基于 DNA 組裝的納米光電技術(shù)新進(jìn)展

武春雷 粟 武

(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)藥與技術(shù)研究所 深圳 518055)

基于 DNA 組裝的納米光電技術(shù)新進(jìn)展

武春雷 粟 武

(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院生物醫(yī)藥與技術(shù)研究所 深圳 518055)

新型納米光電器件需要在納米尺度實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行精確和可控的空間排列。DNA 具有獨(dú)特的堿基配對(duì)識(shí)別機(jī)制和雙螺旋結(jié)構(gòu)，以及制備簡(jiǎn)單，形狀和尺寸均可程序化設(shè)計(jì)，并可精確定點(diǎn)修飾等優(yōu)勢(shì)，因此已經(jīng)作為模板組裝各類(lèi)超分子廣泛應(yīng)用于納米光電和納米醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。DNA 組裝的光子陣列是將一系列的發(fā)色官能團(tuán)根據(jù)設(shè)計(jì)需要精確定位在 DNA 模板上，通過(guò)多步熒光共振能量轉(zhuǎn)移，完成光子的傳遞過(guò)程。文章主要綜述了近年來(lái)基于 DNA 組裝的光子陣列取得的新進(jìn)展，并對(duì)以后的發(fā)展進(jìn)行展望。

DNA 納米技術(shù)；光子陣列；熒光共振能量轉(zhuǎn)移；吡咯—咪唑聚酰胺；量子點(diǎn)；光捕獲

1 引 言

納米技術(shù)的誕生為光電器件的設(shè)計(jì)與研制帶來(lái)了新的發(fā)展前景。因此新一代的光電器件需要在納米水平對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行精確、可控的空間排列，這是傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的。分子自組裝技術(shù)通過(guò)靜電作用、范德華力、疏水作用力、氫鍵等非共價(jià)鍵作用能夠在分子水平實(shí)現(xiàn)有序的定位、定向排列，為納米光電器件的研制提出了新的方法——自下而上(Bottom to Up)的組裝方式。在自然界中，DNA 具有高度選擇性的堿基配對(duì)作用(腺嘌呤 A 與胸腺嘧啶 T 配對(duì)，鳥(niǎo)嘌呤 G 與胞嘧啶 C 配對(duì))和雙螺旋結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì) DNA 序列的精密設(shè)計(jì)，DNA 分子可以自組裝成二維和三維等可控的納米結(jié)構(gòu)。而且 DNA 的合成方法簡(jiǎn)單、成本低，易于在特定位置進(jìn)行化學(xué)修飾，有利于功能分子沿著 DNA 鏈精確排列。這些特點(diǎn)使 DNA 在功能納米器件的組裝和構(gòu)建中展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)[1-4]。

在 DNA 組裝的眾多納米光電器件中，各種類(lèi)型的光子陣列的組裝與設(shè)計(jì)備受關(guān)注[5-7]，它們?cè)诠馓幚砗凸忾_(kāi)關(guān)器件[8,9]和生物探針[10]等領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。關(guān)于 DNA 組裝的光子陣列本研究組曾做過(guò)相關(guān)的綜述[5]，而本文將主要對(duì)近年來(lái) DNA 組裝的光子陣列的研究發(fā)展前沿做一綜述，包括 DNA 折紙術(shù)(DNA origami)組裝的光子陣列，DNA 結(jié)合具有特異識(shí)別功能的聚酰胺、納米材料組裝光子陣列，以及 DNA用于光捕獲天線(xiàn)的組裝。

