基于DNA 折紙模板的鐵原子陣列構(gòu)建及其信息加密應(yīng)用*

凡洪劍 李江 王麗華 樊春海 柳華杰?

1) (同濟(jì)大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院， 上海自主智能無(wú)人系統(tǒng)科學(xué)中心， 先進(jìn)土木工程材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092)

2) (中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院， 張江實(shí)驗(yàn)室， 上海光源科學(xué)中心， 上海 201800)

3) (上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院， 上海 200240)

1 引 言

自20 世紀(jì)50 年代以來(lái)， 硅基集成電路技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了電子計(jì)算機(jī)的蓬勃發(fā)展.然而， 隨著“自上而下”的光刻等手段不斷走向尺寸極限， 電路越來(lái)越集成化、電子設(shè)備越來(lái)越小型化的要求正面臨新的巨大挑戰(zhàn)， 后摩爾時(shí)代的來(lái)臨已迫在眉睫.突破原有技術(shù)極限， 進(jìn)行原子尺度的精準(zhǔn)構(gòu)筑， 是當(dāng)前的重大科學(xué)問(wèn)題， 也是解決下一代信息技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵.不同于“自上而下”的光刻、操縱等手段，“自下而上”的自組裝是構(gòu)成生命體系的基本原理，也充分展示出生命體從原子直到宏觀(guān)的跨尺度、跨維度的精準(zhǔn)度， 更在此基礎(chǔ)上使生命體展現(xiàn)出了超乎無(wú)機(jī)材料的智能性.受此啟發(fā)， 從原子尺度進(jìn)行物質(zhì)的人工自組裝， 通過(guò)調(diào)控基本構(gòu)筑單元的物理排布與功能集成， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)器件制造， 是未來(lái)的一項(xiàng)前沿發(fā)展方向.

DNA 是一類(lèi)具有原子級(jí)精準(zhǔn)度的生物大分子.基于精確的A-T， G-C 堿基配對(duì)原理， DNA 單鏈之間可以形成具有堿基序列特異性的雙鏈結(jié)構(gòu)—即著名的DNA 雙螺旋結(jié)構(gòu)， 此外DNA 也能夠形成三鏈[1]、四鏈[2]等結(jié)構(gòu).特定序列的DNA單鏈可通過(guò)人工化學(xué)合成獲得， 而通過(guò)設(shè)計(jì)并合成DNA 序列， 就能夠?qū)崿F(xiàn)可編程性自組裝構(gòu)建人工DNA 納米結(jié)構(gòu).這些DNA 納米結(jié)構(gòu)可看作由若干DNA 鏈在空間上進(jìn)行排布， 進(jìn)而形成的人工框架結(jié)構(gòu)， 由于框架上的每個(gè)堿基位置都是可定位的， 因此也為功能基元在框架上的定點(diǎn)修飾提供了可能[3，4].DNA 框架結(jié)構(gòu)中最為著名的是DNA 折紙(DNA origami)結(jié)構(gòu)[5]， 組裝原理是由約200 多條20—60 堿基的訂書(shū)釘鏈(staple)引導(dǎo)一條7000多堿基的骨架鏈(scaffold)以類(lèi)似光柵填充的形式折疊而成， 具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可編程設(shè)計(jì)性， 能夠設(shè)計(jì)構(gòu)建任意二維和三維結(jié)構(gòu)[6].DNA 折紙?jiān)诮Y(jié)構(gòu)上可看作一種具有精確尋址功能的模板，經(jīng)常被用作有機(jī)染料分子[7]、核酸[8]、蛋白質(zhì)[9-11]、無(wú)機(jī)納米顆粒[12-15]、碳納米管[16，17]等的陣列構(gòu)建，在光電器件[18]、生物醫(yī)藥[19-21]、信息處理[7，22，23]等領(lǐng)域取得了一系列重要應(yīng)用.

