第1章DNA功能化Janus颗粒
　　本章首先从DNA的结构入手引出DNA在颗粒自组装中的应用，介绍DNA功能化颗粒的可编程性、可逆性、可调控性与特异性；然后介绍各向同性颗粒在各种体系下的结晶方式与结构调控以及DNA功能化颗粒的结晶规则；在此基础上介绍形状各向异性颗粒及其自组装行为，区分各向异性颗粒特异性的来源。重点介绍各向异性颗粒中的DNA功能化Janus颗粒及其制备方法、自组装结构与模拟计算。
　　1.1DNA的结构与DNA功能化颗粒
　　在自然界中，DNA广泛存在于生物体内。由于DNA具有独*的碱基配对相互作用（图1-1），可以携带大量的编码信息。在生物体内，这些编码信息作为生物的遗传信息存在，但是在DNA功能化颗粒中，这些信息可以指导颗粒自组装形成有序的结构。随着合成任意序列DNA链的化学方法的出现[1]，人们可以对DNA序列进行编程，并以高度特异性的方式进行组装。这种技术用到的DNA通常是短的、含有黏性末端的单链或者双链DNA，也就是所谓的寡核苷酸（oligonucleotides）。
　　DNA功能化颗粒能够像原子一样，在退火时发生结晶，形成多种与原子类似的超晶格结构[2]，或是形成多种簇状结构[3]，因此也被称为“可编程原子等价物”（programmable atom equivalent，PAE）[4]。这里的“可编程”指的是通过向系统添加信息（如DNA链的长度、序列等），来控制自组装结果（结构或动力学响应）的能力。利用这种能力，我们可以“自下而上”地设计并合成特定有序结构。除可编程的特点外，DNA功能化颗粒还具有可逆自组装的特点，DNA在高温下难以杂交，经过退火才能杂交，从而形成有序结构；重新升温就会导致DNA解杂交，有序结构被破坏，降温后又会恢复。这种特点使得人们可以通过温度来调控体系处于无序或有序的状态，同时方便人们通过改变黏性末端的方式使DNA功能化颗粒在多种晶格之间转换[5]。
　　与原子体系不同，DNA功能化颗粒具有可编程、可调控的晶格结构，使得我们可以在微观尺度上对材料进行精细化设计与控制。由于DNA的核苷酸种类是固定的，再加上碱基之间的特异性识别，寡核苷酸链上碱基数量和碱基序列对DNA功能化颗粒晶体结构的控制可以达到亚纳米尺度，人们可以借此来精准调控颗粒之间的距离，从而调控晶格参数。尽管完全可编程的自组装还没有实现，但根据许多各向同性颗粒实验与模拟结果，我们已经总结出一些DNA功能化颗粒自组装的规则，这些规则可以广泛用于多种体系（一元、多元）、多种颗粒（各向同性、各向异性）、多种尺度（纳米级、微米级）的自组装行为。有这些规则的帮助，我们可以设计出更多、更复杂的自组装结构的合成策略，并对每一项晶体学参数进行独立、精准的调控。
　　颗粒之间的特异性作用力是颗粒自组装的基础。各向同性颗粒之间作用力的特异性依赖于寡核苷酸黏性末端之间的特异性识别，而各向异性颗粒之间的特异性更为复杂。除了黏性末端的特异性识别外，也可能是因颗粒形状不同导致的几何特异性；还可能是对颗粒表面不对称功能化造成的识别位点分布特异性，就像Janus颗粒一样。正因为特异性作用力的存在，造成了形成自组装结构的复杂性。对比各向同性颗粒与各向异性颗粒的自组装行为就会发现，颗粒之间的特异性越高，形成的自组装结构就越复杂。
　　1.2各向同性颗粒的自组装行为