2 基于 DNA 組裝的光子陣列

DNA 組裝的光子陣列是以 DNA 分子作為模板，一系列的發(fā)色團(tuán)以一定的模式排列在 DNA鏈上，這些發(fā)色團(tuán)的吸收和發(fā)射光譜有部分重疊，并依次紅移形成能量層。當(dāng)輸入發(fā)色團(tuán)被激發(fā)后，激發(fā)態(tài)能量通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移(Fluorescence Resonance Energy Transfer，F(xiàn)RET)依次轉(zhuǎn)移到輸出發(fā)色團(tuán)，完成光子的傳遞過(guò)程。FRET 有兩種模式，即非均相(hetero-FRET)和均相(homo-FRET)。其中，hetero-FRET 指具有能量差的不同的熒光染料間，能量沿著能量差單向傳遞，并伴隨著光譜紅移(圖1(a))。homo-FRET發(fā)生在同一種染料間，由于染料的斯托克斯位移太小，導(dǎo)致吸收與發(fā)射光譜重疊較多，能量在染料間無(wú)方向的擴(kuò)散性傳遞(圖1(b))。

2.1 基于 DNA origami 組裝的光子陣列

圖1 多步 hetero-FRET (a) 和 homo-FRET (b) 示意圖(箭頭表示能量傳遞方向)Fig.1. Schematic diagram of multi-step hetero-FRET (a) and homo-FRET (b)(Arrows indicate the direction of energy transfer)

DNA origami 是利用 DNA 分子的特殊結(jié)構(gòu)和堿基互補(bǔ)配對(duì)的規(guī)則，將 DNA 長(zhǎng)鏈的特定區(qū)域進(jìn)行折疊，并用短鏈加以固定，構(gòu)造出預(yù)期的結(jié)構(gòu)[11]。利用 DNA origami 得到的結(jié)構(gòu)作為模板組裝熒光分子，可以得到多種模式的光子陣列，并能控制能量傳遞方向。Stein 等[12]基于 DNA origami 自組裝技術(shù)，利用長(zhǎng)鏈 DNA 模板和修飾熒光基團(tuán)的短鏈 DNA 構(gòu)建了二維的光子陣列。修飾綠色“跳躍”染料 ATTO565 的短鏈 DNA 的位置選擇性地控制能量從藍(lán)色染料 ATTO488 轉(zhuǎn)移到紅色染料 ATTO647N 或者近紅外染料 Alexa 750(圖2(a))。與此類(lèi)似，Hannestad 等[13]用“Y”型 DNA 鏈作為構(gòu)建單元組裝成了六邊形的 DNA 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并在特定位置修飾 Pacific Blue(PB)、fluorescein、Cyanine3(Cy3)三種熒光發(fā)色基團(tuán)。如圖2(b)所示，沒(méi)有 YO-PRO-1(YO)嵌入 DNA 雙鏈時(shí)，PB 的激發(fā)能會(huì)轉(zhuǎn)移到輸出染料 fluorescein，轉(zhuǎn)移效率達(dá)到 57%，隨后少部分能量會(huì)繼續(xù)從 fl uorescein 轉(zhuǎn)移到 Cy3，但能量轉(zhuǎn)移效率只有 29%。加入 YO 時(shí)，PB 的激發(fā)能經(jīng) YO 轉(zhuǎn)移到 Cy3，能量轉(zhuǎn)移效率顯著增加，達(dá)到 50%?？梢钥闯觯琘O 作為中間染料選擇性地控制了能量的傳遞和輸出。