本文首次基于DNA 折紙結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)尋址性，進(jìn)行原子陣列的自組裝構(gòu)筑.由于原子的化學(xué)穩(wěn)定性問(wèn)題， 實(shí)驗(yàn)選取二茂鐵分子為研究對(duì)象， 通過(guò)兩個(gè)茂基使鐵原子處于穩(wěn)定的化學(xué)狀態(tài)， 再通過(guò)化學(xué)共價(jià)修飾將二茂鐵準(zhǔn)確定位在DNA 折紙的指定位置上， 構(gòu)成受茂基保護(hù)的鐵原子陣列圖案.為了展示此材料的應(yīng)用潛力， 結(jié)合前期發(fā)展的DNA 折紙加密技術(shù)(DNA origami cryptography， DOC)[24]，發(fā)展了基于原子陣列的加密技術(shù)(A-DOC).通過(guò)對(duì)DNA 序列及自組裝過(guò)程的編碼， 將明文加密成密文隱藏于鐵原子陣列中， 并借助單分子成像手段進(jìn)行密文的讀取， 最后使用正確密鑰進(jìn)行解密.該策略在原子層面上整合了加密術(shù)和隱寫(xiě)術(shù)， 理論上適用于文本、數(shù)字、圖片等各類(lèi)信息的加密， 為信息安全的發(fā)展提供了一種具有巨大潛力的生物分子解決方案.

2 “信息預(yù)置”思路制備鐵原子陣列圖案

圖1 鐵原子陣列的構(gòu)建 (a)， (b) 信息鏈預(yù)置于骨架鏈上的策略形成DNA 折紙并組裝鐵原子陣列， 通過(guò)生物素和鏈霉親和素的強(qiáng)結(jié)合力將位置顯影; (c)—(e) 3 個(gè)位點(diǎn)單個(gè)鐵原子圖案組裝原子力表征圖(比例尺: 100 nm)Fig.1.Fabrications of iron atoms arrays.(a)， (b) The M-strand strategy forms DNA origami and assembles the iron atoms arrays.The position is visualized by the strong binding force of biotin and streptavidin.(c)—(e) The atomic force characterization diagram of the assembly of a single iron atom at three sites (scale bar: 100 nm).

本文提出的鐵原子陣列圖案構(gòu)建思路如圖1所示， 與通常的DNA 折紙組裝方法不同， 本文采用了一種具有“信息預(yù)置”特點(diǎn)的思路(圖1(a)).首先， 根據(jù)最終陣列圖案的要求， 將用于固定二茂鐵基團(tuán)的訂書(shū)釘鏈先與長(zhǎng)骨架鏈雜交結(jié)合.這個(gè)過(guò)程等同于將鐵原子陣列信息“預(yù)置”于骨架鏈上， 因此， 這些訂書(shū)釘鏈被稱(chēng)為“信息鏈”(M-strand， M 鏈)(補(bǔ)充材料的圖S1 (online)).第二步， 攜帶信息鏈的骨架鏈經(jīng)過(guò)純化后與一套通用訂書(shū)釘鏈集合(universal staples)進(jìn)行退火， 形成折紙結(jié)構(gòu)， 此時(shí)的折紙?jiān)陬A(yù)定放置鐵原子陣列的位點(diǎn)上具有相同的一段捕獲序列.為了將二茂鐵基團(tuán)在折紙結(jié)構(gòu)上進(jìn)行固定， 即形成鐵原子陣列， 實(shí)驗(yàn)中采用了修飾有二茂鐵的DNA 序列， 通過(guò)分子識(shí)別與折紙上的捕獲序列雜交結(jié)合(圖1(b)).在修飾二茂鐵的序列另一端修飾了生物素分子(biotin)使鐵原子陣列能夠以成像的方式被觀(guān)測(cè)到.這是因?yàn)樯锼胤肿幽軌蛱禺愋缘嘏c鏈霉親和素(streptavidin， SA)結(jié)合， 而后者能夠被原子力顯微鏡(atomic force microscope， AFM)清晰成像， 從而可通過(guò)觀(guān)測(cè)SA陣列來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的鐵原子陣列形狀.因此， 修飾有二茂鐵與生物素的序列可被稱(chēng)為“顯影鏈”(N-strand，N 鏈)， 而SA 就是“顯影劑”.M 鏈與骨架鏈結(jié)合部分的長(zhǎng)度為40 個(gè)堿基(補(bǔ)充材料的圖S2 (online))，M 鏈延伸端與N 鏈序列互補(bǔ).

