DNA 折紙結構介導的多尺度納米結構精準制造*

戴李知 胡曉雪 劉鵬 田野

(南京大學現代工程與應用科學學院， 南京 210023)

1 引 言

DNA 納米技術的提出最早可以追溯到20 世紀80 年代.來自紐約大學的Seeman 教授[1]利用DNA 分子堿基互補配對的天然特性， 將DNA 雙螺旋作為一種基本單元進行納米結構的組裝， 這一突破性的構思推動著研究者們對于DNA 自組裝過程進行了越發深入和廣泛的研究.自從DNA 雙螺旋的幾何構型被揭示以來， 通過結合已知的DNA 鏈段的幾何參數和力學性能， 研究者們可以通過特定的設計， 并利用堿基之間的特異性的識別互補將DNA 鏈段合成為具有特定形狀的納米結構.在20 余年的發展歷程中， 這一技術已經成功發展出由DNA 短鏈構成的各式各樣的納米結構，甚至可以進一步誘導獲得的納米結構進行自身之間或者與客體物質之間的相互連接， 形成結構更加復雜精密的高級結構.2006 年， 加州理工大學Rothemund 教授[2]開創了DNA 折紙術， 創造地利用長鏈噬菌體DNA 作為固定架， 繼而將上千根短鏈DNA 錨定在上面， 精準構建出三角形、長方形、笑臉等具有不同二維結構形狀的納米結構(圖1(a)和圖1(b))， 這一方法極大地拓展了DNA 自組裝所能實現的納米結構的尺寸大小和結構復雜性.2009 年， Douglas 等[3]提出了蜂窩狀的設計方案，并對獲得的組件逐個堆疊， 將DNA 折紙結構從二維推向三維， 如圖1(c)所示.此外， Han 等[4]和Dietz 等[5]先后構建出具有可控彎曲程度的DNA折紙結構， 如圖1(d)和圖1(e)所示.2012 年， Yin課題組[6]提出了一種不借助長鏈DNA 的錨定， 僅通過短鏈DNA 之間的雜交來構建DNA 納米結構的方法， 他們通過這種合成策略先后完成了各種復雜二維和三維結構的合成， 如圖1(f)所示.DNA雙螺旋本身具有的堿基互補配對的天然特性保證了特異性序列的DNA 鏈段在自組裝行為當中的尋址能力， 同時基于對DNA 鏈段的幾何特性的充分掌握， 研究者們可以幾乎任意地控制DNA 鏈段的行走路徑和取向， 從而進一步利用DNA 分子精確構建各種不同維度、尺度和復雜程度的結構.同時， DNA 分子與各類離子、分子之間的相互作用使得人們可利用各種方式讓不同物質與DNA 折紙結構進行結合， 這也使得以DNA 折紙本身的結構因素為基礎定制各種形貌的納米結構成為可能.

圖1 DNA 折紙結構 (a) DNA 折紙結構設計原理示意圖[1]; (b)一些典型的二維DNA 折紙結構的原子力顯微鏡圖片[1]; (c)基于蜂窩狀設計策略的三維DNA 折紙結構[3]; (d)帶有曲面的DNA 半球、球、橢球和花瓶結構[4]; (e)帶有曲面的DNA 框架結構[5];(f)僅由短鏈組裝而成的各種DNA brick 結構[6]Fig.1.DNA origami structures: (a) Schematic illustration of design process of DNA origami structures[1]; (b) representative atomic force microscope (AFM) images of several 2-dimensional DNA origami structures[1]; (c) 3-dimensional DNA origami structures obtained by honeycomb design principle[3]; (d) DNA hemisphere， sphere， ellipsoid and nanoflask with curvatures[4]; (e) bent DNA origami wireframe structures[5]; (f) DNA brick structures which only composed of short oligonucleotides[6].