Stein 等[12]和 Hannestad 等[13]利用 DNA origami 的多維納米結(jié)構(gòu)在中間染料的作用下控制了能量傳遞方向。Graugnard 等[14]則利用 DNA origami 為多步 FRET 設(shè)置了開(kāi)關(guān)功能，動(dòng)態(tài)控制能量傳遞。Graugnard 等[14]設(shè)計(jì)了兩個(gè)開(kāi)關(guān)，即開(kāi)關(guān) 1 和開(kāi)關(guān) 2，圖2(c) 所示為開(kāi)關(guān) 2。開(kāi)關(guān)2 包含一條長(zhǎng)鏈的支架 DNA 和三條用于固定的短鏈 DNA，其中三條短鏈 DNA 分別修飾輸入染料 FAM(藍(lán)色)、中間染料 TAMRA(綠色)和輸出染料 Cy5(紅色)，第四條控制鏈(深紅)在其靠近Cy5 的一端修飾淬滅基團(tuán) IBRQ，用于控制能量傳遞。當(dāng)五條 DNA 鏈雜交后，通過(guò)多步 FRET能量由 FAM 經(jīng) TAMRA 傳遞到 Cy5，由于 IBRQ的存在，Cy5 發(fā)出的熒光被 IBRQ 淬滅，開(kāi)關(guān) 2處于“OFF”的狀態(tài)。當(dāng)加入去除鏈(粉色)時(shí)，去除鏈與修飾 IBRQ 的控制鏈雜交，控制鏈脫離DNA 支架，Cy5 熒光恢復(fù)，開(kāi)關(guān) 2 處于“ON”的狀態(tài)。當(dāng)繼續(xù)加入恢復(fù)鏈(黃色)，恢復(fù)鏈與去除鏈雜交，控制鏈被釋放，重新與 DNA 支架雜交，Cy5 的熒光又被 IBRQ 淬滅，開(kāi)關(guān) 2 回到“OFF”的狀態(tài)。

圖2 DNA origami 組裝的多樣化光子陣列Fig.2. Various photonic array assemblies based on DNA origami

開(kāi)關(guān) 1 的設(shè)計(jì)與開(kāi)關(guān) 2 類(lèi)似，不同的是TAMRA 代替 IBRQ 修飾在控制鏈的中間位置，之前修飾 TAMRA 的短鏈 DNA 不做任何修飾，只起固定作用。開(kāi)關(guān) 1 的“ON”、“OFF”狀態(tài)與開(kāi)關(guān) 2 剛好相反，兩個(gè)開(kāi)關(guān)是互補(bǔ)的。原則上，兩個(gè)開(kāi)關(guān)結(jié)合使用能執(zhí)行任何布爾函數(shù)，Cy5 熒光信號(hào)的存在或者消失對(duì)應(yīng)邏輯“1”或者“0”。

利用 DNA origami 組裝光子陣列多采用較長(zhǎng)的 DNA 鏈，而且發(fā)色團(tuán)一般通過(guò)共價(jià)作用連接在 DNA 鏈上，或者共價(jià)作用與非共價(jià)作用相結(jié)合。Zhang 等[15]打破了這一傳統(tǒng)的方法，利用只有 6 個(gè)堿基長(zhǎng)度的 DNA，不需要任何發(fā)色團(tuán)的共價(jià)修飾，結(jié)合金屬離子螯合作用、環(huán)糊精與金剛烷主客體作用等超分子組裝模式，構(gòu)建了 DNA 納米光子線(xiàn)。這 6 個(gè)堿基長(zhǎng)度的 DNA 包含四個(gè)連續(xù)的鳥(niǎo)嘌呤 G，兩端修飾金剛烷分子。當(dāng) K+存在時(shí)，四條短鏈 DNA 基于鳥(niǎo)嘌呤的堆積作用形成四個(gè) G 共面的 G-四聚體。當(dāng)加入 β-環(huán)糊精修飾的卟啉環(huán)時(shí)，G-四聚體兩端的金剛烷基于主客體作用嵌入 β-環(huán)糊精，形成數(shù)個(gè) G-四聚體相連的 DNA 納米線(xiàn)。此時(shí) SYBR Green 1 以1∶1 的模式嵌入 G-四聚體，由于 SYBR Green 1 的發(fā)射光譜與卟啉的吸收光譜相重疊，因此從SYBR Green 1 到卟啉發(fā)生 FRET，能量傳遞效率達(dá)到 75%(圖2(d))。