需要指出的是， 本思路的實(shí)現(xiàn)基于對(duì)DNA 雜交反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的嚴(yán)格調(diào)控.在預(yù)置有M 鏈的骨架鏈與通用訂書(shū)釘鏈集合共同退火時(shí)，M 鏈的長(zhǎng)度以及退火溫度決定了能否避免未期望的解離以及設(shè)計(jì)圖案的生成.一方面， M 鏈的長(zhǎng)度可以通過(guò)模擬計(jì)算確定， 需特別注意的是要避免M 鏈在骨架鏈上形成來(lái)回折疊， 以及由于M 鏈的獨(dú)特設(shè)計(jì)對(duì)于周?chē)渌啎?shū)釘鏈的影響.結(jié)果顯示， M 鏈與骨架鏈雜交長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為40 堿基時(shí)， 與普通訂書(shū)釘鏈比較， 在能量上具有較大優(yōu)勢(shì)(補(bǔ)充材料的圖S3 (online)).另一方面， 退火溫度的選擇可以進(jìn)一步避免預(yù)置M 鏈的脫落， 根據(jù)模擬結(jié)果，在起始溫度設(shè)置為57 ℃、M 鏈與骨架鏈結(jié)合長(zhǎng)度為40 個(gè)堿基時(shí)， 未配對(duì)比例僅為3.5%; 而對(duì)于普通訂書(shū)釘鏈， 與骨架鏈的未配對(duì)比例， 相比M 鏈高了至少2 倍以上.

與通常制備DNA 折紙結(jié)構(gòu)的思路不同， 將信息鏈預(yù)置于骨架鏈上極大降低了實(shí)驗(yàn)工作量.設(shè)單個(gè)折紙的訂書(shū)釘鏈數(shù)量是s， 陣列中的鐵原子數(shù)量是m， 按常規(guī)做法需要將m 條信息鏈去替代對(duì)應(yīng)的普通訂書(shū)釘鏈， 即需要將m 條信息鏈與s－m 條剩余普通訂書(shū)釘鏈逐條混合， 然后再和1 條骨架鏈混合， 總計(jì)需要s + 1 個(gè)混鏈步驟.需要指出的是，如果制備另一個(gè)不同的鐵原子陣列， 前述混合的樣品將完全不能使用， 而是再重新經(jīng)過(guò)s + 1 個(gè)步驟獲得新的樣品.以圖1 所示的十字形折紙為例， 共有201 條普通訂書(shū)釘鏈， 如果用于制備圖1(c)—(e)中的3 個(gè)不同圖案， 需要606 個(gè)混鏈步驟.但是，使用“信息預(yù)置”的方法， 只需混合1 個(gè)包含201 條普通訂書(shū)釘鏈的通用庫(kù)， 然后根據(jù)圖案的不同單獨(dú)將信息鏈與骨架鏈混合即可， 總計(jì)需要207 個(gè)混鏈步驟.如果一次制備的通用訂書(shū)釘鏈集合的量非常巨大， 不再考慮構(gòu)建此集合的步驟， 此方法將進(jìn)一步節(jié)省工作量， 僅需6 步就能完成.