2 DNA 折紙結構介導的納米結構精準制造

隨著人類對納米世界的探索的不斷深入， 納米技術已經成為了一門集成了自然科學當中多個領域的前沿交叉學科.隨著觀察尺度的不斷推進， 人們對于物質的認識已經來到了一個嶄新的水平， 并且促使研究者們對于物質的控制和操縱能力拓展到了分子乃至原子尺度， 進而逐步發展出納米制造及原子制造等制造方式， 同時引起了對極低尺度下材料或物質新奇性質的探索.不同于切削、刻蝕等減材制造策略， 納米技術的出現允許研究者們通過對分子乃至原子的定向搬運實現納米尺度或者原子尺度下特定結構的精密合成， 即所謂的“納米制造”或“原子制造”.這種“自下而上”的增材制造路線從根本上改變了人們獲得材料的方式并使得人為定制其性質成為可能， 比如當下研究者們可以使用掃描隧道顯微鏡對原子進行操縱.DNA 折紙術的出現為“自下而上”的制造方式提供了新的思路，利用DNA 分子之間精準的識別， 研究者們幾乎可以通過合理的設計以一種化學合成的方法得到幾乎任意的幾何結構， 并在結構中更小的范圍之內定向地修飾各類分子或原子團簇等， 這一獨特的優勢使得DNA 折紙技術成為納米制造和原子制造的一種解決方案.即便對這一方案的實施目前仍處在探索階段， 但是一些前驅性的工作已經將DNA 折紙術與化學鍍、微納加工等方法結合起來實現了特定形貌和尺寸的納米結構的制造甚至原子簇的定向排列， 這為將來進一步實現DNA 折紙術在原子制造領域的廣泛應用提供了機遇.

2.1 DNA 折紙結構結合化學鍍

與狹義上的化學鍍的概念不同的是， 這里的化學鍍并不是在特定工件表面形成化學鍍層， 而是無外加電流的情況下憑借速率可控的氧化還原反應將金屬離子還原成金屬單質并通過DNA 折紙結構作為模板形成特定結構的方法.

Woolley 課題組[7]以一種T 字形折紙結構作為模板， 在基底上首先與銀種進行孵育， 隨后在銀種的表面進行金單質的化學鍍， 從而獲得單質金的T 形結構， 如圖2(a)所示.該策略得到的金屬結構在高度上最小可達32 nm， 化學鍍過程完成后T 形的枝化結構也基本保持不變.同時該工作還探究了金屬離子濃度及DNA 折紙結構的純化過程對于金屬化過程和產物的影響.

隨后他們又利用一種更為復雜的回路形狀的DNA 折紙結構作為金屬化模板， 利用相似的反應策略， 在吸附了銀種的回路形折紙結構上進行金屬金及金屬銅的化學沉積， 從而得到了回路狀的單質金及單質銅結構[8]， 如圖2(b)所示.更為復雜的結構在AFM 下仍然具有可供辨認的形狀， 并且具有不同鍍層的結構展示出不同的平均電阻率.

與此類方法不同， Pilo-Pais 等[9]首先在長方形折紙模板上的不同位置伸出功能化連接鏈， 將金納米顆粒組裝在折紙模板上的不同位置， 進而利用預先組裝好的金納米顆粒作為成核位點誘導納米銀在表面的生成， 隨著納米銀不斷的生長沉積， 逐漸在折紙模板表面融合成納米級的圓環、平行線及H 形等預先設定的形狀， 最終獲得的形狀取決于金納米顆粒預先組裝形成的圖案， 如圖2(c)所示.此外， 來自Yan 課題組的Pal 等[10]通過在三角形折紙結構的一條臂上插入預先修飾了還原基團的短鏈DNA 與隨后加入到反應體系中的銀氨溶液發生“銀鏡反應”， 從而使具有熒光性質的納米銀團簇定向地生長在三角形折紙的指定區域之內，如圖2(d)所示.與溶液中游離的帶有還原基團的單鏈DNA 反應得到的納米銀簇相比， 三角形折紙片上的納米銀簇在光譜上展現出完全不同的性質.

相似的工作也被Hillier 課題組[11]報道， 他們同樣利用三角形折紙片作為模板， 利用磷酸骨架上的負電荷與銀氨溶液所帶的正電荷之間的電荷吸附作用使銀氨絡離子富集在折紙骨架周圍， 再利用特定波長的紫外光對反應溶液當中的銀氨絡離子進行光化學還原， 從而使富集在折紙模板周圍的銀氨絡離子優先還原成單質銀， 將DNA 組裝成的三角形結構轉化成單質銀包覆的三角形結構， 如圖2(e)所示.

此外， Liedl 課題組[12]利用DNA 折紙結構本身的磷酸基團帶有的密集的負電荷作為錨點， 在溶液相中吸附預先處理過的帶有正電荷的小尺寸金納米粒子， 這些均勻分布在DNA 折紙結構上的金納米粒子可以作為隨后電沉積過程當中的成核位點來誘導單質金的覆蓋， 從而賦予不同結構、不同尺寸的DNA 折紙結構及其組裝體單質金團簇的包覆層， 如圖2(f)所示.

