戴李知 胡曉雪 劉鵬 田野

(南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院， 南京 210023)

1 引 言

DNA 納米技術(shù)的提出最早可以追溯到20 世紀(jì)80 年代.來自紐約大學(xué)的Seeman 教授[1]利用DNA 分子堿基互補(bǔ)配對(duì)的天然特性， 將DNA 雙螺旋作為一種基本單元進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)的組裝， 這一突破性的構(gòu)思推動(dòng)著研究者們對(duì)于DNA 自組裝過程進(jìn)行了越發(fā)深入和廣泛的研究.自從DNA 雙螺旋的幾何構(gòu)型被揭示以來， 通過結(jié)合已知的DNA 鏈段的幾何參數(shù)和力學(xué)性能， 研究者們可以通過特定的設(shè)計(jì)， 并利用堿基之間的特異性的識(shí)別互補(bǔ)將DNA 鏈段合成為具有特定形狀的納米結(jié)構(gòu).在20 余年的發(fā)展歷程中， 這一技術(shù)已經(jīng)成功發(fā)展出由DNA 短鏈構(gòu)成的各式各樣的納米結(jié)構(gòu)，甚至可以進(jìn)一步誘導(dǎo)獲得的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行自身之間或者與客體物質(zhì)之間的相互連接， 形成結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜精密的高級(jí)結(jié)構(gòu).2006 年， 加州理工大學(xué)Rothemund 教授[2]開創(chuàng)了DNA 折紙術(shù)， 創(chuàng)造地利用長(zhǎng)鏈?zhǔn)删wDNA 作為固定架， 繼而將上千根短鏈DNA 錨定在上面， 精準(zhǔn)構(gòu)建出三角形、長(zhǎng)方形、笑臉等具有不同二維結(jié)構(gòu)形狀的納米結(jié)構(gòu)(圖1(a)和圖1(b))， 這一方法極大地拓展了DNA 自組裝所能實(shí)現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)的尺寸大小和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性.2009 年， Douglas 等[3]提出了蜂窩狀的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)獲得的組件逐個(gè)堆疊， 將DNA 折紙結(jié)構(gòu)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(gòu)建出具有可控彎曲程度的DNA折紙結(jié)構(gòu)， 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(zhǎng)鏈DNA 的錨定， 僅通過短鏈DNA 之間的雜交來構(gòu)建DNA 納米結(jié)構(gòu)的方法， 他們通過這種合成策略先后完成了各種復(fù)雜二維和三維結(jié)構(gòu)的合成， 如圖1(f)所示.DNA雙螺旋本身具有的堿基互補(bǔ)配對(duì)的天然特性保證了特異性序列的DNA 鏈段在自組裝行為當(dāng)中的尋址能力， 同時(shí)基于對(duì)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(jìn)一步利用DNA 分子精確構(gòu)建各種不同維度、尺度和復(fù)雜程度的結(jié)構(gòu).同時(shí)， 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(zhì)與DNA 折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)合， 這也使得以DNA 折紙本身的結(jié)構(gòu)因素為基礎(chǔ)定制各種形貌的納米結(jié)構(gòu)成為可能.

圖1 DNA 折紙結(jié)構(gòu) (a) DNA 折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理示意圖[1]; (b)一些典型的二維DNA 折紙結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡圖片[1]; (c)基于蜂窩狀設(shè)計(jì)策略的三維DNA 折紙結(jié)構(gòu)[3]; (d)帶有曲面的DNA 半球、球、橢球和花瓶結(jié)構(gòu)[4]; (e)帶有曲面的DNA 框架結(jié)構(gòu)[5];(f)僅由短鏈組裝而成的各種DNA brick 結(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)介導(dǎo)的納米結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)制造