為了驗(yàn)證此方法的有效性， 對(duì)鐵原子在十字形折紙的3 個(gè)不同位置上的組裝效率進(jìn)行了測(cè)試， 如圖1(c)—(e)所示， 分別是棱角上、棱中點(diǎn)和折紙面上.由于二茂鐵和生物素是同步修飾在N 鏈兩端，AFM 下觀(guān)測(cè)到SA 的正確組裝即說(shuō)明生物素和二茂鐵都固定在正確的位置上.結(jié)果顯示， 這3 個(gè)不同位置的組裝效率均在90%以上， 分別為96.3%，97.3%， 90.3%.最終圖案的高效組裝決定于三方面的高效率: 一是M 鏈在骨架鏈上的高效結(jié)合， 二是顯影劑N 鏈高效地與M 鏈延伸段雜交， 三是SA與生物素的結(jié)合效率.SA 與生物素的結(jié)合被公認(rèn)為親和能力很強(qiáng)， 以上結(jié)果驗(yàn)證了本方案在M 鏈和N 鏈的結(jié)合上也具有高效率， 因此實(shí)現(xiàn)折紙上鐵原子陣列構(gòu)建的有效性.

3 “一鍋法”同時(shí)制備不同鐵原子陣列圖案

采用“信息預(yù)置”的另一個(gè)更為重要的優(yōu)勢(shì)， 是能夠?qū)崿F(xiàn)以“一鍋法”同時(shí)批量制備多種不同的陣列圖案.如圖2(a)所示， 將攜帶不同M 鏈的3 條DNA 骨架鏈進(jìn)行混合， 然后與通用訂書(shū)釘鏈集合進(jìn)行退火， 可以在一鍋內(nèi)制備出三種鐵原子點(diǎn)陣圖案.其實(shí)現(xiàn)原理是， 信息鏈M 從能量上保護(hù)了雜交位置的骨架鏈， 使普通訂書(shū)釘鏈難以與骨架鏈雜交， 即替換下M 鏈; 攜帶不同M 鏈的骨架鏈之間同樣也不會(huì)發(fā)生串?dāng)_.從結(jié)果看， 該方法成功獲得了所設(shè)計(jì)的三種點(diǎn)陣圖案， 且觀(guān)察到的圖案比例分布與各骨架鏈的比例一致， 這證實(shí)了訂書(shū)釘鏈對(duì)M 鏈與骨架鏈的結(jié)合幾乎沒(méi)有影響.此外， 也沒(méi)有觀(guān)察到兩個(gè)圖案點(diǎn)出現(xiàn)在同一個(gè)折紙上的情況發(fā)生， 說(shuō)明沒(méi)有發(fā)生不期望的解離并結(jié)合到別的骨架鏈的情況(圖2(b)).

這種一鍋法技術(shù)， 在實(shí)驗(yàn)工作量上也實(shí)現(xiàn)了很大的簡(jiǎn)化.仍然設(shè)M 鏈數(shù)量和普通訂書(shū)釘鏈數(shù)量分別為m 和s， 需要m 步來(lái)構(gòu)建M 鏈集合， s 步構(gòu)建通用訂書(shū)釘鏈集合.對(duì)于常規(guī)做法， 由于改變陣列圖案即需要重新混合全部訂書(shū)釘鏈， 因此對(duì)于每個(gè)樣品都需要s + 1 個(gè)步驟; 而對(duì)于一鍋法， 由于不需要重建預(yù)混合的通用訂書(shū)釘鏈集合， 對(duì)每個(gè)樣品僅需m + 1 步即可完成.理論計(jì)算可知， 對(duì)于最多具有m 個(gè)修改位點(diǎn)的圖案， 存在個(gè)可能的組合變化， 以及個(gè)常規(guī)策略的模式變化.由于s 通常比m 大1 個(gè)數(shù)量級(jí)， 因此在快速制作各種圖案方面， M 鏈預(yù)置策略比常規(guī)策略具有顯著優(yōu)勢(shì).

