【儀表網 儀表研發】近日，中國科學院上海高等研究院光源科學中心物理生物學研究室、中國科學院上海應用物理研究所和上海交通大學合作發展了一種用單鏈DNA編碼金納米粒子的方法，并實現了動態“納米”分子反應。該方法通過設計一條多嵌段的單鏈DNA序列，可以賦予金納米粒子類似原子的離散價態和正交價鍵。這些“納米”原子則可通過DNA分子反應組裝成各向異性的“納米”分子，并進而產生“納米”分子反應。
 

　　脫氧核糖核酸(英文DeoxyriboNucleic Acid，縮寫為DNA)是生物細胞內含有的四種生物大分子之一核酸的一種。DNA攜帶有合成RNA和蛋白質所必需的遺傳信息，是生物體發育和正常運作必不可少的生物大分子。DNA由脫氧核苷酸組成的大分子聚合物。脫氧核苷酸由堿基、脫氧核糖和磷酸構成。其中堿基有4種：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。
 

　　DNA 分子結構中，兩條多脫氧核苷酸鏈圍繞一個共同的中心軸盤繞，構成雙螺旋結構。脫氧核糖-磷酸鏈在螺旋結構的外面，堿基朝向里面。兩條多脫氧核苷酸鏈反向互補，通過堿基間的氫鍵形成的堿基配對相連，形成相當穩定的組合。
 

　　對微觀尺度的分子或材料進行精確的動態調控，體現了人類對微觀世界的認知與操控能力。然而，對納米粒子的精確動態調控仍然充滿挑戰。在生物體中，生物分子機器具有極為精巧的結構并受到嚴密的時空調控，而這些復雜結構的時空排布信息是由一維的DNA分子序列所編碼而成的。受此啟發，該團隊提出利用多嵌段的單鏈DNA序列來編碼金納米粒子表面的價鍵信息，進而構建具有離散價態與正交價鍵的“納米”原子。
 

　　納米粒子是指粒度在1―100nm之間的粒子(納米粒子又稱超細微粒)。屬于膠體粒子大小的范疇。它們處于原子簇和宏觀物體之間的過度區，處于微觀體系和宏觀體系之間，是由數目不多的原子或分子組成的集團，因此它們既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統。
 

　　納米粒子表面活化中心多，這就提供了納米粒子做催化劑的必要條件。目前，用納米粒子進行催化反應可以直接用納米微粒如鉑黑、銀、氧化鋁、氧化鐵等在高分子聚合物氧化、還原及合成反應中做催化劑，可大大提高反應效率，利用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應觸媒，燃燒效率可提高100倍；催化反應還表現出選擇性，如用硅載體鎳催化劑對丙醛的氧化反應表明，鎳粒徑在5nm以下時選擇性急劇變化，醛分解得到控制，生成酒精的選擇性急劇上升。
 

　　以這些“納米”原子為基元，可以通過正交的DNA配對自組裝形成具有精確顆粒數和各向異性的“納米”分子。而這些“納米”分子在合成后仍然具備可重排的能力。因而，利用DNA鏈取代反應，可以引發動態的“成鍵”與“斷鍵”，模擬加成、分解、置換和復分解等多種基本化學反應。他們還基于這一體系設計了單顆粒邏輯門，并集成為“投票機”邏輯電路。當多數輸入信號為正(“贊成票過半”)時，“納米”分子解離；當只有少數信號為正時，“納米”分子不發生解離反應。這些精確組裝而具有動態響應能力的納米“原子”和“分子”有望應用于生物智能診斷與治療等領域。