隨著人類對(duì)納米世界的探索的不斷深入， 納米技術(shù)已經(jīng)成為了一門集成了自然科學(xué)當(dāng)中多個(gè)領(lǐng)域的前沿交叉學(xué)科.隨著觀察尺度的不斷推進(jìn)， 人們對(duì)于物質(zhì)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)來到了一個(gè)嶄新的水平， 并且促使研究者們對(duì)于物質(zhì)的控制和操縱能力拓展到了分子乃至原子尺度， 進(jìn)而逐步發(fā)展出納米制造及原子制造等制造方式， 同時(shí)引起了對(duì)極低尺度下材料或物質(zhì)新奇性質(zhì)的探索.不同于切削、刻蝕等減材制造策略， 納米技術(shù)的出現(xiàn)允許研究者們通過對(duì)分子乃至原子的定向搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)納米尺度或者原子尺度下特定結(jié)構(gòu)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(zhì)成為可能， 比如當(dāng)下研究者們可以使用掃描隧道顯微鏡對(duì)原子進(jìn)行操縱.DNA 折紙術(shù)的出現(xiàn)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(zhǔn)的識(shí)別， 研究者們幾乎可以通過合理的設(shè)計(jì)以一種化學(xué)合成的方法得到幾乎任意的幾何結(jié)構(gòu)， 并在結(jié)構(gòu)中更小的范圍之內(nèi)定向地修飾各類分子或原子團(tuán)簇等， 這一獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使得DNA 折紙技術(shù)成為納米制造和原子制造的一種解決方案.即便對(duì)這一方案的實(shí)施目前仍處在探索階段， 但是一些前驅(qū)性的工作已經(jīng)將DNA 折紙術(shù)與化學(xué)鍍、微納加工等方法結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)了特定形貌和尺寸的納米結(jié)構(gòu)的制造甚至原子簇的定向排列， 這為將來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)DNA 折紙術(shù)在原子制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了機(jī)遇.

2.1 DNA 折紙結(jié)構(gòu)結(jié)合化學(xué)鍍

與狹義上的化學(xué)鍍的概念不同的是， 這里的化學(xué)鍍并不是在特定工件表面形成化學(xué)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(yīng)將金屬離子還原成金屬單質(zhì)并通過DNA 折紙結(jié)構(gòu)作為模板形成特定結(jié)構(gòu)的方法.

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

隨后他們又利用一種更為復(fù)雜的回路形狀的DNA 折紙結(jié)構(gòu)作為金屬化模板， 利用相似的反應(yīng)策略， 在吸附了銀種的回路形折紙結(jié)構(gòu)上進(jìn)行金屬金及金屬銅的化學(xué)沉積， 從而得到了回路狀的單質(zhì)金及單質(zhì)銅結(jié)構(gòu)[8]， 如圖2(b)所示.更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)在AFM 下仍然具有可供辨認(rèn)的形狀， 并且具有不同鍍層的結(jié)構(gòu)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(zhǎng)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(jìn)而利用預(yù)先組裝好的金納米顆粒作為成核位點(diǎn)誘導(dǎo)納米銀在表面的生成， 隨著納米銀不斷的生長(zhǎng)沉積， 逐漸在折紙模板表面融合成納米級(jí)的圓環(huán)、平行線及H 形等預(yù)先設(shè)定的形狀， 最終獲得的形狀取決于金納米顆粒預(yù)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(jié)構(gòu)的一條臂上插入預(yù)先修飾了還原基團(tuán)的短鏈DNA 與隨后加入到反應(yīng)體系中的銀氨溶液發(fā)生“銀鏡反應(yīng)”， 從而使具有熒光性質(zhì)的納米銀團(tuán)簇定向地生長(zhǎng)在三角形折紙的指定區(qū)域之內(nèi)，如圖2(d)所示.與溶液中游離的帶有還原基團(tuán)的單鏈DNA 反應(yīng)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(xiàn)出完全不同的性質(zhì).

相似的工作也被Hillier 課題組[11]報(bào)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(fù)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(luò)離子富集在折紙骨架周圍， 再利用特定波長(zhǎng)的紫外光對(duì)反應(yīng)溶液當(dāng)中的銀氨絡(luò)離子進(jìn)行光化學(xué)還原， 從而使富集在折紙模板周圍的銀氨絡(luò)離子優(yōu)先還原成單質(zhì)銀， 將DNA 組裝成的三角形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成單質(zhì)銀包覆的三角形結(jié)構(gòu)， 如圖2(e)所示.