圖2 M 鏈策略“一鍋法”制備多種DNA 折紙納米圖案(a) 多種攜帶不同M 鏈的骨架鏈混合， 一同退火， 在單個(gè)離心管中快速制備多種DNA 折紙納米圖案; (b) 原子力表征圖及產(chǎn)率統(tǒng)計(jì)圖(比例尺: 200 nm)Fig.2.M-strand strategy to prepare a variety of DNA origami nanopatterns by “one-pot” method: (a) A variety of scaffolds carrying different M-strands are mixed and annealed together to quickly prepare a variety of DNA origami nanopatterns in a single centrifuge tube; (b) AFM diagram and yield statistics (scale bar: 200 nm).

4 基于鐵原子陣列圖案的信息加密

從本文鐵原子陣列的制備和表征過(guò)程可以看出， 信息鏈預(yù)置于骨架鏈的思路不僅是對(duì)骨架鏈的預(yù)保護(hù)， 實(shí)際上也等同于將信息鏈隱藏于骨架鏈上;此外， 信息的寫(xiě)入(雜交)和讀取(成像)在物理上是分開(kāi)的， 并且由兩個(gè)不同的實(shí)體進(jìn)行.因此， 基于以上技術(shù)， 使開(kāi)發(fā)基于鐵原子陣列的信息加密技術(shù)成為可能.

在前期開(kāi)發(fā)的DNA 折紙加密(DOC)技術(shù)基礎(chǔ)上， 本文利用鐵原子陣列提出了原子陣列DNA折紙加密(A-DOC)技術(shù).如圖3(a)所示， 發(fā)送方和接收方(分別命名為Alice 和Bob)利用A-DOC技術(shù)進(jìn)行了文本信息的秘密傳遞， 其原理是對(duì)折紙上不同的鐵原子位置編碼， 通過(guò)密鑰進(jìn)行加密， 并結(jié)合隱寫(xiě)術(shù)加強(qiáng)保密程度.首先， 使用密鑰對(duì)二進(jìn)制文本進(jìn)行加密， 轉(zhuǎn)換成折紙上的原子點(diǎn)陣圖案.在第二步， 將對(duì)應(yīng)該點(diǎn)陣的信息鏈與骨架鏈進(jìn)行雜交， 得到的樣品即包含了秘密傳遞的信息.Alice 將預(yù)置M 鏈的骨架鏈交付給Bob， Bob 再將通用訂書(shū)釘鏈庫(kù)與骨架鏈進(jìn)行退火組裝， 獲得折紙結(jié)構(gòu).值得注意的是， Bob 獲得的折紙雖然已隱藏了秘密信息， 但需要在結(jié)合二茂鐵修飾序列， 形成鐵原子陣列后， 才能通過(guò)成像手段將隱寫(xiě)圖案進(jìn)行讀取.最后， Bob 通過(guò)密鑰將讀取的原子點(diǎn)陣圖案進(jìn)行解密， 獲得明文.

在單個(gè)十字折紙上， 13 個(gè)可區(qū)分的識(shí)別位點(diǎn)被選擇作為鐵原子點(diǎn)陣的可選位點(diǎn)， 獨(dú)特之處在于， 這13 個(gè)位點(diǎn)被分為三種功能: 1)文本信息(紅色位點(diǎn))， 以8 位的二進(jìn)制ASCLL 碼編碼單個(gè)字符; 2)位置信息(黑色位點(diǎn))， 表示此折紙上的字符信息在整個(gè)字符串中的位置， 如設(shè)置4 位二進(jìn)制數(shù)， 則字符串長(zhǎng)度為24= 8; 3)定位標(biāo)記(綠色位點(diǎn))， 以1 個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)打破十字折紙的外在對(duì)稱(chēng)性，使表示文本與位置的位點(diǎn)讀取順序得到明確.在讀取形式上， 通過(guò)表征SA 的圖案即可說(shuō)明鐵原子在對(duì)應(yīng)位置是否存在， 從而讀取位點(diǎn)上的信息為0 或者是1， 有鐵原子的位點(diǎn)為1， 反之為0.