2.2 基于分子特異性識(shí)別 DNA 模板組裝光子陣列

吡咯—咪唑聚酰胺(Pyrrole-Imidazole Polyamides，Py-Im PA)是一類(lèi)能夠特異性識(shí)別雙鏈 DNA 的發(fā)夾型芳香雜環(huán)化合物，與 DNA 結(jié)合具有高度的選擇性和親和力，DNA 識(shí)別長(zhǎng)度可以達(dá)到 6～10 個(gè)堿基。吡咯—咪唑聚酰胺中的Py、Im 單體與雙鏈 DNA 的堿基發(fā)生氫鍵作用，產(chǎn)生特異性結(jié)合，其中 Py/Im 特異性識(shí)別 C/G，Py/Hp(N-甲基-3 羥基-吡咯)特異性識(shí)別 A/T，結(jié)合模式如圖3(a) 所示[16]。

目前吡咯—咪唑聚酰胺已廣泛應(yīng)用于調(diào)控基因表達(dá)、抑制腫瘤活性和 DNA 檢測(cè)等領(lǐng)域[17]，很少有研究小組將吡咯—咪唑聚酰胺應(yīng)用到納米光子線(xiàn)的組裝中。作者所在研究組基于吡咯—咪唑聚酰胺對(duì) DNA 的識(shí)別作用，首次構(gòu)建了吡咯—咪唑聚酰胺組裝的 DNA 納米光子線(xiàn)[18]。首先，一條 DNA 鏈的 5' 端修飾 PB 作為能量供體，與其互補(bǔ)的 DNA 鏈的 5' 端修飾 Cy3 作為能量受體，YO 作為內(nèi)嵌染料修飾在聚酰胺末端。聚酰胺特異性識(shí)別雜交的雙鏈 DNA 后，PB 的激發(fā)能就會(huì)經(jīng) YO 傳遞到 Cy3。與只用 YO 嵌入DNA 雙鏈組裝的光子線(xiàn)相比，借助聚酰胺組裝的 DNA 光子線(xiàn) FRET 效率大大提高，從 15% 增加到 49%。并且這種組裝方法使光子線(xiàn)的長(zhǎng)度能夠達(dá)到 80 個(gè)堿基，約為 27 nm，超越了之前各類(lèi)DNA 納米組裝方法所能實(shí)現(xiàn)的能量傳遞距離。

圖3 基于特異性識(shí)別 DNA 模板組裝光子陣列Fig.3. Photonic array assemblies based on the speci fi c recognition of DNA templates

雖然該組裝方法的能量傳遞效率有所提高，但是在這種方式組裝的納米光纖結(jié)構(gòu)中，YO 間的能量轉(zhuǎn)移是雙向共振式的 homo-FRET，因而許多能量在均相共振過(guò)程中損失，而不能有效定向地轉(zhuǎn)移到 Cy3 受體，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)移效率隨著 YO-YO 間轉(zhuǎn)移次數(shù)的增加而減少。為了設(shè)計(jì)更巧妙的、方向可控的基于聚酰胺組裝的 DNA納米光子陣列，本研究組又以“Y”型 DNA (Three-Way Junction，3WJ)為支架發(fā)展了控制能量傳遞方向的非均相的 DNA 納米光子傳遞系統(tǒng)[19]。如圖3(b) 所示，PB-DNA20、Cy3-DNA30 和 Cy3.5-DNA20 (20、30 表示 DNA 堿基個(gè)數(shù)，PB、Cy3、Cy3.5 表示修飾在 DNA 5' 端的染料)構(gòu)成 3WJ，其中 3WJ 的左臂含有 PA1 的識(shí)別序列 5' -WGGWCW-3' (W 為 A 或者 T)，右臂含有 PA3 的識(shí)別序列 5' -WGWCGW-3'，PA1、PA3 末端均修飾中間染料 A488。在三維的 3WJ結(jié)構(gòu)中，PA1、PA3 仍然能夠有效識(shí)別靶序列，并控制 FRET 沿著 3WJ 的左臂從 PB 經(jīng) A488 到Cy3，或者沿著其右臂從 PB 經(jīng) A488 到 Cy3.5，或者兩者同時(shí)發(fā)生。這是首次將聚酰胺應(yīng)用到多維的 DNA 納米光子陣列中，證明了具有高特異識(shí)別能力的聚酰胺成為一種新的強(qiáng)有力的工具用于 DNA 光子陣列的組裝。

