生物材料本身所具有的生物兼容性和生物可降解性等特殊材料性质使得其在材料领域受到广泛关注，尤其是在生物医学材料领域。其中，DNA(deoxyribonucleic acid)作为遗传信息的载体存在于几乎所有高等生物体内，具有高度稳定的双螺旋结构赋予了DNA高度的遗传稳定性和特殊的光电材料特性，该特性广泛应用于遗传信息、微生物病原、病毒性疾病和转基因食品的光电检测，也使得DNA复合材料具有独特的光电特性，如作为转基因载体的DNA-CTMA(十六烷基三甲基胺，cetyltrimethyl ammonium)材料，并赋予这些器件独特的光电特性，如DNA-CTMA材料制造的BioLEDs(bio-organiclight-emitting diodes)、激光器和OFET(organic field-effect transistors)等光器件。其中，用DNA材料制造的OLEDs的绿光发光亮度是对照器件的三十多倍，其器件流明效率达到了对照器件的三倍，这使得各种基于DNA材料的光电器件研究如雨后春笋般不断涌现。虽然研究人员对DNA材料的机理进行了分析，由于DNA材料在光电领域的研究时间较短，其作用机理还未完全阐明。此外，本论文作者的生物信息学背景，使得作者较为容易了解DNA荧光分子相关进展，并尝试以跨学科的方式，将生物学分析方法应用于电子器件的材料光学特性分析。基于以上原因，本论文尝试从DNA材料分子结构和分子功能的角度，结合实验室的在波导光学，尤其是微纳米波导的研究优势，分别对DNA-CTMA的材料制备、DNA-CTMA微米光纤及其器件的制备、基于荧光能量共振转移(fluorescenceresonance energy transfer，FRET)的追踪光子在DNA-CTMA纳米波导中的传输，OLEDs发光特性中的DNA-CTMA材料机理等进行了深入研究。在此过程中发现并证实了DNA-CTMA光电材料作用的分子机理:DNA光纤（波导）中的DNA-CTMA分子是一种分子波导。　　本论文的主要研究内容如下:　　1.DNA纳米材料的制备　　DNA-CTMA材料是本论文的研究基础，制备DNA-CTMA纳米光纤需要高纯度DNA-CTMA材料。由于无商用DNA-CTMA材料，其挑战性在于在相关化学反应条件不具备的情况下制备DNA-CTMA材料，并对其进行纯化，实现制备纳米光纤的高纯度DNA材料。　　初次制备的DNA材料纯度较差，通过不断改进工艺中的每一个步骤，如摸索优化DNA的溶液与CTMA溶液的反应比例，制备了纯度符合要求的DNA复合材料。在逐步改善工艺的同时，通过逐步降低DNA材料过滤膜的孔径，实现了高纯度DNA的制备，从而为后续DNA-CTMA微纳米光纤的制备奠定了基础。　　2.DNA微米光纤的制备与工艺优化、光纤的表征和光学特性研究　　DNA微米光纤的制备是本论文的关键技术之一，此前还未曾有DNA光纤的报道。由于DNA-CTMA分子的支链分子CTMA长度较短，使得D NA-CTMA的异丁醇溶液没有其他大分子如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)那样的粘性，这增加了制各DNA微纳米光纤的难度。通过不断改善DNA-CTMA复合物溶剂的物理化学特性，参考类似的有机材料的微米光纤制备方法，在优化DNA-CTMA的浓度和制备条件的基础上，改变DNA光纤的制备方法，通过不断的摸索，最终制备出了DNA微米光纤。在初次制备的基础上，通过调节制备条件和优化制各工具等方式实现了制备工艺的优化，使制备的DNA微米光纤具备良好的传光性能，对DNA微米光纤进行了材料特性表征。　　3.DNA微米光纤器件及其光传输特性　　通过理论计算与分析，简化了DNA微米光纤与石英光纤光锥的耦合模型并仿真，建立最佳耦合匹配模式，以此指导实验;在实验上优化光纤光锥的制备以及光纤光锥与DNA微米光纤的耦合;结合DNA微米光纤材料特性，实现了DNA微米光纤与光纤光锥以较低损耗形式的耦合，制备了低插入损耗的DNA微米光纤器件。测量结果表明，所制备的DNA微米光纤微环具有传输损耗小、谐振好等特点。理论计算和实验结果结合使得制备的器件具有良好的匹配性，证实了理论的有效性。　　DNA材料的发光增强特性众所周知，本论文通过比较同种染料的相同掺杂浓度的DNA微米光纤和PMMA微米光纤，实验上证实了制备的DNA材料具有发光增强特性，为下一步研究DNA纳米光纤及其器件的光学特性、纳米光纤和光纤光锥的耦合和掺杂纳米光纤的光致发光奠定了基础。　　4.DNA纳米光纤与器件的制备及器件的光学特性研究　　在制备DNA微米光纤的基础上，通过采用50纳米过滤膜代替200微米过滤膜等方式优化实验条件，对DNA光纤其他制备条件的精准控制，制备了DNA纳米光纤。结合扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)对尺寸进行确认，经过不断总结改进，完善了DNA纳米光纤的制备工艺。通过结合透射电子显微镜（transmission electron microscope，TEM）和原子力显微镜(atomic forcemicroscope，AFM)对制备的DNA纳米光纤进行了相关材料特性表征。　　在前期研究基础上，将DNA纳米光纤与光纤纳米光锥进行耦合，制备了纳米光纤器件。通过对DNA纳米光纤与光纤纳米光锥的耦合理论分析，测量了纳米光纤器件的谐振光谱特性，应用光纤测损仪对DNA纳米光纤器件进行了测试，分别测试了rhodamine6G(R6G)掺杂的DNA光纤器件和纯DNA纳米光纤器件的插入和传输损耗(loss)、群延时(group delay，GD)和色度色散(chromaticdispersion，CD)等特性，并以此计算了DNA材料的CD特性。　　5.DNA分子波导的光子传输研究　　DNA材料发光增强特性已众所皆知，但DNA材料发光增强的物理或者分子机理并未阐明。在前期探索染料掺杂DNA光纤光致发光基础上，我们对DNA纳米光纤的R6G掺杂的光致发光特性进行了测试，得出了一些实验结果。通过与R6G掺杂的PMMA光纤的光致发光测试结果对比分析，发现了DNA材料与PMMA材料的光致发光差别与DNA的分子结构相关，实验结果证实光子是通过DNA分子进行传输的。　　在R6G掺杂DNA光纤光致发光实验的基础上，本研究进一步探索了DNA材料发光特性。在研究中采用了分子生物学研究常用的荧光能量共振转移（FRET）方法，高精度解析分子内部基团距离和位置动态变化情况。在对光谱进行理论分析的基础上，选用三种与DNA有不同方式作用的染料，构建具有三级能级级联的FRET的掺杂染料。通过分析级联掺杂染料的光致发光现象和DNA纳米光纤中光子的传输现象，其内在机理逐渐呈现，即DNA-CTMA分子作为分子波导，DNA分子波导约束光子沿碱基组成的光子通道进行传输。该分子波导理论解释了DNA材料与众不同的发光现象和本研究中的荧光分离现象。