Синтез і властивості SiO2 фотонних кристалів, модифікованих ДНК
Анотація
Актуальність. Фотонними кристалами називають структури, яким властиві періодичні модуляції коефіцієнта заломлення з періодом, співмірним з довжиною світлової хвилі. З наявністю цієї періодичності пов’язане існування повної забороненої зони в спектрі власних електромагнітних станів кристалу. Стоп-зоною називають заборонену зону для виділеного напрямку в кристалі. Особливий інтерес становлять тривимірні фотонні кристали, які складаються з глобул однакового діаметру. Такі структури називають глобулярними фотонними кристалами. Наявність в фотонному кристалі пор між глобулами дозволяє змінювати показник оптичного контрасту матеріалу. Задача керування положенням забороненої зони глобулярного фотонного кристалу без зміни його фізичної структури становить практичний інтерес. Найпростішим способом керування параметрами забороненої зони є заповнення пор фотонних кристалів матеріалами з різними показниками заломлення, наприклад, ДНК. Керування оптичними параметрами глобулярного фотонного кристалу може бути використано для створення оптичних детекторів, сенсорів, тест-систем, квантового біокомп’ютера, а також аналізу та вивчення конформаційного стану ДНК.
Мета роботи. Метою роботи є створення SiO2 глобулярних фотонних кристалів, модифікованих ДНК, та вивчення впливу ДНК на їх оптичні властивості.
Матеріали і методи. Для синтезу SiO2 фотонних кристалів використовувався спирт етиловий, дистильована вода, гідроксид амонію, тетраетоксисилан, ДНК. Було застосовано оптичну спектроскопію видимого діапазону для експериментальних досліджень та математичний пакет — метод моделювання скінченних різниць в часовій області (FDTD) — для чисельних розрахунків.
Результати. Було синтезовано SiO2 глобулярні фотонні кристали, модифіковані ДНК, з діаметром глобул 195 нм. Виміряно спектри відбивання одержаних фотонних кристалів. Показано зсув в червону область максимуму стоп-зони фотонних кристалів при наявності в них молекул ДНК. Проведено розрахунки розподілу електричного поля в структурі фотонного кристалу з діаметрами глобул 200 нм.
Выводы. Расчеты методом FDTD в линейном режиме показывают, что присутствие в структуре фотонного кристалла точечных дефектов влияет на усиление локального электрического поля в межглобулярном пространстве фотонного кристалла, в котором располагается молекула ДНК при инфильтрации. Инфильтрация ДНК в SiO2 фотонный кристалл приводит к изменению эффективного показателя преломления системы на 5,99 %. Синтез SiO2 фотонного кристалла с ДНК приводит к образованию более упорядоченной структуры фотонного кристалла на макроуровне. Таким образом, ДНК может быть своеобразным темплейтом при создании фотонного кристалла. При этом эффективный показатель преломления системы увеличивается на 6,01 %.
