合要求的DNA復(fù)合材料。在逐步

6、改善工藝的同時，通過逐步降低DNA材料過濾膜的孔徑，實現(xiàn)了高純度DNA的制備，從而為后續(xù)DNA-CTMA微納米光纖的制備奠定了基礎(chǔ)。
　　2.DNA微米光纖的制備與工藝優(yōu)化、光纖的表征和光學(xué)特性研究
　　DNA微米光纖的制備是本論文的關(guān)鍵技術(shù)之一，此前還未曾有DNA光纖的報道。由于DNA-CTMA分子的支鏈分子CTMA長度較短，使得D NA-CTMA的異丁醇溶液沒有其他大分子如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl meth

7、acrylate，PMMA)那樣的粘性，這增加了制各DNA微納米光纖的難度。通過不斷改善DNA-CTMA復(fù)合物溶劑的物理化學(xué)特性，參考類似的有機(jī)材料的微米光纖制備方法，在優(yōu)化DNA-CTMA的濃度和制備條件的基礎(chǔ)上，改變DNA光纖的制備方法，通過不斷的摸索，最終制備出了DNA微米光纖。在初次制備的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)制備條件和優(yōu)化制各工具等方式實現(xiàn)了制備工藝的優(yōu)化，使制備的DNA微米光纖具備良好的傳光性能，對DNA微米光纖進(jìn)行了材料特性表征

8、。
　　3.DNA微米光纖器件及其光傳輸特性
　　通過理論計算與分析，簡化了DNA微米光纖與石英光纖光錐的耦合模型并仿真，建立最佳耦合匹配模式，以此指導(dǎo)實驗;在實驗上優(yōu)化光纖光錐的制備以及光纖光錐與DNA微米光纖的耦合;結(jié)合DNA微米光纖材料特性，實現(xiàn)了DNA微米光纖與光纖光錐以較低損耗形式的耦合，制備了低插入損耗的DNA微米光纖器件。測量結(jié)果表明，所制備的DNA微米光纖微環(huán)具有傳輸損耗小、諧振好等特點。理論計算和實驗結(jié)果結(jié)

9、合使得制備的器件具有良好的匹配性，證實了理論的有效性。
　　DNA材料的發(fā)光增強(qiáng)特性眾所周知，本論文通過比較同種染料的相同摻雜濃度的DNA微米光纖和PMMA微米光纖，實驗上證實了制備的DNA材料具有發(fā)光增強(qiáng)特性，為下一步研究DNA納米光纖及其器件的光學(xué)特性、納米光纖和光纖光錐的耦合和摻雜納米光纖的光致發(fā)光奠定了基礎(chǔ)。
　　4.DNA納米光纖與器件的制備及器件的光學(xué)特性研究
　　在制備DNA微米光纖的基礎(chǔ)上，通過采用50

10、納米過濾膜代替200微米過濾膜等方式優(yōu)化實驗條件，對DNA光纖其他制備條件的精準(zhǔn)控制，制備了DNA納米光纖。結(jié)合掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)對尺寸進(jìn)行確認(rèn)，經(jīng)過不斷總結(jié)改進(jìn)，完善了DNA納米光纖的制備工藝。通過結(jié)合透射電子顯微鏡（transmission electron microscope，TEM）和原子力顯微鏡(atomic forcemicroscope，AFM)對制備的DN

11、A納米光纖進(jìn)行了相關(guān)材料特性表征。
　　在前期研究基礎(chǔ)上，將DNA納米光纖與光纖納米光錐進(jìn)行耦合，制備了納米光纖器件。通過對DNA納米光纖與光纖納米光錐的耦合理論分析，測量了納米光纖器件的諧振光譜特性，應(yīng)用光纖測損儀對DNA納米光纖器件進(jìn)行了測試，分別測試了rhodamine6G(R6G)摻雜的DNA光纖器件和純DNA納米光纖器件的插入和傳輸損耗(loss)、群延時(group delay，GD)和色度色散(chromaticdi

12、spersion，CD)等特性，并以此計算了DNA材料的CD特性。
　　5.DNA分子波導(dǎo)的光子傳輸研究
　　DNA材料發(fā)光增強(qiáng)特性已眾所皆知，但DNA材料發(fā)光增強(qiáng)的物理或者分子機(jī)理并未闡明。在前期探索染料摻雜DNA光纖光致發(fā)光基礎(chǔ)上，我們對DNA納米光纖的R6G摻雜的光致發(fā)光特性進(jìn)行了測試，得出了一些實驗結(jié)果。通過與R6G摻雜的PMMA光纖的光致發(fā)光測試結(jié)果對比分析，發(fā)現(xiàn)了DNA材料與PMMA材料的光致發(fā)光差別與DNA的分

13、子結(jié)構(gòu)相關(guān)，實驗結(jié)果證實光子是通過DNA分子進(jìn)行傳輸?shù)摹?br>　　在R6G摻雜DNA光纖光致發(fā)光實驗的基礎(chǔ)上，本研究進(jìn)一步探索了DNA材料發(fā)光特性。在研究中采用了分子生物學(xué)研究常用的熒光能量共振轉(zhuǎn)移（FRET）方法，高精度解析分子內(nèi)部基團(tuán)距離和位置動態(tài)變化情況。在對光譜進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，選用三種與DNA有不同方式作用的染料，構(gòu)建具有三級能級級聯(lián)的FRET的摻雜染料。通過分析級聯(lián)摻雜染料的光致發(fā)光現(xiàn)象和DNA納米光纖中光子的傳輸現(xiàn)象