2.3 基于量子點(diǎn)感光的 DNA 光子陣列

DNA 組裝的多發(fā)色團(tuán)的納米光子線(xiàn)，依賴(lài)于排列在 DNA 支架上的發(fā)色團(tuán)的光物理性能。這些發(fā)色團(tuán)多是普通的有機(jī)染料。然而有機(jī)染料的吸收與發(fā)射光譜較寬，在發(fā)生 FRET 時(shí)容易產(chǎn)生光譜干擾，并且光穩(wěn)定性弱、易被光漂白，這些不足影響發(fā)色團(tuán)間的能量傳遞效率，阻礙了納米光子線(xiàn)的進(jìn)一步發(fā)展。因此研究者努力尋找合適的發(fā)色團(tuán)用于構(gòu)建納米光子線(xiàn)，將目光轉(zhuǎn)向了光性能優(yōu)越的熒光納米材料。量子點(diǎn)(Quantum Dots，QDs)是一種尺寸介于 l～20 nm 的半導(dǎo)體熒光納米顆粒，具有尺寸依賴(lài)的吸收和發(fā)射光譜，量子產(chǎn)率高，光穩(wěn)定性強(qiáng)等獨(dú)特的光學(xué)性能[20]。因此量子點(diǎn)成為 FRET 供體的最佳選擇。

Boeneman 等[21]將能夠發(fā)生連續(xù) FRET 的熒光染料 Cy3、Cy5、Cy5.5、Cy7 依次標(biāo)記在DNA 鏈上，當(dāng)其與互補(bǔ)鏈雜交后修飾在 QDs 表面時(shí)，構(gòu)成了以 QDs 為中心供體的 DNA 納米光子線(xiàn)(圖4)。這個(gè)體系充分利用了 QDs 的光學(xué)優(yōu)勢(shì)，并且一個(gè)量子點(diǎn)表面可以連接 4 條 DNA光子線(xiàn)，形成以 QDs 為中心的樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)。然而該體系的能量傳遞效率并不高，四步連續(xù)的FRET 之后只有 0.1%。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，該研究小組為提高 FRET 效率，從四個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：(1)優(yōu)化 DNA 修飾化學(xué)使其更小和更易操作；(2)優(yōu)化供體—受體染料對(duì)，去掉光不敏感的 Cy7，增加 Cy3.5，使供體、受體光譜重疊更充分；(3)根據(jù)斯托克斯位移 R0優(yōu)化 DNA 鏈上熒光染料之間的距離，依次為 1.5 R0、1.0 R0和 0.5 R0；(4)增加 QDs 表面 DNA 光子線(xiàn)的數(shù)目。結(jié)果表明，當(dāng)供體、受體之間的距離為 0.5 R0時(shí)，能量傳遞效率最高。與第一代 QDs-DNA 混合結(jié)構(gòu)相比，第二代結(jié)構(gòu)能量傳遞效率提高了 2 個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到 10%[22]。

QDs-DNA 混合光子結(jié)構(gòu)的組裝才剛剛開(kāi)始探索，還有很多的條件需要優(yōu)化以提高能量傳遞效率。例如避免染料的光降解或者采用光性能更強(qiáng)更穩(wěn)定的染料，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面將會(huì)朝著更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)發(fā)展，如 QDs 與多維 DNA 納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，或者多個(gè) QDs 排列在 DNA 鏈上，構(gòu)建多個(gè)能量供體少數(shù)受體的體系。

