Only Perception: DNA 裝配線建構奈米粒子簇

2009-04-01

DNA 裝配線建構奈米粒子簇

DNA-Based Assembly Line for Nano-Construction of New Biosensors, Solar Cells (w/Video)
http://www.physorg.com/news157642260.html

March 30th, 2009

(PhysOrg.com) -- 建立在使用 DNA 來連接奈米粒子這種構想上，美國能源部 Brookhaven 國家實驗室（BNL）的科學家已經替可預測的、高度精確的奈米構造建造出一種分子裝配線。這種可靠、可重製的（reproducible）奈米製造技術（nano-fabrication）對於在生物感應器以及將日光轉換成電流這類應用中運用奈米粒子之獨特特性來說，是不可或缺的。

Brookhaven 團隊先前使用 DNA，攜帶生物遺傳密碼的分子，以各種排列方式連接奈米粒子，包括 3D 奈米催化劑。這種構想是，以 DNA 互補股（遺傳密碼序列的片段，它只能像高度專一性的魔鬼氈 (Velcro) 那樣與另一個結合）塗布的奈米粒子，幫助奈米粒子以高度專一的方式尋找並與另一個黏合。藉由改變互補性 DNA 與無法相符之（DNA）股的使用，科學家透過奈米粒子之間吸引力與排斥力的精確控制來實現所要的構造。注意，用於這些研究中的短小 DNA 連接股是在實驗室中以人工方式建構，並沒有像基因那樣，為任何蛋白質「編碼」。（譯註：或可避免造成 DNA 污染？詳見相關報導。）

最新進展是利用 DNA 連接器（DNA linker）將某些塗布 DNA 的奈米粒子附加到一固態表面上，以更進一步強迫（constrain）與控制這些奈米粒子能如何連接。這產生了更大的精密性，也因此是一種更可預測的、可重製的高生產量建構技術，藉此從奈米粒打造出奈米粒子簇（clusters）

"當某一粒子附加到一支持表面（support surface）時，它無法如那些自由漂浮的粒子那樣以同樣方式與其他分子或粒子反應，" Brookhaven 物理學家 Oleg Gang 解釋，他在該實驗室的功能性奈米材料中心領導這項研究。這是因為支持表面將粒子大約一半的反應性表面阻斷。附加一專門與結合粒子交互作用的 DNA 連結器，將允許所需粒子簇的合理組裝。

"藉由控制 DNA 連結器的數量以及它們的長度，我們能夠調控粒子間（interparticle）距離以及一個奈米簇的結構，" Gang 說。"再加上高精確度的 DNA 交互作用，這種表面定錨（surface-anchored，表面固定）技術允許將奈米物件精確的組裝成更加複雜的結構。"

並非像我們先前的研究那樣，將幾百萬個奈米粒子組裝成 3D 奈米結晶體，這種技術允許以個別粒子組裝成相當微小的結構。在這篇 Nature Material 論文中，科學家描述了對稱性雙粒子的連接，稱為二聚物，以及同樣微小的、不對成的粒子簇的製造細節 -- 二者均具有高產量，以及低濃度的其他不需要組合。

"當我們在某一特殊結構中排列少數幾個奈米粒子時，能夠浮現出新的特性，" Gang 強調。"在此例中的奈米粒子類似於原子，當它連結於一分子中，通常會展現出身為個別原子時所找不到的特性。我們的方法允許合理且有效地組裝奈米「分子」。這些新物質的特性也許有利於許多潛在應用。"

例如，在這篇論文中，科學家們描述當奈米粒子連結成二聚物粒子簇時，會發生一種光學效應。當電磁場與這個金屬粒子交互作用時，它誘使該物質的傳導性電子產生集體振盪（collective oscillation）。這種現象稱為電漿子共振（plasmon resonance），導致強烈吸收特定波長的光線。

"連結粒子之間的大小與距離影響了電漿子的行為，" Gang 說。藉由調整這些參數，科學家也許能設計出可在太陽能轉換裝置中吸收某一範圍波長的粒子簇。電漿子共振中的調整也許能成為傳送資料的新方法，或成為新型高專一性生物感應器的某種訊號。

非對稱粒子簇，那也由 Brookhaven 團隊所組裝，甚至允許更高程度的控制，也因此為功能性奈米材料開啟了新的設計與建造方法。

因為它的可靠性與精確控制，Brookhaven 的奈米組裝方法能為了高產量製造而擴大，那對於商業化應用不可或缺。Brookhaven Lab 已經為這種裝配方法以及此技術的數種特定應用申請了專利。

※ 相關報導：

＊ Stepwise surface encoding for high-throughput assembly of nanoclusters
http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/abs/nmat2421.html

Mathew M. Maye, Dmytro Nykypanchuk, Marine Cuisinier,
Daniel van der Lelie & Oleg Gang
Nature Materials Published online: 29 March 2009
doi: 10.1038/nmat2421