Small:功能化DNA壳层引导的纳米粒子超晶格自组装

一直以来,DNA作为遗传信息的载体被人们熟知,但自DNA纳米技术发展以来,DNA不再单纯地具有遗传密码的功能,人们利用了碱基对之间的特异性识别以及链长和序列的可控性,使其成为了纳米尺度下组装的有力武器。与此同时,研究者们发现,DNA精妙的三维双螺旋结构(固定的螺距,固定的直径),使其在引导纳米粒子进行三维有序组装方面有着其他材料远远不及的优势。1996年,美国西北大学Chad Mirkin研究组和加州大学伯克利分校的Paul Alivisatos研究组首次报道了DNA修饰的金纳米粒子可以自组装形成较大的三维聚集体,但那时并未得到高度有序的结构。经过多年的探索研究,2008年布鲁克海文国家实验室Gang研究组与西北大学Mirkin研究组利用相似的方法成功制备了具有高度对称性的纳米粒子超晶格结构,自此关于DNA引导纳米颗粒自组装成三维有序结构的方法学及其应用的研究便蓬勃发展开来。

南京大学现代工程与应用科学学院田野课题组以核壳结构为模型分别描述了无机纳米粒子以及外层DNA链段的地位与功能,总结概述了十年多来DNA纳米技术在三维超晶格构建方面的飞速发展。组装单元的选择与设计直接决定着三维晶体结构的构建。在本领域初期的探究中,由于金能够简单地与巯基化的DNA形成稳定的Au-S键,而球形的金纳米颗粒又是比较容易制备得到,因此从一开始球型金纳米颗粒就被认为是构建三维晶体的最佳选择。另外,研究者们通过对均一尺寸组装单元的研究到不同尺寸纳米颗粒的共同组装,构建出了一系列复杂的且具有特殊性质的晶体结构。随着晶格种类多样化以及应用领域的需要,各向异性的金纳米粒子以及量子点、四氧化三铁、铂等非金纳米粒子也被广泛应用到晶体组装中,实现了从同元组装到异质组装的突破;另外,随着核结构的多元化,三维晶体结构的复杂性和实用性也在不断增加。而在DNA壳层方面,文章总结了十多年来研究者们对DNA相互作用机理的全面细致的研究。在核结构多样性基础上,通过调节DNA序列排布、链段长度以及盐浓度等环境条件,实现了三维晶体结构的可控构建以及动态转变。此外,文中还特别提出DNA折纸术以及DNA折纸框架结构的发展为DNA结构引导的纳米颗粒的可设计性组装提供的全新的思路。2015年Tian等人利用DNA折纸术搭建了包括八面体、立方体在内的一系列多面体框架结构,作为三维晶体构建的DNA骨架及载体,并成功地与无机纳米粒子复合构成一类全新的核结构。不同于一般的无机纳米粒子核,DNA多面体框架本身就具有方向性与可设计性,这使得其与外层DNA壳层结合的位点和取向上具有高度的可选择性,在一定程度上简化了三维晶格构建的复杂性,并将晶格构建的可控性提升到一定高度,为更高复杂程度的晶体构建奠定了基础。文末,作者对该领域的潜在应用进行了展望,通过与自上而下构建方法结合,以及对DNA构建的晶体结构进行矿化等,DNA引导组装的纳米粒子晶体可以在微纳制造、信息储存、光学电子学器件制造等领域发挥重要作用。

相关文章发表在Small (DOI: 10.1002/smll.201805401) 上。