通訊作者：Ashwin Gopinath, Paul W. K. Rothemund對(duì)于自組裝形成器件而言，關(guān)鍵之處在于對(duì)納米結(jié)構(gòu)組分的位置、取向進(jìn)行精確控制。有鑒于此，加州理工大學(xué)Ashwin Gopinath, Paul W. K. Rothemund等報(bào)道設(shè)計(jì)了一種不對(duì)稱DNA折紙，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)“small moon”（小月亮）形狀的DNA結(jié)合到SiO2基底上的光刻圖案上，誤差角度低于3°。首次實(shí)現(xiàn)了以確定方向/角度將大規(guī)模數(shù)量納米尺度器件按照設(shè)計(jì)修飾，而且能夠?qū)γ總€(gè)單位納米器件的取向進(jìn)行單獨(dú)控制。通過(guò)在微納加工光學(xué)腔中定向排列熒光偶極子，驗(yàn)證了這種取向的器件進(jìn)行規(guī)模化很好的將器件的性能優(yōu)化。在大規(guī)模化器件中，排列12種不同取向的3456個(gè)DNA折紙納米器件，實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光的極化情況進(jìn)行響應(yīng)。對(duì)于制備納米尺度器件，將納米器件進(jìn)行大規(guī)模集成化形成到控制電路、微流體等芯片，通常需要溶液相自組裝SPSA（solution-phase self-assembly）、直接自組裝DSA（directed self-assembly）兩種技術(shù)。對(duì)于分子、碳納米管、半導(dǎo)體納米線構(gòu)建的納米器件，難以通過(guò)對(duì)硅進(jìn)行微納米加工處理的傳統(tǒng)方法搭建，但是此類結(jié)構(gòu)納米器件無(wú)法避免SPSA溶液處理過(guò)程。在不同納米器件結(jié)合成電路的過(guò)程中，或者僅僅將它們連接構(gòu)建成規(guī)模化的宏觀結(jié)構(gòu)，研究者需要通過(guò)一系列的DPA直接自組裝技術(shù)將各種納米器件沉積到微納芯片的特定位點(diǎn)。目前，對(duì)于沒(méi)有取向性的球狀結(jié)構(gòu)納米器件而言，組裝技術(shù)能夠很好的工作；對(duì)于直線型納米器件，通過(guò)流動(dòng)、對(duì)齊等處理方法能實(shí)現(xiàn)同一取向。相比而言，對(duì)于多重取向、非對(duì)稱納米器件（二極管、晶體管）而言，目前仍沒(méi)有比較合適的實(shí)施方案。在DNA技術(shù)中，SPSA溶液相自組裝技術(shù)的發(fā)展比較成熟，在制備低于光刻尺度器件中能夠?qū)?00 nm尺度的碳納米管、金屬納米粒子、熒光分子、量子點(diǎn)、導(dǎo)電聚合物等并排排列，在100 ×70 nm DNA矩形結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)3~5 nm的分辨率。對(duì)于DSA直接自組裝技術(shù)而言，通常使用地形、化學(xué)圖案、場(chǎng)、流動(dòng)相等進(jìn)行分子、納米粒子實(shí)現(xiàn)構(gòu)建高級(jí)結(jié)構(gòu)。目前在以連續(xù)嵌段共聚物、納米球/納米線顆粒，DSA技術(shù)都能夠很好的兼容，但是對(duì)于DNA作為模板的DSA技術(shù)，當(dāng)納米器件的形貌、對(duì)稱性起到重要作用，DSA技術(shù)還沒(méi)有很好的解決方法。對(duì)于DNA模板直接自組裝技術(shù)而言，主要存在兩個(gè)巨大困難：分別為將計(jì)算的立體結(jié)構(gòu)在器件中的絕對(duì)取向結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)、在一步中同時(shí)對(duì)大量納米器件的絕對(duì)方向?qū)崿F(xiàn)取向。DNA折紙放置（DOP，DNA origami placement）是能夠解決以上問(wèn)題的潛在方法，單分子DNA折紙形狀能夠同時(shí)起到多種作用：作為硬模板構(gòu)建特定形狀納米器件、作為轉(zhuǎn)接器將納米器件連接到芯片上。在DOP技術(shù)中，通過(guò)折紙和光刻圖案化結(jié)合位點(diǎn)之間的匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)控制器件的x、y方向位移，同時(shí)控制面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角θ。DOP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，能夠?qū)崿F(xiàn)成百數(shù)千的大規(guī)模納米器件進(jìn)行定量排列，同時(shí)位置、角度、誤差等都能夠符合預(yù)期條件。能夠在各種平面基底上，包括SiO2、石英、SiN、金剛石型碳等。