圖4 基于 QDs 感光的 DNA 納米光子線(xiàn)Fig.4. DNA programmed photonic arrays taking QDs as central donor

2.4 DNA 組裝的光捕獲天線(xiàn)

光捕獲天線(xiàn)起源于生物有機(jī)體光合作用中的光捕獲復(fù)合物[23]。光捕獲天線(xiàn)通過(guò)多步的 homo-FRET 或者 hetero-FRET，將排列在分子支架上的多個(gè)光吸收分子的激發(fā)能轉(zhuǎn)移到單個(gè)或者少數(shù)的能量受體，如圖5(a)所示。類(lèi)似于 DNA 組裝的光子線(xiàn)，DNA 組裝的光捕獲天線(xiàn)也可以利用DNA orgami 組裝成二維、三維等多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)。Dut

ta 等[24]以七條螺旋 DNA 束組裝成柱形陣列構(gòu)建了光捕獲天線(xiàn)。如圖5(b)所示，柱形陣列中周?chē)牧鶙l螺旋 DNA 修飾供體染料乙炔基芘(Py)、Cy3，中心的螺旋 DNA 修飾受體 Alexa Fluor 647 (AF)。其中 Py 作為一級(jí)供體，Cy3 作為二級(jí)供體，能量從 Py 轉(zhuǎn)移到 Cy3，再?gòu)?Cy3轉(zhuǎn)移到 AF。三種染料配比不同，能量傳遞效率也會(huì)受之影響。在比例為 6∶6∶1、6∶3∶1、3∶6∶1、1∶1∶1 時(shí)，天線(xiàn)效率 AE(激發(fā)供體時(shí)受體的發(fā)射強(qiáng)度與直接激發(fā)受體時(shí)受體的發(fā)射強(qiáng)度的比值)分別為 85%、43%、47%、16%。這是由于 Py 的減少會(huì)使光吸收能力減弱，而 Cy3 的減少會(huì)使 Py 到 Cy3 的能量傳遞效率降低，從而使 AE 有所降低。

Garo 等[25]將多個(gè)菲分子(Phenanthrene)代替DNA 堿基交錯(cuò)修飾在兩條互補(bǔ)的 DNA 鏈的中間位置，一個(gè)芘(Pyrene)分子連接在其中一條堆積的菲分子的末端(圖5(c))。當(dāng) 320 nm 的光激發(fā)菲時(shí)，最末端的菲和芘形成激態(tài)復(fù)合物，發(fā)出450 nm 的熒光，熒光強(qiáng)度隨著菲分子數(shù)目的增加而增強(qiáng)。因此在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，多個(gè)堆積的菲分子作為光吸收天線(xiàn)，菲—芘激態(tài)復(fù)合物作為能量收集中心。在此基礎(chǔ)上，該研究小組對(duì)此構(gòu)建方法進(jìn)行改進(jìn)，將芘修飾在另外一條鏈的中間位置(綠色)，讓其與中間位置修飾有多個(gè)菲分子的兩條 DNA 鏈(紅色和藍(lán)色)形成 3WJ 型 DNA 納米結(jié)構(gòu)(圖5(d))[26]。如果以二萘嵌苯或者 Cy 染料代替芘構(gòu)建 3WJ 結(jié)構(gòu)，菲的激發(fā)能就會(huì)通過(guò)能量轉(zhuǎn)移

圖5 DNA 作為模板組裝的光捕獲天線(xiàn)Fig.5. Light-harvesting antennas using DNA as the template

