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        “見微知著,睹始知終”:在水滴中發現激光機理將促進對界面力的理解

          江蘇激光聯盟導讀:來自南洋理工大學的研究人員及其合作者揭示了液滴——固體界面處背后的液滴激光的機理,并探究了分子間作用力的相互關聯的情況。

          液滴在生物化學和物理研究中為我們提供了大量的研究機會,這是因為以液滴為基礎的微激光在過去的幾十年里扮演者非常重要的角色。而最近興起的液滴激光則展示了這一技術在空穴中放大微妙的分子變化的研究中所起到的強大的作用,但液滴諧振器和界面之間的光學作用依然不清楚。來自南洋理工大學的研究人員及其合作者揭示了液滴——固體界面處背后的液滴激光的機理,并探究了分子間作用力的相互關聯的情況。一個垂直方向的振動模型——弧形的模型——被發現,此處激光模型的數量和他們的Q-因數隨著界面的疏水程度的強度的增加而增加。實驗研究和理論分析結果均表明,通過潤濕角所表征的疏水程度和界面的拉伸力在液滴空穴的形狀上具有重要的作用,對激光模型的特征的作用也是如此。最后,研究人員為大家展示了蛋白質和肽所誘導的這一微小的力如何強烈的在液滴諧振器中調制激光的輸出。研究人員的這一成果展示了探索光學諧振器來放大分子間力變化的潛力,為充分和深入理解界面的激光作用的調制和在生物物理上的應用奠定了基礎。

          

          水滴的接觸角隨著激光發射增加的示意圖

          液滴表面的微小的分子力在激光輸出發射方面扮演著非常重要的角色。作為我們生活中的一個非常重要的組成,通過生物分子和有機體的相互作用,水驅動著大量的非常重要的生物活動。研究同水相關的相互作用的機理對理解生物化學過程非常重要。依據來自南洋理工大學的電子工程學教授 Yu-Cheng Chen的研究結果,當水同表面相互作用的時候,在生物界面的疏水性主要決定著水的機械平衡。在界面的疏水分子可以作為監控微小的生物分子的相互作用和動力學的基礎。

          水滴已經被用來形成生物微激光,利用該微激光來研究水的內在的能力來限制光進行最小程度的散射。液滴激光得益于在微腔中的激光振動,因此被增益或腔體放大所帶來的任意微小的變化,就會導致激光發射特征的顯著的變化。而當液滴激光變成生物化學和/物理研究和生物醫學應用的尖端平臺的時候,液滴諧振器之間的光學相互作用和界面依然處于未知的狀態。

          

          圖解:(a) 液滴激光呈現弧狀模型的示意圖。一個分子層沉積在鏡子和液滴之間,液滴—固體界面之間的張力,固態表面張力,以及液滴表面張力決定著接觸角。(b) 弧狀的振動路徑(頂部)和弧狀模型(底部)在不同接觸角時的模擬的電場分布。(c) 左邊圖: 在變化潤濕角的時候液滴的側視圖。右圖: 在涌出后的液滴的光學圖片。藍色的盒子,激光發射的區域。(d) 在不同界面張力的作用下液滴諧振器的光學譜線。(e) 接觸角和光譜整合激光輸出隨不同牛血清白蛋白在液滴條件下的生物分子濃度的變化

          正如在期刊《Advanced Photonics》上所報道的,來自南洋理工大學的Yu-Cheng Chen團隊的在最近發現,當液滴同表面相互作用形成一個接觸角的時候,界面處的分子力決定著液滴諧振器的形狀。在界面處的顯著的機械力的變化對液滴諧振器的光學振動起到至關重要的作用。

          Chen的團隊發現了液滴諧振器的振動機理,即激光沿著液滴—空氣界面在垂直平面上產生共鳴。Chen的團隊發現,這一垂直方向的彩虹一樣的或弧形一樣的激光模型來回在兩個液滴界面的終端反射,形成一個獨特的和極端強烈的激光發射。團隊還發現,不同于常見的回音壁模式(whispering-gallery mode (WGM)),這一新發現的激光機理對界面的分子力更加敏感。依據Chen的研究結果,這一弧形的激光發射會隨著界面疏水性的增加而顯著的增加,與此同時,潤濕角的作用也是如此。

          為了尋找解釋這一調制現象背后的機理,Chen的團隊同時找到了新的激光模型的質量因數隨著液滴潤濕角的增加而顯著增加。激光模型在液滴中的振動途徑的數量顯著的增加,與此同時,這兩個因數決定著界面分子力的強度對激光發射的影響,Chen說到。

          基于他們的研究發現,Chen的團隊探索了應用液滴激光來記錄在生物界面的機械力的變化的可行性。正如所期待的那樣,他們發現界面生物分子力的微小變化,被非常低的生物分子的濃度所誘導,如肽或蛋白質,可以被液滴激光的激光發射所記錄。

          

          在生物界面的分子之間的激光發射的調制

          依據Chen的研究成果,這一工作顯示出在液滴諧振器的一個非常重要的調制機理和表明在探究光學諧振器來放大分子間力變化的潛力。激光機理的研究為使用微型激光來研究生物機械的相互作用和界面物理的研究開辟了一個新的有前途的路徑。正如液滴激光會提供一個研究在界面處的分子間的物理相互作用的平臺,他們可以在研究疏水性的相互作用上非常有幫助,這在大量的物理動力學和生物學系統中是非常重要的。

          文章來源:Zhen Qiao, Xuerui Gong, Peng Guan, Zhiyi Yuan, Shilun Feng, Yiyu Zhang, Munho Kim, Guo-En Chang, and Yu-Cheng Chen "Lasing action in microdroplets modulated by inte ** cial molecular forces," Advanced Photonics 3(1), 016003 (27 January 2021).

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