此外， Liedl 課題組[12]利用DNA 折紙結(jié)構(gòu)本身的磷酸基團(tuán)帶有的密集的負(fù)電荷作為錨點(diǎn)， 在溶液相中吸附預(yù)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(jié)構(gòu)上的金納米粒子可以作為隨后電沉積過程當(dāng)中的成核位點(diǎn)來誘導(dǎo)單質(zhì)金的覆蓋， 從而賦予不同結(jié)構(gòu)、不同尺寸的DNA 折紙結(jié)構(gòu)及其組裝體單質(zhì)金團(tuán)簇的包覆層， 如圖2(f)所示.

相比于以上利用DNA 折紙自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在其表面生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的自組裝行為首先將兩端未封口的長(zhǎng)方體折紙與兩個(gè)長(zhǎng)方形折紙片組裝成為一個(gè)具有封閉內(nèi)腔的“盒-蓋”結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔當(dāng)中已經(jīng)預(yù)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(yù)先設(shè)置的種子表面進(jìn)行銀單質(zhì)的生長(zhǎng).在生長(zhǎng)的過程中， 具有封閉內(nèi)腔的DNA 結(jié)構(gòu)充當(dāng)了“模具”的作用， 利用其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬物質(zhì)生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jié)構(gòu)的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)也較為吻合.類似的策略也被Helmi 等[14]用以制備長(zhǎng)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(xué)鍍策略的DNA 折紙結(jié)構(gòu)的金屬化 (a)單質(zhì)金包覆的T 型折紙結(jié)構(gòu)[7]; (b)金屬化的回路狀DNA 折紙結(jié)構(gòu)[8];(c)金屬化的H 形和雙杠狀結(jié)構(gòu)[9]; (d)三角形折紙結(jié)構(gòu)指定位置生長(zhǎng)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(jié)構(gòu)[11]; (f)單質(zhì)金包覆的DNA 折紙棒狀結(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)作為模具定制形狀任意的金屬結(jié)構(gòu) (a)憑借DNA 模具策略制備的長(zhǎng)方體、三角形等不同形狀的銀納米結(jié)構(gòu)[13]; (b) DNA 模具外殼介導(dǎo)的棒狀單質(zhì)金結(jié)構(gòu)及金二聚體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)功能化位點(diǎn)延伸策略

與2.1 節(jié)中介紹的化學(xué)鍍的方法相比較， 功能化位點(diǎn)延伸策略同樣可以看成一種化學(xué)鍍.然而機(jī)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(jié)構(gòu)預(yù)先孵育或是使用金屬納米粒子作為成核位點(diǎn)來進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)進(jìn)行引導(dǎo).而以下介紹的工作中， 功能化DNA 鏈段的設(shè)置則為結(jié)構(gòu)的定制增添了更多的任意性和選擇性.

2019 年， 同濟(jì)大學(xué)柳華杰課題組和上海交通大學(xué)樊春海課題組開發(fā)了一種在DNA 折紙模板上定點(diǎn)生長(zhǎng)納米級(jí)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(zhǎng)方形折紙平面作為金屬定位生長(zhǎng)的平臺(tái)， 隨后在折紙平面上的特定位置伸出一段具有一定長(zhǎng)度的DNA 序列， 這些伸出的DNA 鏈段相對(duì)于折紙平面具有顯著的高度， 可以作為金屬生長(zhǎng)的圖案化成核位點(diǎn).之后的金屬化反應(yīng)中， 反應(yīng)體系中存在的金屬離子與伸出的DNA 鏈段當(dāng)中的胞嘧啶與鳥嘌呤具有強(qiáng)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(jìn)行簡(jiǎn)單的孵育便可以在預(yù)先設(shè)計(jì)的圖案上進(jìn)行金屬材料的定向沉積.該策略得到的金屬化圖案連續(xù)性較好， 具有納米級(jí)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(diǎn)進(jìn)而影響金屬離子沉積時(shí)的選擇性， 從而控制納米級(jí)精度的金屬化圖案只在具有功能化位點(diǎn)的特定位置生長(zhǎng).因而在該反應(yīng)策略當(dāng)中控制功能化位點(diǎn)的伸出的先后還可以控制金屬圖案生長(zhǎng)的時(shí)空次序，從而實(shí)現(xiàn)雙組分金屬圖案的生長(zhǎng).獲得的異質(zhì)的金屬化圖案均具有較高的連續(xù)性、完整程度和可辨識(shí)度， 對(duì)于精細(xì)納米電路板的定制和化學(xué)印刷具有深刻的啟示意義.