DOP的缺點(diǎn)在于，該方法無(wú)法兼容對(duì)稱三角形納米結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷?duì)稱三角形結(jié)合的方向有6種可能性，因此無(wú)法控制絕對(duì)角度，導(dǎo)致在DOP種等邊三角形結(jié)構(gòu)器件只能用在合適對(duì)稱結(jié)構(gòu)器件中（點(diǎn)狀、三重對(duì)稱、六重對(duì)稱）。在界面上選擇性修飾電荷的方法。修飾Mg2+與負(fù)電荷DNA折紙結(jié)合，中性基底與DNA折紙的相互作用較弱。具體通過(guò)電子束光刻，在pH 8.3的DNA折紙緩沖溶液中，硅烷醇水解導(dǎo)致形成負(fù)電荷區(qū)域界面，未光刻的區(qū)域通過(guò)在界面上硅烷化形成三甲基硅基形成中性。克服上下表面對(duì)稱性。分別對(duì)兩種取向直角三角形的兩面中的一面選擇性修飾鈍化吸附作用基團(tuán)，因此在與基底結(jié)合的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)選擇性，通過(guò)電荷配對(duì)，實(shí)現(xiàn)選擇性吸附。分別在上、下兩個(gè)面通過(guò)修飾不同數(shù)量的單鏈（single-stranded）ss DNA，實(shí)現(xiàn)了吸附面選擇性。克服旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。選取一種修飾后的直角三角形DNA折紙，考察取向的情況，發(fā)現(xiàn)僅僅40 %能夠很好的符合基底設(shè)計(jì)取向方向。同時(shí)，在遠(yuǎn)離預(yù)期方向的集中在θ=-150°、150°發(fā)現(xiàn)8.7 %、10.6 %的錯(cuò)誤取向結(jié)果。通過(guò)計(jì)算模擬分別考察了動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)過(guò)程對(duì)這種未達(dá)預(yù)期的取向結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)熱力學(xué)上并沒(méi)有能量上表現(xiàn)對(duì)取向的影響，取向是通過(guò)動(dòng)力學(xué)決定的，動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果顯示在0°、-150°、150°有選擇性。動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果很好的和實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)符合。說(shuō)明通過(guò)動(dòng)力學(xué)控制能夠很好的控制實(shí)現(xiàn)吸附過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性。進(jìn)一步的，作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)DNA折紙表現(xiàn)為一種“small moon”形狀，具體為含有圓孔的圓形DNA折紙，這種結(jié)構(gòu)在計(jì)算模擬中表現(xiàn)了很好的旋轉(zhuǎn)取向性。隨后在實(shí)驗(yàn)中，展示了很好的旋轉(zhuǎn)取向性。作者考察了不同孔徑中的旋轉(zhuǎn)選擇性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大部分情況中都實(shí)現(xiàn)了較好的旋轉(zhuǎn)取向選擇性。作者通過(guò)熒光分子TOTO-3作為標(biāo)記分子，驗(yàn)證了DNA折紙實(shí)現(xiàn)了較好的旋轉(zhuǎn)取向。作者將這種DNA折紙結(jié)構(gòu)、熒光分子組裝形成2D旋光器件，其由12個(gè)菱形結(jié)構(gòu)按照30°角度旋狀組裝成圓形圖案。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了直接通過(guò)肉眼對(duì)偏振光的檢測(cè)，無(wú)需使用旋光儀。Ashwin Gopinath*, Chris Thachuk, Anya Mitskovets, Harry A. Atwater, David Kirkpatrick, Paul W. K. Rothemund*, Absolute and arbitrary orientation of single-molecule shapes Science 2021, 371 (6531), eabd6179DOI: 10.1126/science.abd6179https://science.sciencemag.org/content/371/6531/eabd6179該項(xiàng)工作于2018年8月預(yù)先發(fā)表于預(yù)印版網(wǎng)站arXiv上。https://arxiv.org/abs/1808.04544
