江苏激光联盟导读：来自南洋理工大学的研究人员及其合作者揭示了液滴——固体界面处背后的液滴激光的机理，并探究了分子间作用力的相互关联的情况。

  液滴在生物化学和物理研究中为我们提供了大量的研究机会，这是因为以液滴为基础的微激光在过去的几十年里扮演者非常重要的角色。而最近兴起的液滴激光则展示了这一技术在空穴中放大微妙的分子变化的研究中所起到的强大的作用，但液滴谐振器和界面之间的光学作用依然不清楚。来自南洋理工大学的研究人员及其合作者揭示了液滴——固体界面处背后的液滴激光的机理，并探究了分子间作用力的相互关联的情况。一个垂直方向的振动模型——弧形的模型——被发现，此处激光模型的数量和他们的Q-因数随着界面的疏水程度的强度的增加而增加。实验研究和理论分析结果均表明，通过润湿角所表征的疏水程度和界面的拉伸力在液滴空穴的形状上具有重要的作用，对激光模型的特征的作用也是如此。最后，研究人员为大家展示了蛋白质和肽所诱导的这一微小的力如何强烈的在液滴谐振器中调制激光的输出。研究人员的这一成果展示了探索光学谐振器来放大分子间力变化的潜力，为充分和深入理解界面的激光作用的调制和在生物物理上的应用奠定了基础。

  水滴的接触角随着激光发射增加的示意图

  液滴表面的微小的分子力在激光输出发射方面扮演着非常重要的角色。作为我们生活中的一个非常重要的组成，通过生物分子和有机体的相互作用，水驱动着大量的非常重要的生物活动。研究同水相关的相互作用的机理对理解生物化学过程非常重要。依据来自南洋理工大学的电子工程学教授 Yu-Cheng Chen的研究结果，当水同表面相互作用的时候，在生物界面的疏水性主要决定着水的机械平衡。在界面的疏水分子可以作为监控微小的生物分子的相互作用和动力学的基础。

  水滴已经被用来形成生物微激光，利用该微激光来研究水的内在的能力来限制光进行最小程度的散射。液滴激光得益于在微腔中的激光振动，因此被增益或腔体放大所带来的任意微小的变化，就会导致激光发射特征的显著的变化。而当液滴激光变成生物化学和/物理研究和生物医学应用的尖端平台的时候，液滴谐振器之间的光学相互作用和界面依然处于未知的状态。

  图解：(a) 液滴激光呈现弧状模型的示意图。一个分子层沉积在镜子和液滴之间，液滴—固体界面之间的张力，固态表面张力，以及液滴表面张力决定着接触角。(b) 弧状的振动路径（顶部）和弧状模型（底部）在不同接触角时的模拟的电场分布。(c) 左边图: 在变化润湿角的时候液滴的侧视图。右图: 在涌出后的液滴的光学图片。蓝色的盒子，激光发射的区域。(d) 在不同界面张力的作用下液滴谐振器的光学谱线。(e) 接触角和光谱整合激光输出随不同牛血清白蛋白在液滴条件下的生物分子浓度的变化

  正如在期刊《Advanced Photonics》上所报道的，来自南洋理工大学的Yu-Cheng Chen团队的在最近发现，当液滴同表面相互作用形成一个接触角的时候，界面处的分子力决定着液滴谐振器的形状。在界面处的显著的机械力的变化对液滴谐振器的光学振动起到至关重要的作用。

  Chen的团队发现了液滴谐振器的振动机理，即激光沿着液滴—空气界面在垂直平面上产生共鸣。Chen的团队发现，这一垂直方向的彩虹一样的或弧形一样的激光模型来回在两个液滴界面的终端反射，形成一个独特的和极端强烈的激光发射。团队还发现，不同于常见的回音壁模式（whispering-gallery mode (WGM)），这一新发现的激光机理对界面的分子力更加敏感。依据Chen的研究结果，这一弧形的激光发射会随着界面疏水性的增加而显著的增加，与此同时，润湿角的作用也是如此。

  为了寻找解释这一调制现象背后的机理，Chen的团队同时找到了新的激光模型的质量因数随着液滴润湿角的增加而显著增加。激光模型在液滴中的振动途径的数量显著的增加，与此同时，这两个因数决定着界面分子力的强度对激光发射的影响，Chen说到。

  基于他们的研究发现，Chen的团队探索了应用液滴激光来记录在生物界面的机械力的变化的可行性。正如所期待的那样，他们发现界面生物分子力的微小变化，被非常低的生物分子的浓度所诱导，如肽或蛋白质，可以被液滴激光的激光发射所记录。

  在生物界面的分子之间的激光发射的调制

  依据Chen的研究成果，这一工作显示出在液滴谐振器的一个非常重要的调制机理和表明在探究光学谐振器来放大分子间力变化的潜力。激光机理的研究为使用微型激光来研究生物机械的相互作用和界面物理的研究开辟了一个新的有前途的路径。正如液滴激光会提供一个研究在界面处的分子间的物理相互作用的平台，他们可以在研究疏水性的相互作用上非常有帮助，这在大量的物理动力学和生物学系统中是非常重要的。

  文章来源：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).