Завантаження
Посилання
Yablonovitch E, Gmitter TJ, Leung K-M. Photonic band structure: The face-centered-cubic case employing nonspherical atoms. Phys Rev Let. 1991 Oct 21; 67(17):2295–2298. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.67.2295
Joannopoulos JD, Johnson SG, Winn JN, Meade RD. Photonic crystals. Molding the flow of light. 2nd ed. Princeton: Princeton University Press; 2008. 288 р. https://doi.org/10.2307/j.ctvcm4gz9
John S. Localization of light in disordered and periodic dielectrics. NATO ASI Series B. 1995;340:523–584. https://doi.org/10.1007/978-1-4615-1963-8_18
Sakoda К. Optical properties of photonic crystals. Berlin: Springer; 2005. 253 р. https://doi.org/10.1007/b138376
Mayoral R, Requena J, Moya SJ, López C, Cintas A, Míguez H, et al. 3D Long-range ordering in ein SiO2 submicrometer-sphere sintered superstructure. Adv Mater. 1997,9(3):257–260. https://doi.org/10.1002/adma.19970090318
Wijnhoven JEGJ, Vos WL. Preparation of Photonic Crystals Made of Air Spheres in Titania. Science. 1998 Aug 07;281(5378):802–804. https://doi.org/10.1126/science.281.5378.802
Yu J, Lei J, Wang L, Zhang J, Liu Y. TiO2 inverse opal photonic crystals: Synthesis, modification, and applications — A review. J of Alloys and Compounds. 2018 Jul 31;769:740–757. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.07.357
Busch K., John S. Liquid-Crystal Photonic-Band-Gap Materials: The Tunable Electromagnetic Vacuum. Phys Rev Lett. 1999 Aug 02;83(5):967–970. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.967
Blanco A, Chomski E, Grabtchak S, Ibisate M, John S, Leonard SW, et al. Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5 micrometres. Nature. 2000 May 25;405:437–440. https://doi.org/10.1038/35013024
Yang L, Carmon T, Min B, Spillane SM, Vahala KJ. Erbium-doped and Raman microlasers on a silicon chip fabricated by the sol-gel process. Appl Phys Lett. 2005;86(9):091114. https://doi.org/10.1063/1.1873043
Vlasov YuA, Astratov VN, Baryshev AV, Kaplyanskii AA, Karimov OZ, Limonov MF. Manifestation of intrinsic defects in optical properties of self-organized opal photonic crystals. Phys Rev E. 2000 May 1;61(5):5784. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.61.5784
Boiko VV, Romanyuk VR, Gnatyuk OP, Ilchenko OO, Karakhim SO, Korovin AV, et al. Vibrational spectra of DNA in the confined interglobular volume of photonic crystal. J Biol Phys. 2018 Feb 20;44(1):101–116. https://doi.org/10.1007/s10867-018-9480-0
Severin I., Boiko V., Moiseyenko V., Olenchuk M., Goushcha A., Barillé R., et al. Optical properties of graphene oxide coupled with 3D opal based photonic crystal. Optical Materials. 2018;86:326–330. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.10.014
Arnaud C, Boustimi M, Brenci M, Feron P, Ferrari M, Nunzi-Conti G, et al. Microsphere laser in Er3+-doped oxide glasses. Proc. SPIE. 2004 Oct 21;5622:315–320. https://doi.org/10.1117/12.589474
Hoi PV, Ha CTT, Hung HQ. Long-band emission of microsphere lasers based on erbium-doped sol-gel silica-alumina glasses. Appl Phys Lett. 2005 Oct 14;87(16):161110 1–3. https://doi.org/10.1063/1.2089186
Yang Y, Gao MY. Preparation of Fluorescent SiO2 Particles with Single CdTe Nanocrystal Cores by the Reverse Microemulsion Method. Adv Mat. 2005 Aug 16;17(19):2354–2357. https://doi.org/10.1002/adma.200500403
Teng Z, Li J, Yan F, Zhao R, Yang W. Highly magnetizable superparamagnetic iron oxide nanoparticles embedded mesoporous silica spheres and their application for efficient recovery of DNA from agarose gel. J Mater Chem. 2009 Feb 09;19:1811–1815. https://doi.org/10.1039/B812367E
Stöber W, Fink A, Bohn E. Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range. J Colloid Interface Sci. 1968;26(1):62–69. https://doi.org/10.1016/0021-9797(68)90272-5
Lumerical Computational Solutions. Lumerical Inc. [Internet] Available from: https://www.lumerical.com/products/fdtd/
Fudouzi H. Fabricating high-quality opal films with uniform structure over a large area. Journal of Colloid and Interface Science. 2004 Feb 27;275(1):277–283. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.01.054
Zhokhlov AA, Masalov VM, Sukhinina NS, Matveev DV, Dolganov PV, Dolganov VK, at al. Photonic crystal microspheres. Optical Materials. 2015;49:208–212. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2015.09.019
Refractive index. Info. [Internet]. Refractive Index Database [Retrieved June 20, 2018]. Available from: https://refractiveindex.info/?shelf=glass&book=fused_silica&page=Malitson
García PD, Sapienza R, Toninelli C, López C, Wiersma DS. Photonic crystals with controlled disorder. Physical Review A. 2011;84(2):023813–023821. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.84.023813
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
