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可用于记录生物界面机械变化的水滴激射机理

发布时间: 2021-02-08 14:28:50   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

水滴表面的微小分子力可在激光输出发射中发挥重要作用。作为生命的最基本基质,水通过与生物分子和生物体的相互作用来驱动众多必不可少的生物活动。研究水相互作用的机械作用有助于理解生化过程。新加坡南洋理工大学(NTU)电子工程教授陈宇成表示:“由于水与表面相互作用,生物界面的疏水性主要决定了水的机械平衡。界面上的分子疏水性起到监测微妙的生物分子相互作用和动力学基础的作用。”

水滴已用于形成生物微激光器,该微激光器利用水的固有能力以最小的散射来限制光。液滴激光器受益于微腔中的激光振荡,因此可以放大由增益介质或腔引起的任何细微变化,从而导致激光发射特性发生巨大变化。尽管液滴激光已成为生化/物理研究和生物医学应用中的前沿平台,但液滴谐振器与界面之间的光学相互作用仍然未知。该团队最近发现,当水滴与表面相互作用以形成接触角时,界面分子力决定了液滴谐振器的几何形状。界面处的剧烈机械变化在液滴谐振器的光学振荡中起着重要作用。

该小组发现了液滴共振器的振荡机制,其中激光沿着垂直平面中的液滴-空气界面共振。陈指出,这种垂直定向的“彩虹状”或“弧状”激光发射模式在液滴界面的两端之间来回反射,形成了独特且非常强的激光发射。该团队注意到,与常见的Wispering-gallery mode(WGM)不同,这种新发现的激射机制对界面分子力更为敏感。陈说:“这种弧形模式的激光发射会随着界面疏水性以及液滴接触角的增加而急剧增加。”为了解释这种调制现象,该团队还发现,随着液滴接触角的增加,新的激光模式的品质因数也显着提高。并且,液滴中的激光模式的振荡路径的数量急剧增加。陈说:“这两个因素共同决定了激光发射的增强和界面分子力的增强。”基于该发现,他们探索了使用液滴激光记录生物界面机械变化的可能性。如预期的那样,他们发现液滴激光的激光发射可以记录由非常低浓度的生物分子(如肽或蛋白质)引起的界面生物分子力的微小变化。据陈说,“这项工作展示了液滴谐振器中的重要调制机制,并展示了利用光学谐振器放大分子间力变化的潜力。”激射机理的研究为使用微激光研究生物力学相互作用和界面物理开辟了新的前景。由于液滴激光可以为研究界面处的分子间物理相互作用提供新的平台,因此它们对于检查疏水相互作用特别有用,疏水相互作用在众多物理动力学和生物系统中起着至关重要的作用。

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