同時(shí)期， 國家納米科學(xué)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(yīng)策略， 如圖4(b)所示.該工作中仍然以DNA 折紙結(jié)構(gòu)作為生長(zhǎng)母體， 利用該母體在結(jié)構(gòu)上的可編程性在折紙結(jié)構(gòu)的任意位置伸出具有特定長(zhǎng)度的DNA 單鏈， 隨后將一端修飾有巰基的DNA 單鏈引入體系當(dāng)中， 對(duì)折紙結(jié)構(gòu)表面伸出的具有特定長(zhǎng)度的DNA 單鏈進(jìn)行尋址并進(jìn)行雜交，即相當(dāng)于通過這種方法將巰基修飾在了DNA 折紙結(jié)構(gòu)表面的任意位置.巰基與金屬離子之間強(qiáng)烈的配位作用可以促使DNA 折紙結(jié)構(gòu)完成對(duì)反應(yīng)環(huán)境中金屬離子的捕獲過程， 進(jìn)而與之后引入的還原劑發(fā)生反應(yīng)， 完成金屬圖案的選擇性生長(zhǎng).與先前報(bào)道的柳華杰課題組的反應(yīng)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(jié)構(gòu)與金屬離子之間的親和力由堿基-金屬離子配位作用轉(zhuǎn)換為巰基-金屬離子配位作用， 但兩種反應(yīng)策略的效果是相似的， 均可以得到納米級(jí)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(diǎn)延伸策略的金屬結(jié)構(gòu)原位生長(zhǎng) (a) DNA 折紙基板上8 字形納米電路的原位生長(zhǎng)[15]; (b) DNA 折紙三角形結(jié)構(gòu)上不同種類金屬結(jié)構(gòu)的定位生長(zhǎng)[16]; (c) DNA 折紙基板上二氧化硅結(jié)構(gòu)的圖案化生長(zhǎng)[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(chǔ)上， 丁寶全課題組[17]利用相似的反應(yīng)策略同樣實(shí)現(xiàn)了二氧化硅物質(zhì)的定點(diǎn)生長(zhǎng)， 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(zhǎng)方形折紙平面作為沉積平臺(tái)， 通過特異性的設(shè)計(jì)從折紙平面上伸出DNA 鏈段， 相當(dāng)于賦予該平臺(tái)一定數(shù)量的位置特定的功能位點(diǎn)， 進(jìn)而利用這些突出的功能位點(diǎn)與反應(yīng)體系中的硅源前驅(qū)體率先接觸， 誘導(dǎo)二氧化硅材料的優(yōu)先沉積， 從而成功將該類基于伸出的功能化連接位點(diǎn)的精準(zhǔn)圖案化定向生長(zhǎng)策略從金屬材料拓展至無機(jī)材料.

由于DNA 折紙結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)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(jié)構(gòu)中伸出的位置， 從而準(zhǔn)確地對(duì)材料的沉積位點(diǎn)進(jìn)行編輯， 通過調(diào)控DNA 鏈段伸出的數(shù)目和位置， 可以進(jìn)一步調(diào)控材料沉積的密度和反應(yīng)過程， 從而控制最終產(chǎn)物的尺寸和形狀甚至性質(zhì).