相比于以上利用DNA 折紙自身結構特點在其表面生長金屬材料的工作， Yin 課題組[13]的研究者們提出了一種完全不同的思路.他們利用DNA 結構的自組裝行為首先將兩端未封口的長方體折紙與兩個長方形折紙片組裝成為一個具有封閉內腔的“盒-蓋”結構， 該結構的內腔當中已經預先錨定了金納米顆粒作為不同形狀的金屬納米粒子合成的種子， 隨后加入的硝酸銀和抗壞血酸即可在預先設置的種子表面進行銀單質的生長.在生長的過程中， 具有封閉內腔的DNA 結構充當了“模具”的作用， 利用其結構特點實現了對金屬物質生長形狀的塑造和限制.利用這種制造思路， 研究者們成功得到了長方體、三角形、圓盤形的納米銀顆粒(圖3(a))， 最終獲得納米顆粒具有低于3 nm 的制造精度， 形狀及尺寸與DNA 結構的內腔結構也較為吻合.類似的策略也被Helmi 等[14]用以制備長方體形狀的金納米粒子及其二聚體， 如圖3(b)所示.

圖2 基于化學鍍策略的DNA 折紙結構的金屬化 (a)單質金包覆的T 型折紙結構[7]; (b)金屬化的回路狀DNA 折紙結構[8];(c)金屬化的H 形和雙杠狀結構[9]; (d)三角形折紙結構指定位置生長銀納米簇前(左)后(右)的AFM 圖[10]; (e)銀金屬化的DNA 折紙三角片結構[11]; (f)單質金包覆的DNA 折紙棒狀結構[12]Fig.2.Metallization of DNA origami structures based on electroless plating strategy: (a) Au encapsulated branched DNA origami structures[7]; (b) metallized circuit-like DNA origami structures[8]; (c) H-shaped and parallel bars-shaped metallic nanostructures based on origami templates[9]; (d) AFM images before (left) and after (right) site-specific metallization on particular arms of triangular origami structures[10]; (e) Ag metallized DNA triangular origami structures[11]; (f) Au structures templated by DNA bundles structures[12].

圖3 利用DNA 折紙結構作為模具定制形狀任意的金屬結構 (a)憑借DNA 模具策略制備的長方體、三角形等不同形狀的銀納米結構[13]; (b) DNA 模具外殼介導的棒狀單質金結構及金二聚體結構的制備[14]Fig.3.Artificially casting metallic structures with DNA origami mold strategy: (a) Synthesizing cuboid， triangular Ag nanostructures by the utilization of different shaped DNA origami molds[13]; (b) DNA mold shells mediated synthesis of rodlike and dimeric gold nanostructures[14].

2.2 DNA 折紙結構功能化位點延伸策略

與2.1 節中介紹的化學鍍的方法相比較， 功能化位點延伸策略同樣可以看成一種化學鍍.然而機理上不同的是， 以上部分介紹的工作中采用金屬種子與DNA 折紙結構預先孵育或是使用金屬納米粒子作為成核位點來進一步對結構的生長進行引導.而以下介紹的工作中， 功能化DNA 鏈段的設置則為結構的定制增添了更多的任意性和選擇性.

2019 年， 同濟大學柳華杰課題組和上海交通大學樊春海課題組開發了一種在DNA 折紙模板上定點生長納米級金屬圖案的新方法[15]， 如圖4(a)所示.該工作中采用三角形與長方形折紙平面作為金屬定位生長的平臺， 隨后在折紙平面上的特定位置伸出一段具有一定長度的DNA 序列， 這些伸出的DNA 鏈段相對于折紙平面具有顯著的高度， 可以作為金屬生長的圖案化成核位點.之后的金屬化反應中， 反應體系中存在的金屬離子與伸出的DNA 鏈段當中的胞嘧啶與鳥嘌呤具有強烈的親和作用， 只需要將金屬化溶液(其中含有金屬離子與還原劑)與DNA 折紙模板進行簡單的孵育便可以在預先設計的圖案上進行金屬材料的定向沉積.該策略得到的金屬化圖案連續性較好， 具有納米級的精度和分辨率， 在原子力顯微鏡及透射電子顯微鏡下可以輕易地分辨.該策略成功證明了折紙模板上伸出的DNA 鏈段可以作為成核的功能化位點進而影響金屬離子沉積時的選擇性， 從而控制納米級精度的金屬化圖案只在具有功能化位點的特定位置生長.因而在該反應策略當中控制功能化位點的伸出的先后還可以控制金屬圖案生長的時空次序，從而實現雙組分金屬圖案的生長.獲得的異質的金屬化圖案均具有較高的連續性、完整程度和可辨識度， 對于精細納米電路板的定制和化學印刷具有深刻的啟示意義.

