脱氧核糖核酸（DNA）折纸技术涉及将长链DNA折叠成精确的形状，并已彻底改变了包括光子学在内的多个领域。该技术在纳米尺度上提供了卓越的控制能力，能够构建复杂的纳米结构，其应用范围涵盖量子计算和生物医学成像。研究人员利用DNA的独特特性开发了复杂的光子器件。

本文探讨了光子学中 DNA 折纸的演变、其操作背后的原理、其变革性影响以及当前面临的挑战。

DNA折纸是如何工作的？

在DNA折纸技术中，较长的单链DNA分子利用短的互补链（称为“订书钉”）折叠成特定形状。这些“订书钉”结合到DNA的特定位点，迫使其折叠成所需的结构。这种自组装过程允许精确的纳米级控制，从而有助于以纳米精度定位荧光分子、纳米颗粒和量子点等功能元件。

在光子学中，DNA折纸技术可以作为组织和操控发光分子及其他光子元件的框架。通过以精确的距离和角度排列这些元件，该技术可以增强光与物质的相互作用，优化能量传输，并提升光子器件的性能。例如，DNA折纸技术可以将染料分子紧密排列，从而实现高效的能量传输和光发射。

DNA折纸在光子学中的演化

DNA折纸的概念由加州理工学院（Caltech）的保罗·罗瑟蒙德（Paul Rothemund）于2006年提出。最初，该技术主要用于结构生物学领域，用于塑造纳米级的形状和图案。随着时间的推移，研究人员意识到它在光子学领域的潜力，尤其是在精确定位和组织发光分子和纳米结构方面。

早期的研究集中于将DNA折纸与光子晶体腔（PCC，一种光学谐振器）相结合。这种集成有助于荧光分子在PCC内的精确定位，从而增强其发光特性。能够调节腔内发射器的位置和数量是一项重大进展，解决了以往在可重复性和精度方面的挑战。

DNA折纸和单分子光谱

在光子学领域，DNA折纸技术彻底改变了单分子光谱学。科学家利用这项技术创建了等离子体纳米腔，从而增强了纳米尺度的光场。这些纳米腔是由金纳米粒子排列在DNA折纸模板上形成的，能够以前所未有的细节研究单分子相互作用。该方法已用于检测单个DNA碱基和氨基酸残基，为分子行为和相互作用提供了宝贵的见解。

《纳米尺度进展》杂志最近发表的一篇综述报道了利用DNA折纸技术制作纳米腔，可以放大单个分子的拉曼散射信号。这项被称为表面增强拉曼散射 (SERS) 的技术，使得在单分子水平上研究分子相互作用成为可能，这对于理解复杂的生化过程至关重要。

光发射增强

DNA折纸技术也被用于增强各种光子器件的光发射。研究人员通过策略性地将染料分子以精确的距离放置在DNA折纸结构上，设计出了高效的发光系统。这些系统可用于有机发光二极管 (OLED) 和其他光电器件。分子的精确排列确保了最佳的能量传输和光发射，从而提高了这些器件的性能。

例如，发表在《物理化学杂志C》上的一项研究展示了利用DNA折纸技术将染料分子以特定模式组织起来，从而改善荧光特性。该方法可用于创建用于显示器、传感器和其他光子应用的高效光源。

量子点和荧光团集成

另一项重大进展是将量子点和有机荧光团与DNA折纸技术相结合。这些纳米结构可以精确定位在折纸模板内，从而有助于构建复杂的光子系统。此类系统在量子计算领域具有应用前景，因为在纳米尺度上控制光的发射和吸收至关重要。能够以纳米精度定位单光子发射器，有助于开发高效的量子点和其他纳米光子器件。

此外，科学家们正在利用DNA折纸技术开发纳米级量子点阵列。由于量子点的精确定位，这些阵列表现出更佳的光致发光特性，最大限度地减少了能量损失，并最大限度地提高了光输出。这一进展对量子光子器件的发展具有重要意义，因为量子光子器件需要精确控制光与物质的相互作用。

基于DNA折纸的等离子体

等离子体学研究的是金属中电磁场与自由电子之间的相互作用。DNA折纸技术已被用于制造能够在纳米尺度上操控光的等离子体纳米结构。通过在折纸模板上精确排列金属纳米粒子，研究人员设计出能够增强光与物质相互作用的结构，从而改进传感器和其他光学器件的性能。

最近的研究表明，DNA折纸可用于创建等离子体波导，这种波导能够以最小的损耗引导光线。这些波导可应用于光通信和集成光子电路。此外，基于DNA折纸的等离子体结构可用于制造高接收灵敏度的生物传感器，用于识别低浓度的生物分子。

《科学进展》杂志最近发表的一项研究展示了利用DNA折纸技术将金纳米粒子定位到蝴蝶结状天线中。这些天线被用来产生等离子体热点，从而显著增强了纳米腔内分子的拉曼散射信号。该方法能够高灵敏度地识别分子振动，为生化传感和分子诊断带来了新的机遇。

光子晶体结构

近期研究已证明，利用DNA折纸技术可以高精度地组装光子晶体结构。通过将基于DNA的四足体排列成类似金刚石的晶格，这些结构展现出卓越的光学特性。对晶体生长和结构的精确控制，可以生成性能优异的光子晶体，可用于波导和传感器等各种光学应用。

《科学》杂志最近发表了一篇论文，描述了利用DNA折纸技术创建钻石晶格光子晶体。这些晶体呈现出清晰的刻面和边缘，其光学特性与传统方法相比显著增强。生产这种高质量光子晶体的能力，为开发性能卓越的先进光学器件开辟了新的机遇。

挑战与局限性

尽管DNA折纸技术在光子学领域取得了显著进展并拥有广阔的应用前景，但仍存在诸多挑战。必须克服这些挑战，才能充分实现基于DNA折纸的光子器件的实际应用和商业可行性。

DNA结构在不同环境条件下的稳定性是一个主要问题。酶和刺激性化学物质会降解DNA分子，从而限制了基于DNA折纸的光子学器件的实际应用。

此外，该技术的可扩展性也面临挑战。虽然DNA折纸技术能够实现纳米结构的精确组装，但大规模生产用于工业用途却十分困难。这一困难源于自组装过程的复杂性以及对DNA链折叠精确控制的要求。

此外，将 DNA 折纸技术与光刻等成熟的光子制造方法相结合需要进行优化以确保兼容性。此外，在体内应用或工业环境等操作环境中实现折纸结构的长期稳定性对于实际部署至关重要。

未来展望与结论

随着研究人员不断攻克当前挑战并拓展其应用，DNA折纸技术在光子学领域的前景一片光明。DNA结构化学稳定性的增强以及大规模生产技术的进步，将提升基于DNA折纸的光子器件的实际应用。

此外，研究人员正在探索将DNA折纸技术与集成光子学和量子信息处理等新兴光子技术相结合的创新方法。该技术提供的精确控制对于开发性能卓越、功能强大的下一代光子器件至关重要。

总而言之，DNA折纸技术已成为光子学领域的一个强大工具，能够精确组装具有广泛应用的复杂纳米结构。从增强光电器件的光发射到实现单分子光谱，这项技术极大地革新了光子学。尽管存在诸多挑战，但持续的研究和技术进步在未来仍具有巨大的潜力，为利用DNA折纸独特功能的创新光子器件铺平了道路。