2.3 DNA 折紙結(jié)構(gòu)結(jié)合微納加工

與DNA 折紙術(shù)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(shù)手段實(shí)現(xiàn)體塊材料的減材[18，19].通過引入一定的微納加工技術(shù)與DNA折紙結(jié)構(gòu)相結(jié)合， 獲得的金屬納米結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)可以發(fā)揮類似于光刻工藝當(dāng)中的“掩模板”的作用， 再利用微納加工的方法進(jìn)行納米級(jí)金屬結(jié)構(gòu)的制造和裁剪， 從而將自上而下與自下而上的制造工藝結(jié)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(jié)構(gòu)作為掩模板， 利用氟化氫蒸汽對(duì)二氧化硅基底進(jìn)行刻蝕， 通過調(diào)整反應(yīng)過程當(dāng)中水的濃度來調(diào)整刻蝕過程的劇烈程度， 從而將三角形折紙結(jié)構(gòu)拓印為相同形狀的凹坑或凸臺(tái)， 如圖5(a)所示.三角形折紙結(jié)構(gòu)本身具有的孔洞經(jīng)過刻蝕之后仍然保留在二氧化硅基底上， 展現(xiàn)出該策略納米級(jí)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(gè)孔洞的長(zhǎng)方形折紙結(jié)構(gòu)作為模板在二氧化硅基底上定向刻蝕出了與模板結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)突破10 nm.

此外， Linko 課題組[22]在氧化鋁/氮化硅/硅/二氧化硅復(fù)合基底上沉積了三種不同結(jié)構(gòu)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(yīng)形狀的凹槽， 再用單質(zhì)金對(duì)凹槽進(jìn)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(zhì)金結(jié)構(gòu)， 除此以外還測(cè)定了不同單質(zhì)金結(jié)構(gòu)相應(yīng)的光學(xué)性質(zhì)， 如圖5(c)所示.

圖5 基于類平板印刷術(shù)的人工金屬結(jié)構(gòu)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(tái)結(jié)構(gòu)的制備[20];(b)以孔狀DNA 折紙結(jié)構(gòu)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(shù)對(duì)DNA 折紙結(jié)構(gòu)逐步復(fù)制制備等離子體金納米結(jié)構(gòu)[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(jié)與展望

由于DNA 折紙結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)端展現(xiàn)出的高度可編程性， 研究者們幾乎可以在構(gòu)建出的結(jié)構(gòu)上任意位置對(duì)DNA 鏈段進(jìn)行編輯和控制， 比如: 對(duì)DNA 鏈段進(jìn)行特定長(zhǎng)度的延伸， 對(duì)序列進(jìn)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(tuán)和某些特定的小分子， 從而賦予鏈段一定的功能.人們已經(jīng)可以利用這種對(duì)DNA 折紙結(jié)構(gòu)的程序式調(diào)控方法使其在任意位置精確地連接各類無機(jī)納米顆粒、蛋白質(zhì)、酶等物質(zhì)， 以及進(jìn)一步調(diào)控折紙結(jié)構(gòu)之間的組裝行為.作為結(jié)構(gòu)單元的DNA鏈段本身在DNA 折紙結(jié)構(gòu)當(dāng)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(jié)構(gòu)中任意位置的元素組成、原子個(gè)數(shù)及種類， 甚至可以給出某種原子在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的分布及坐標(biāo)位置.以磷原子為例， DNA 折紙骨架當(dāng)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(gè)折紙結(jié)構(gòu)當(dāng)中的走勢(shì)及所處的位置.可以進(jìn)一步通過在磷原子上修飾特定的基團(tuán)使其捕獲或使磷原子直接締合相應(yīng)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(jié)構(gòu)的DNA 鏈段的堿基序列是可以通過合理的設(shè)計(jì)進(jìn)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(jié)構(gòu)締合時(shí)的順序和位置，如圖6 所示.基于DNA 折紙結(jié)構(gòu)當(dāng)中DNA 序列的特異性， 甚至可以根據(jù)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(duì)目標(biāo)原子進(jìn)行定點(diǎn)安插， 實(shí)現(xiàn)幾乎任意的原子排布.時(shí)至今日， DNA 納米技術(shù)和DNA 折紙技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)允許我們通過對(duì)小至幾十納米的結(jié)構(gòu)單元的操縱實(shí)現(xiàn)微米級(jí)甚至毫米級(jí)組裝體的構(gòu)建， 通過以上構(gòu)想的方法， 也許可以實(shí)現(xiàn)在大尺度下進(jìn)行原子或原子簇的精密排列， 得到其具有特定結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)搭建上的無與倫比的精準(zhǔn)性及其組裝產(chǎn)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(jìn)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(jié)構(gòu)為模板進(jìn)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.