南洋理工大学：用于信息编码和防伪的酶可编程海藻酸微凝胶激光器

微尺度激光发射由于其特征丰富的光谱和对周围环境的高灵敏度而成为一种很有前途的信息编码和防伪方法。与人造材料相比，天然响应生物材料能够实现更高水平的复杂性和通用的光学响应定制方法。然而，用生物分子精确控制激光波长和空间位置仍然是一个巨大的挑战。

最近，科研人员开发了一种生物可编程激光器，其中激光可以通过纳米级的生物分子活动进行操纵。通过利用法布里-珀罗微腔中酶响应水凝胶液滴的溶胀特性，实现了可调激光波长。实验和理论手段都表明，水凝胶液滴的内部 3D 网络结构和外部曲率导致不同的激光阈值和共振波长。最后，在不同的可扩展性和环境下展示了喷墨打印的多波长激光编码和防伪。高光谱激光图像被用作提高安全级别的高级功能。生物编码激光将为生物合成和生物可编程激光设备的发展提供新的见解，为安全通信和智能传感提供新的机会。

图 1. (a) 通过将酶响应水凝胶液滴夹在由两个镜子形成的 FP 腔中的生物控制水凝胶激光示意图。(b) 使用水凝胶阵列实现激光编码的示意图。(c) 原始液滴的激光光谱。(d) 膨胀水凝胶液滴的激光光谱。

图 2. (a) 加入海藻酸裂解酶前后水凝胶内网结构降解示意图。(b-c) 顶部：(d-e)不同反应时间 (d) 和不同酶浓度 (e) 下激光波长偏移的示意图。(f)不同反应时间后从膨胀的水凝胶液滴记录的标准化激光光谱； （g）从不同酶浓度下膨胀的水凝胶液滴记录的归一化激光光谱。(h) 在不同反应时间下记录的激光波长的统计。(i) 在不同反应酶浓度下记录的激光波长的统计数据。

图 3. (a) 水凝胶液滴接触角与其相应直径的函数关系 (b) FP 腔内具有不同形态的水凝胶液滴的计算电场分布。(d) 计算了由不同浓度的藻酸盐裂解酶定制的水凝胶液滴所需的种群反转。(e) 光谱积分输出强度作为来自由藻酸盐裂解酶定制的水凝胶液滴在相应浓度下的泵浦能量密度的函数。(f) 每种酶浓度下 10 个水凝胶液滴记录的激光阈值统计。

图 4. (a) 激光信号与荧光信号差异示意图。(b) 由 LED 光泵浦的印刷微阵列的荧光图像。(c-d) 不同泵浦能量密度下微阵列的扫描激光图像。

图 5. (a) 使用水凝胶阵列进行信息编码的概念示意图 (b) 在 LED 泵下照明的 NTU 阵列照片。(c) LED 泵浦下 NTU 阵列的荧光图像。(d) 不同泵浦能量密度下 NTU 液滴阵列的扫描激光图像。(e) LED 泵下 11×7 液滴阵列的荧光图像。(f) 不同泵下 11×7 液滴的扫描激光图像。

图 6. (a) 获取高光谱图像的设置示意图 (b)1: 水凝胶液滴阵列的明场图像 (d=40μm)。(c-e) 从三个单独的水凝胶液滴中提取的激光模式，并引入了 RhB 溶液。

相关论文以题为Enzyme-Programmable Microgel Lasers for Information Encoding and Anticounterfeiting发表在《Soft Matter》上。通讯作者是新加坡南洋理工大学YuCheng Chen教授。

参考文献：

doi.org/10.1002/adma.202107809