　　从DNA功能化颗粒出现到自组装形成长程有序结构经过了多年的实验。最初的DNA功能化是在纳米金颗粒上接枝单链，通过与一根较长的DNA模板（DNA template）杂交，纳米金颗粒会发生二聚或者三聚[图1-2（a）][6]。使用盐溶液可以屏蔽DNA磷酸骨架之间的静电排斥作用，从而实现更加密集的接枝。但是高浓度的盐溶液同时会屏蔽纳米颗粒之间的静电排斥，导致颗粒过早发生聚集，无法形成有序结构，所以在实验中一般使用逐步提高盐浓度的方法[7]。即使实现了高密度的接枝，早期的实验也只能得到短程有序的结构。但是人们在减小黏性末端碱基的数量并使用退火程序后，实现了自组装的长程有序。使用短的黏性末端减小了寡核苷酸之间的吸引力，使得黏性末端处于不断杂交、解杂交的状态，再加上退火程序缓慢降低温度[8]，体系容易达到平衡并呈现热力学稳定状态。
　　在金颗粒上接枝的寡核苷酸通常由四部分组成[图1-2（b）]：①烷基-硫醇基团，连接着大约10个碱基的非结合区（作用是增加接枝链的柔性），通过巯基与金原子相连，锚定在金颗粒表面；②DNA连接子（DNA linker）[图1-2（b）中红色和蓝色的DNA链，作用是使颗粒表面接枝的寡核苷酸带有不同的黏性末端]特异性识别的序列；③长度可控的结合区，用于控制颗粒之间的距离；④黏性末端，可以与通过碱基配对互补序列发生特异性杂交，这是自组装形成有序结构的基础，黏性末端的长度也决定了使自组装结构形成与解聚的温度，黏性末端越长，颗粒之间的作用力越大，解聚温度就越高。
　　DNA功能化颗粒之间的吸引力与黏性末端之间的吸引力对温度的响应有很大的不同。随着温度升高，黏性末端的热运动加剧，寡核苷酸发生解杂交，进一步导致DNA功能化颗粒之间的吸引力减弱。在此，定义使一半颗粒发生解聚集的温度为颗粒的熔化温度Tm。通过对比DNA功能化颗粒聚集率和黏性末端杂交率随温度变化的曲线（图1-3），就会发现DNA功能化颗粒聚集率曲线更加陡峭，意味着DNA功能化颗粒会在更窄的温度范围内发生熔化转变。这与DNA功能化颗粒的“多价性”有关，即单个颗粒上接枝多个寡核苷酸。在颗粒发生聚集时，会产生多对黏性末端的杂交，每一对黏性末端的杂交都会产生构象熵的下降，总的构象熵减被黏性末端数量放大，导致在Tm附近自由能随温度的变化更加剧烈，在几摄氏度的范围内就会发生从无序到聚集的转变[10]。需要注意的是，通常DNA双螺旋解杂交温度与DNA功能化颗粒的解聚集温度是不同的，图1-3中为了比较曲线的陡峭程度将两曲线的熔融温度Tm设为相同。
　　在绝大多数体系中，DNA功能化颗粒自组装形成的平衡结构由“互补接触模型”（complementary contact model，CCM）决定，即使带有互补链的颗粒接触最大的晶格就是平衡时形成的晶格。一元体系中，颗粒接枝的寡核苷酸是自互补（self-complementary）的同种颗粒上的寡核苷酸发生杂交，最终形成的平衡晶格就是同种颗粒配位数最大的面心立方（face-centered cubic，FCC）晶格[图1-4（a）]。在二元体系中，情况就会复杂很多，我们需要考虑二元体系中两种颗粒的相对大小和黏性末端的数量比。最简单的二元体系是相同大小的两种颗粒，分别接枝了可以相互杂交的两种寡核苷酸。它们最终形成的是使异种颗粒配位数最大的CsCl晶格[图1-4（b）]。当我们调整两种颗粒大小时，二元体系还会形成AlB2[图1-4（c）]、Cr3Si[图1-4（d）]和Cs6C60[图1-4（e）]等多种晶格。但是，不同晶格的异种颗粒配位数是不相同的，也就是说每种颗粒需要的黏性末端数量是不同的，这时就需要通过改变加入体系中两种DNA连接子的比例来改变黏性末端的比例。