圖3(b)給出了用A-DOC 技術(shù)對(duì)明文消息“DNA-1954”進(jìn)行的加密結(jié)果.Bob 通過(guò)AFM 成像獲得類(lèi)似盲文的鐵原子點(diǎn)陣圖案后， 查詢(xún)密碼表將圖案信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制信息， 再通過(guò)分別對(duì)位置信息和文本信息進(jìn)行解碼， 最終可以獲得明文.以位置信息為例， 當(dāng)讀取到表示“0000”的折紙時(shí)， 由于該4 位二進(jìn)制數(shù)表示字符串的第一位字符， 因此再將表示文本信息的8 位二進(jìn)制數(shù)“010000100”解碼， 得知第一位字符為“D”.以此原理， 密鑰大小由(1)式?jīng)Q定:

圖3 DNA 折紙加密及編碼原理示意圖 (a) DNA 折紙斑點(diǎn)編碼原理; (b) 發(fā)送者(Alice)和接收者(Bob)通信流程; (c) 文本“DNA-1954”的編碼演示(比例尺: 25 nm)Fig.3.Schematic illustration of DNA origami encryption and coding principle: (a) Coding principle of DNA origami spot; (b) the communication procedure between the sender (Alice) and the receiver (Bob); (c) coding demonstration of the text “DNA-1954”(scale bar: 25 nm).

在以上工作基礎(chǔ)上， 進(jìn)一步提出了多折紙編碼單字符的設(shè)計(jì)， 對(duì)字符串長(zhǎng)度和可編碼字符容量進(jìn)行了提升， 并以加密唐詩(shī)《登鸛雀樓》為例進(jìn)行演示(圖4).根據(jù)漢字代碼標(biāo)準(zhǔn)GB2312 的規(guī)定， 漢字按94 個(gè)“區(qū)”和94 個(gè)“位”分區(qū)索引， 可以看作一個(gè)橫豎各有94 個(gè)格子的正方形棋盤(pán)， 每個(gè)格子對(duì)應(yīng)一個(gè)漢字或者符號(hào).其中1—9 區(qū)為符號(hào)區(qū)，16—87 區(qū)為漢字編碼區(qū)， 其他為用戶(hù)自定義編碼區(qū).如圖4(a)所示， 本文使用兩個(gè)不同標(biāo)記的十字折紙， 對(duì)于第一個(gè)折紙， 12 個(gè)可識(shí)別位點(diǎn)中5 個(gè)黑色點(diǎn)位代表在字符串中的位置信息， 容量為25;7 個(gè)藍(lán)色的位點(diǎn)①—⑦編碼漢字的區(qū)， 稱(chēng)為區(qū)碼(section code)， 信息容量可達(dá)128 位(27)， 超過(guò)了國(guó)標(biāo)規(guī)定94 位的需求.同樣另一個(gè)折紙以相同的五個(gè)黑色點(diǎn)位代表位置信息， 對(duì)應(yīng)第一個(gè)折紙， 紅色的7 個(gè)點(diǎn)位①—⑦代表在該區(qū)所處的位， 稱(chēng)為位碼(postion code).通過(guò)兩個(gè)折紙位置信息匹配讀取信息就可得到漢字信息和這個(gè)漢字在文本中所處的位置.在圖4(b)中演示了該編碼規(guī)則的實(shí)例，對(duì)于漢字“流”， 根據(jù)區(qū)碼表得到它的區(qū)碼為33、位碼為87， 代表它在區(qū)碼表中處于33 行87 列的位置.然后將區(qū)碼和位碼分別轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù)， 區(qū)碼二進(jìn)制為“0100001”， 位碼二進(jìn)制為“1011101”，根據(jù)紅色和藍(lán)色序號(hào)的循序依次寫(xiě)入.同時(shí)根據(jù)它在詩(shī)中的位置定義了它的位置碼為15， 即“01110”.