同時期， 國家納米科學中心丁寶全課題組[16]的工作展示了一種與先前柳華杰課題組的工作相似的反應策略， 如圖4(b)所示.該工作中仍然以DNA 折紙結構作為生長母體， 利用該母體在結構上的可編程性在折紙結構的任意位置伸出具有特定長度的DNA 單鏈， 隨后將一端修飾有巰基的DNA 單鏈引入體系當中， 對折紙結構表面伸出的具有特定長度的DNA 單鏈進行尋址并進行雜交，即相當于通過這種方法將巰基修飾在了DNA 折紙結構表面的任意位置.巰基與金屬離子之間強烈的配位作用可以促使DNA 折紙結構完成對反應環境中金屬離子的捕獲過程， 進而與之后引入的還原劑發生反應， 完成金屬圖案的選擇性生長.與先前報道的柳華杰課題組的反應策略不同的地方在于該工作中引入了巰基， 從而使得DNA 折紙結構與金屬離子之間的親和力由堿基-金屬離子配位作用轉換為巰基-金屬離子配位作用， 但兩種反應策略的效果是相似的， 均可以得到納米級精度的并且具有一定形狀的定制化金屬圖案.

圖4 基于功能化位點延伸策略的金屬結構原位生長 (a) DNA 折紙基板上8 字形納米電路的原位生長[15]; (b) DNA 折紙三角形結構上不同種類金屬結構的定位生長[16]; (c) DNA 折紙基板上二氧化硅結構的圖案化生長[17]Fig.4.In-situ fabrication of metallic structures based on the functional sites extension strategy: (a) In-situ synthesis of 8-patterned nano-circuit on DNA origami substrate[15]; (b) site-specific synthesis of varying metallic nanostructures on triangular DNA origami structures[16]; (c) patterned growth of silica on DNA origami structures[17].

在此工作的基礎上， 丁寶全課題組[17]利用相似的反應策略同樣實現了二氧化硅物質的定點生長， 如圖4(c)所示.在該工作中研究人員同樣利用三角形折紙和長方形折紙平面作為沉積平臺， 通過特異性的設計從折紙平面上伸出DNA 鏈段， 相當于賦予該平臺一定數量的位置特定的功能位點， 進而利用這些突出的功能位點與反應體系中的硅源前驅體率先接觸， 誘導二氧化硅材料的優先沉積， 從而成功將該類基于伸出的功能化連接位點的精準圖案化定向生長策略從金屬材料拓展至無機材料.

由于DNA 折紙結構在設計時充分的可尋址性， 人們幾乎可以任意地指定功能化DNA 鏈段從整體結構中伸出的位置， 從而準確地對材料的沉積位點進行編輯， 通過調控DNA 鏈段伸出的數目和位置， 可以進一步調控材料沉積的密度和反應過程， 從而控制最終產物的尺寸和形狀甚至性質.

2.3 DNA 折紙結構結合微納加工

與DNA 折紙術這種“自下而上”的合成方法不同的是， 微納加工一般通過刻蝕、電/激光加工、壓印、封裝、3D 打印等技術手段實現體塊材料的減材[18，19].通過引入一定的微納加工技術與DNA折紙結構相結合， 獲得的金屬納米結構的連續性和結構完整性得到了明顯的提升.作為一種完全不同的制造策略， 研究者們可以通過DNA 折紙結構與基底材料之間的相互作用直接沉積在上面， 具有特定形狀和尺寸的DNA 折紙結構可以發揮類似于光刻工藝當中的“掩模板”的作用， 再利用微納加工的方法進行納米級金屬結構的制造和裁剪， 從而將自上而下與自下而上的制造工藝結合起來.

Liu 課題組[20]利用沉積在二氧化硅基底上的三角形折紙結構作為掩模板， 利用氟化氫蒸汽對二氧化硅基底進行刻蝕， 通過調整反應過程當中水的濃度來調整刻蝕過程的劇烈程度， 從而將三角形折紙結構拓印為相同形狀的凹坑或凸臺， 如圖5(a)所示.三角形折紙結構本身具有的孔洞經過刻蝕之后仍然保留在二氧化硅基底上， 展現出該策略納米級的制造精度.