经过大量实验，人们绘制出一张晶体结构随两种颗粒半径比和两种DNA连接子数量比变化的相图（图1-5）。其中，相图（a）的三个维度分别代表颗粒的半径比、DNA连接子数量比和特定晶格结构的DNA杂交率；图（b）为图（a）的俯视图。图1-5中颜色越深的部分DNA的杂交率越大，意味着形成的晶格在热力学上更为稳定。值得注意的是这里的半径比并不是无机颗粒的半径比，而是整个DNA功能化颗粒的流体力学半径比，颗粒的流体力学半径由无机颗粒的半径以及接枝寡核苷酸的长度共同决定。相图的绘制对于DNA功能化颗粒形成的自组装结构设计与稳定性预测具有重要的意义。对于一个任意的二元体系，只要知道两种颗粒的流体力学半径比就可以得到热力学上最稳定的晶格，并由此计算出体系需要的DNA连接子的数量比，而颗粒的流体力学半径可以由接枝寡核苷酸的长度进行调节。
　　相图对于DNA功能化颗粒的自组装有热力学上的指导意义，但是在自组装过程中因为环境条件的不同也会形成一些动力学稳定的结构。FCC晶格与密排六方（hexagonal close-packed，HCP）晶格[图1-4（f）]都是12配位的晶格结构，能量上FCC稍低于HCP。一元体系中，退火早期会首先形成HCP晶格，然后逐渐转变为更稳定的FCC晶格[11]。如果直接在低温下退火，或者使用较长的黏性末端来减慢寡核苷酸杂交与解杂交的速度，就会使自组装结构保持HCP晶格。关于自组装环境条件对结构的影响，另一个更为显著的例子是在两种颗粒大小相同的二元体系中，如果在低于熔化温度Tm的条件下退火，自组装形成的是焓控制的CsCl晶格；如果在Tm附近结晶，形成的就是熵控制的FCC晶格，这是因为在Tm附近，黏性末端杂交与解杂交更加容易，熵对体系自由能的贡献增大，颗粒会自发形成空间占有率更高的晶格（FCC、HCP），以使体系的熵更大[8]。
　　对于二元体系的研究是非常深入并且成功的，当体系扩大为三元时，体系的复杂程度更高，形成长程有序的结构更加困难。为了自组装形成长程有序结构，需要对体系进行更加精细的设计。如果直接将三种组分混合起来退火，很难得到有序的三维结构，所以人们采用了一种“插入式”的组装策略[12]。首先使前两种颗粒组装形成较大的有序晶格，称为“母晶格”（parent superlattice），再加入体积较小的第三种纳米粒子，称为“子粒子”（daughter nanoparticles），插入二元晶格的空隙中，形成最终结构。我们可以将这一过程与金属晶体或者离子晶体联系起来。与共价键不同，金属键、离子键没有方向性和饱和性，这一点和各向同性的DNA功能化颗粒非常相似。处于晶格中的DNA功能化颗粒虽然已经和周围的颗粒发生最大程度的DNA杂交，但表面仍然有很多黏性末端处于未杂交的状态，方便了子粒子与母晶格中已有颗粒进一步杂交。这要求子粒子的体积小到足够进入二元晶格的空隙，但不能过小而导致黏性末端无法与周围颗粒接触。形成三元有序结构除了对颗粒体积的要求外，还有对颗粒黏性末端的要求。为了避免出现三种组分在同温度下退火的情况，在设计时要求子粒子的黏性末端比母晶格中的两种颗粒要短，这样，子粒子的退火温度会低于母晶格。这样的设计也使得三元体系的自组装保持了可逆性。退火过程中，母晶格首先形成，继续降温，子粒子进入晶格形成最终结构。在升温过程中，首先达到子粒子的熔化温度，子粒子脱离母晶格，之后母晶格熔化（图1-6）。