新型层次化纳米杂化结构的DNA自组装纳米制造

本课题面向纳米制造的基础方法学研究，充分基于DNA分子精确可控的自组装特性，以申请人课题组在纳米材料的DNA功能化和程序化组装方面积累的实验技术为基础，旨在通过自下而上的自组装策略，发展常规方法难以实现的，具有特殊层次结构的新型纳米杂化结构的纳米制造新方法，为获得具有催化、传感和光学性能的纳米材料以及构建新型纳米仿生结构和光电功能器件等应用奠定方法基础。本项目主要研究内容包括：（1）单分散核-卫星状纳米粒子团簇的高效制备；（2）纳米团簇在一维和二维模板上阵列结构的组装及产物的分离与纯化；（3）均相溶液中新型纳米印章技术的实现及用于岛状纳米粒子阵列结构的制造；（4）二维纳米粒子阵列的有序化和不对称修饰方法。本课题充分体现了分子生物学、生物物理、化学和材料科学的高度交叉，研究结果将为实现纳米结构的组合构造，定制特定功能的多元多层次纳米结构，研究材料的结构-性能相关性等提供可靠的方法和技术基础。

项目执行期间，围绕新型层次化纳米杂化结构的纳米制造方法学开展研究，取得以下主要研究成果：（1）实现了铂、银纳米粒子的“价态”可控DNA功能化，基于DNA分子精准的碱基互补配对作用，构筑出结构、组成严格可控的离散型层次化金属纳米杂化结构；（2）制备出单分散的Au@Ag和Au@Pd双金属核壳纳米结构并实现了其价态可控的DNA功能化，以这两种核壳结构为组装模块构建了一系列具有催化和表面增强拉曼活性的层次化纳米异质结构；（3）发展出单、双核型核-卫星纳米粒子团簇结构的可控组装方法，得到稳定且结构高度一致的金纳米粒子团簇，可进一步用于制造具有更高结构层次的纳米杂化超结构；（4）基于微球表面的空间位阻效应，成功地在蛋白质功能化的石墨烯两面修饰不同类型的纳米粒子，实现了二维石墨烯片层的双面不对称功能化；（5）将自组装和化学沉积有效融合，构造出具有优异稳定性和可调等离激子光学特性的二维层次化金/银纳米杂化结构，这一结构亦表现出良好的抗菌活性；（6）以单壁碳纳米管为模板结合自组装和无电化学沉积（金、银、钯等）技术，构造出微-纳复合型一维层次化多金属纳米复合结构；（7）以蛋白质分子或DNA序列包裹的石墨烯和单壁碳纳米管为模板，利用DNA功能化金纳米粒子与蛋白质或DNA间相互作用的可调控性，成功实现金纳米粒子核-卫星结构在一维和二维碳纳米模板上的层次化高效组装；（8）基于层次化纳米制造的思想，以球形纳米粒子为模板，实现了金纳米粒子在其表面的高密度组装与有效固定，去除模板后成功得到具有纳米通透性的金纳米粒子自组装中空胶囊；（9）研究了分子、离子协同相互作用以及核酸链取向对纳米粒子组装过程的调控机制，实现了纳米粒子自组装过程的多重化学调控。本项目在Chem. Sci.，Chem. Commun.，J. Mater. Chem.，Langmuir以及Anal. Chem.等重要SCI期刊上发表论文10篇，出版邀请英文专著2章，毕业博士生3名，硕士生2名，培养的博士生获求是奖学金以及中科院院长奖学金等。