被二萘嵌苯淬滅或者使 Cy 發(fā)射熒光。如前所述，Dutta 和 Garo 等都是將供體分子共價(jià)連接在 DNA 鏈上，這就限制了光捕獲復(fù)合物中供體分子的數(shù)目(Garo 等[25]設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中能夠連接 8 到 10 個(gè)菲分子)，并且隨著供體數(shù)目的增加，DNA 合成難度會(huì)逐漸增大。Benvin 等以嵌入染料 YO-PRO-1 作為能量供體，Cy3 作為能量受體，利用 3WJ 型、四面體型 DNA 構(gòu)建多維的光捕獲復(fù)合物時(shí)表明，每?jī)蓚€(gè)堿基對(duì)就能嵌入一個(gè)染料分子[27,28]，可見(jiàn) DNA 嵌入染料作為光捕獲劑的巨大優(yōu)勢(shì)。因此 Woller 等[29]以嵌入染料 YO-PRO-1 作為供體，卟啉分子作為受體連接在 39 個(gè)堿基長(zhǎng)的雙鏈 DNA 的中間位置，并嵌入脂質(zhì)雙層，形成水油兩相體系，如圖5(e)所示。這種光捕獲天線(xiàn)，最大供體/受體比能夠達(dá)到20∶1，光吸收系數(shù)達(dá)到 260000 M—1·cm—1，與直接激發(fā)卟啉相比，光吸收能力增大了 31 倍，天線(xiàn)效應(yīng) AE 提高了 12 倍，充分說(shuō)明這種體系強(qiáng)大的光捕獲能力以及高效的能量轉(zhuǎn)移。

3 展 望

DNA 通過(guò)嚴(yán)格的堿基互補(bǔ)配對(duì)規(guī)則，憑借其精確的納米級(jí)結(jié)構(gòu)特征(雙螺旋直徑 2 nm，堿基對(duì)間的距離 0.34 nm)，以及可任意添加、剪裁，可定點(diǎn)修飾的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)光敏元件在納米水平高密度化、高精確化的組裝，為新一代的光電器件超越微型化的技術(shù)極限提供了有力保障。隨著 DNA 自組裝技術(shù)的發(fā)展，納米光電器件的組裝與設(shè)計(jì)越來(lái)越多樣化、復(fù)雜化、功能化。通過(guò)對(duì) DNA 模板的巧妙設(shè)計(jì)，納米光電器件有望在分子水平得以控制和操作，應(yīng)用于光化學(xué)反應(yīng)。在未來(lái)的研究中，光穩(wěn)定性弱的有機(jī)染料有可能會(huì)被光性能優(yōu)越的納米材料、金屬?gòu)?fù)合物代替，或采用可編輯的蛋白質(zhì)-DNA 混合結(jié)構(gòu)使光敏分子排列更緊密[2,30]，以構(gòu)建更加復(fù)雜的穩(wěn)定性更好的光電器件，滿(mǎn)足納米光電、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、醫(yī)學(xué)診斷等對(duì)新材料的更高要求。

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Recent Progress in DNA-Based Assembly Photonic Arrays

WU Chunlei SU Wu
( Institute of Biomedicine and Biotechnology, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenzhen 518055, China )

The development of nano-optoelectronic devices is especially relevant to the control of the spatial arrangement of photoactive materials with nanoscale precision. Because of its base pairing and double-helix structure, as well as easy preparation, programmable control over their shape and size, and precise spatial addressability, DNA has been used as the template to organize a variety of nanoscale elements for nanophotonics and nanomedical research. The DNA-based photonic arrays are multiple fl uorophores programmed sequentially along DNA scaffold to achieve energy transfer through multi-step fl uorescence resonance energy transfer. In this review, the discussion focused on the progrsses of DNA-based assembly photonic arrays in recent years, and insights for future directions were provided.

DNA nanotechnology; photonic arrays; fl uorescence resonance energy transfer; pyrrole-imidazole polyamides; quantum dots; light-harvesting

TN 29

A

2014-06-23

武春雷，研究助理，研究方向?yàn)槎嚯暮铣杉捌湓诠δ芑{米材料中的應(yīng)用；粟武(通訊作者)，研究員，研究方向?yàn)?DNA 特異性識(shí)別聚酰胺的合成及其在納米光電和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中的應(yīng)用，E-mail：wu.su@siat.ac.cn。