圖4 將漢字在DNA 折紙上的加密方案 (a) 區(qū)位碼在折紙上的編碼原理; (b)漢字“流”的編碼演示; (c) 28 個(gè)漢字唐詩(shī)文本AFM 實(shí)驗(yàn)圖(比例尺: 40 nm); (d)唐詩(shī)隨掃描次數(shù)收集完成度和錯(cuò)誤率圖， 正確收集標(biāo)記為紅色， 單個(gè)鏈霉親和素圖案未收集超過(guò)20 個(gè)的標(biāo)記為白色Fig.4.Scheme of encoding Chinese characters on DNA origami: (a) Encoding principle of section and position code on origami; (b) demonstration of Chinese encoding Chinese character “流” on DNA origami (scale bar: 100 nm); (c) AFM experimental graph of 28 Chinese characters Tang poetry text (scale bar: 40 nm); (d) collection completion and error rate graphs of Tang poetry with the number of scans completed and error rate graphs.The correct collection is marked as red， and the single streptavidin pattern which is not collected for more than 20 will be marked as white.

如圖4(c)所示， 用該方法對(duì)唐詩(shī)《登鸛雀樓》進(jìn)行了加密， 首先將這首唐詩(shī)的每一個(gè)字符按照區(qū)位碼編碼(補(bǔ)充材料的圖S4 (online))， 這首唐詩(shī)總共28 個(gè)字符， 包含24 個(gè)漢字和4 個(gè)標(biāo)點(diǎn)符號(hào).為避免在傳遞信息時(shí)， 由于十字折紙中間凹陷不清晰引起的辨識(shí)困難， 我們將攜帶區(qū)碼和位碼的折紙分別表征(補(bǔ)充材料的圖S5 (online)).此外，為避免由于折紙圖案較大的多樣性帶來(lái)的數(shù)據(jù)可能缺失問(wèn)題， 可以通過(guò)增加讀取次數(shù)， 即增加AFM成像數(shù)量來(lái)消除錯(cuò)誤， 隨著掃描次數(shù)的增多， 同一位置出現(xiàn)圖案最多的信息會(huì)被積累并使得初始的錯(cuò)誤得到校正.如圖4(d)所示， 在獲得30 次掃描結(jié)果后， 排除無(wú)法識(shí)別(聚集或未良好形成)的折紙， 錯(cuò)誤率由兩次掃描時(shí)的14.3%下降到30 次掃描時(shí)的0%， 證明了隨著圖案基數(shù)的增加， 正確的圖案累積， 在后期更難以出現(xiàn)新的錯(cuò)誤以替代正確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

5 結(jié) 論

本文利用DNA 折紙結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)定位能力， 通過(guò)“信息預(yù)置”的思路構(gòu)建了鐵原子陣列圖案， 并將此應(yīng)用于對(duì)信息的加密.AFM 成像結(jié)果顯示， 鐵原子在折紙不同位置的正確定位效率高達(dá)90%以上， 驗(yàn)證了構(gòu)建原子陣列的可行性.同時(shí)， 通過(guò)對(duì)位置信息的預(yù)置， 還極大降低了工作量， 使同時(shí)批量制備不同陣列圖案成為可能.在此基礎(chǔ)上， 建立了密鑰長(zhǎng)度在700 位以上的原子陣列加密技術(shù)， 結(jié)合隱寫(xiě)術(shù)將信息隱藏在類(lèi)似盲文的點(diǎn)陣圖案中， 以唐詩(shī)《登鸛雀樓》為例進(jìn)行了演示.在未來(lái)的工作中， 我們將一方面進(jìn)一步探索對(duì)鐵原子陣列的更高分辨率與更直接表征， 另一方面也將在加密原理方面進(jìn)行優(yōu)化， 提升可加密字符串長(zhǎng)度與字符容量.希望本文的研究能夠推動(dòng)DNA 自組裝技術(shù)在原子制造領(lǐng)域的更多應(yīng)用， 在利用DNA 原子級(jí)精準(zhǔn)性方面發(fā)揮更多作用， 為發(fā)展原子精準(zhǔn)性材料與器件提供生物分子解決方案.