将纳米尺度的材料组织成有结构有序的三维（3D）阵列，是纳米材料实用化的可行策略之一，比如目前颇受关注的纳米颗粒自组装。但是，将不同的纳米材料组装在一起却往往因为兼容性问题而难以成功。生物大分子DNA被不少研究者用于纳米材料组装，将不同性质的材料分别修饰互补的DNA单链，通过单链间的互补配对可以实现纳米材料的有序组织。然而，该方法很难控制组装过程，内部精确定义的有序材料结构也很难实现。目前，人们依然在寻找到一种通用的方法以方便快捷地实现纳米材料的有序组装。

近日，美国布鲁克海文国家实验室（BNL）的Oleg Gang等研究者提出一种新策略，他们将不同纳米材料置于三维DNA框架中，然后再利用框架顶点的DNA单链进行框架之间的互补配对组装，从而形成纳米材料的有序三维阵列。该方法可以实现在纳米尺度上控制形成有序的三维材料，适合多种不同纳米材料，并且通过控制DNA框架形状可以有效控制所得三维材料的结构、形状和性质。相关工作发表在Nature Materials 上。

图1. 基于DNA框架实现纳米材料三维有序排列的机理图。图片来源：Nat. Mater.

在该策略中，不同形状的DNA多面体框架（如图1中的四面体、八面体和立方体）只在顶点上修饰可以互补配对的DNA单链，通过它们的互补配对即可通过顶点-顶点杂交的方式实现DNA框架有序组装。也就是说，这些DNA多面体框架可以看作是具有空间形状所决定的不同价态（valence, v），比如图1中四面体为4价、八面体为6价、立方体为8价，而这种框架价态则直接决定了组装阵列的结构。借用材料学中晶体的概念，这种含或不含纳米材料的DNA框架之间的杂交可视为组装成了某种有序的晶格（lattice），从而得到空的DNA框架或精确定位的纳米材料阵列。

为了证明该方案的可行性，作者首先设计了DNA八面体框架（边长约29 nm），八面体的每个顶点都引入了单链DNA，且两个八面体的单链DNA互补。在成功得到了空DNA框架组装体之后，他们更进一步，希望在这些DNA框架中装入纳米材料“货物”。他们在直径10 nm金纳米颗粒上修饰DNA单链，通过与DNA八面体框架内部的DNA链互补以将金纳米颗粒固定在框架中（图2a-b），完成金纳米颗粒的“打包”。随后再混合这些“打包”好的金纳米颗粒，借助框架顶点上互补单链DNA的结合进行组装，由低温扫描透射电镜和小角X射线散射可证明三维有序材料的形成（图2c、2e）。当然，纳米材料“货物”也可以在DNA八面体框架组装完成之后再加入，也能得到纳米材料的三维有序阵列（图2d）。即便一种DNA八面体框架“有货”而一种DNA八面体框架“无货”，也一样可以成功组装。

图2. 基于八面体DNA框架将金纳米颗粒进行有序排列。图片来源：Nat. Mater.

为了进一步证明该方法的通用性，作者将直径5 nm的硒化镉量子点用同样的方法“打包”于八面体DNA框架中，并通过DNA框架的组装形成了有序的三维材料阵列（图3a-b）。作者还尝试了其他形状的DNA框架。将DNA八面体框架换为立方体框架和四面体框架时也同样能得到有序的三维结构（图3d和3f）。

图3.（a）将硒化镉量子点引入八面体DNA框架中并通过互补配对形成有序的三维材料；（b和c）将金纳米颗粒分别引入立方体和四面体DNA框架中并通过互补配对形成有序的三维材料。图片来源：Nat. Mater.

除此之外，作者还将纳米材料“货物”换为生物大分子——链霉亲和素（一种蛋白质），并进行了研究（图4）。在DNA八面体框架内修饰生物素化的DNA，就可以通过生物素-链霉亲和素相互作用“打包”链霉亲和素。同样方法组装DNA八面体框架后，低温扫描透射电镜等表征方法证实，的确形成了结构精确控制的蛋白质三维阵列。

图4. 将链霉亲和素引入DNA八面体框架中并通过互补配对形成有序的三维材料。图片来源：Nat. Mater.

为了证明该方法的应用前景，作者进一步尝试将两种不同“货物”用DNA框架组装在一个三维阵列中。首先是两种不同发射波长（525 nm及705 nm）的硒化镉量子点被分别“打包”于两种八面体DNA框架，结果证明，这两种硒化镉量子点可以组装在一起形成三维有序阵列（图5a-b）。DNA框架可以控制量子点之间的距离，能够实现量子点的超晶格光电响应，这很有应用前景。其次是两种不同的酶——葡萄糖氧化酶（GOx）和辣根过氧化物酶（HRP），一样可以组装在一起，同时这对偶联酶的催化效率提高了四倍左右（图5c-d）。

图5. 由分别掺杂了量子点和酶的DNA立方体组装形成的三维材料的光学（a和b）和催化性能（c和d）。图片来源：Nat. Mater.

总结

总的来说，Oleg Gang等研究者提出了一种通用的纳米材料三维组装策略，利用DNA框架装载纳米材料或者生物大分子，然后基于框架顶点的互补DNA单链进行自组装，即可实现纳米材料有序三维阵列的制备。该方法能够在纳米级别控制材料的组装，可装载的纳米材料范围广泛，并且还可将不同纳米材料有序整合在一个三维阵列中。这对以后设计新型材料提供了借鉴，在生物、无机材料、通信和信息存储设备等领域都有重要的价值。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Ordered three-dimensional nanomaterials using DNA-prescribed and valence-controlled material Voxels

Ye Tian, Julien R. Lhermitte, Lin Bai, Thi Vo, Huolin L. Xin, Huilin Li, Ruipeng Li, Masafumi Fukuto, Kevin G. Yager, Jason S. Kahn, Yan Xiong, Brian Minevich, Sanat K. Kumar, Oleg Gang

Nat. Mater., 2020, DOI: 10.1038/s41563-019-0550-x

（本文由Sunshine供稿）