利用相似的氟化氫蒸汽刻蝕的方法， Diagne等[21]利用中間帶有一個孔洞的長方形折紙結構作為模板在二氧化硅基底上定向刻蝕出了與模板結構和形狀幾乎相同的二氧化硅圖案， 如圖5(b)所示.值得一提的是， 片狀折紙結構上的尺寸為9 nm × 14 nm 的孔洞在刻蝕后得到的圖案上仍然具有7.8 nm 的尺寸， 表明該策略的刻蝕精度已經突破10 nm.

此外， Linko 課題組[22]在氧化鋁/氮化硅/硅/二氧化硅復合基底上沉積了三種不同結構的DNA 折紙單體， 并以這三種單體作為掩模板在基底上留下相應形狀的凹槽， 再用單質金對凹槽進行填充， 最后再將原有的基底逐步剝離， 最終獲得與折紙單體形狀相同的單質金結構， 除此以外還測定了不同單質金結構相應的光學性質， 如圖5(c)所示.

圖5 基于類平板印刷術的人工金屬結構的制備 (a)氟化氫蒸氣濃度控制的二氧化硅基底上三角形凹槽和凸臺結構的制備[20];(b)以孔狀DNA 折紙結構為掩模板制備的高精度二氧化硅圖案[21]; (c)基于平板印刷術對DNA 折紙結構逐步復制制備等離子體金納米結構[22]Fig.5.Fabrication of artificial metallic nanostructures based on the surficial lithography: (a) HF vapor moisture induced fabrication of silica trenches and ridges patterns[20]; (b) DNA origami mask mediated hole patterned silica fabrication with high precision[21]; (c) step-by-step lithographic fabrication of plasmonic nanostructures based on the duplication of DNA origami structures[22].

3 總結與展望

由于DNA 折紙結構在設計端展現出的高度可編程性， 研究者們幾乎可以在構建出的結構上任意位置對DNA 鏈段進行編輯和控制， 比如: 對DNA 鏈段進行特定長度的延伸， 對序列進行特異性編輯， 以及在鏈段的特定位置插入或修飾功能化基團和某些特定的小分子， 從而賦予鏈段一定的功能.人們已經可以利用這種對DNA 折紙結構的程序式調控方法使其在任意位置精確地連接各類無機納米顆粒、蛋白質、酶等物質， 以及進一步調控折紙結構之間的組裝行為.作為結構單元的DNA鏈段本身在DNA 折紙結構當中具有的極高的空間精確程度， 利用其高度的可尋址性， 可以知道DNA 折紙結構中任意位置的元素組成、原子個數及種類， 甚至可以給出某種原子在整個結構中的分布及坐標位置.以磷原子為例， DNA 折紙骨架當中的磷原子均位于DNA 鏈段的磷酸骨架上， 便可以知道磷原子在整個折紙結構當中的走勢及所處的位置.可以進一步通過在磷原子上修飾特定的基團使其捕獲或使磷原子直接締合相應的原子來得到某種原子的花樣.并且由于用于形成DNA 折紙結構的DNA 鏈段的堿基序列是可以通過合理的設計進行人為擬定的， 甚至可以利用原子或原子簇與不同堿基的親和力不同來選擇性地操縱原子和原子簇在與DNA 折紙結構締合時的順序和位置，如圖6 所示.基于DNA 折紙結構當中DNA 序列的特異性， 甚至可以根據堿基序列找到我們放置原子或原子簇的特定位置， 從而通過一定的手段在特定位置對目標原子進行定點安插， 實現幾乎任意的原子排布.時至今日， DNA 納米技術和DNA 折紙技術的發展已經允許我們通過對小至幾十納米的結構單元的操縱實現微米級甚至毫米級組裝體的構建， 通過以上構想的方法， 也許可以實現在大尺度下進行原子或原子簇的精密排列， 得到其具有特定結構或特定排列模式的大范圍陣列.我們有理由相信， DNA 折紙單體本身所具有的在結構搭建上的無與倫比的精準性及其組裝產物在尺寸上的可拓展性， 使得通過這種方法來排列特定原子進而制造某些具有特定性能的器件成為可能.

圖6 利用DNA 折紙結構為模板進行原子或原子簇的定向排列示意圖Fig.6.Schematic illustration of utilizing DNA origami structures as templates for assigning atoms and clusters at designated positions.