成功拍下“高清靓照”

解开困扰该领域多年的难题

近日

华南理工大学林志伟教授团队

取得重要研究进展

他们通过改进高分辨液相原子力显微镜技术

首次揭开了DNA在单壁碳纳米管（SWCNTs）上

缠绕构象的神秘面纱

明确了特定 DNA 能在 SWCNTs 上

形成有序的左旋缠绕构象

揭示了DNA为SWCNTs赋能的分子机制

为相关科研领域打开了一扇新大门

01  雾里看花 —— 一场持续20余年的挑战

单壁碳纳米管（SWCNTs）

凭借其卓越的电学、光学及力学性能

广泛应用于电子器件、光学仪器、

疾病检测、能量储存等领域

但是，常规SWCNTs中包含几十上百种不同手性的组分。科研人员需要采用DNA这一工具，将它当作一把把特制的 “钥匙”，来分选单一手性的 SWCNTs。通过DNA与SWCNTs的复合，形成具有独特性能的复合物，在生物传感、疾病检测、智慧农业和量子材料等领域展现了巨大的应用潜力。

遗憾的是，DNA在SWCNTs上的具体构象一直未能被揭示。相关研究自2003年开始进行，但始终未能取得突破性进展。看不清长什么样子，人们就没法深入理解DNA给SWCNTs “赋能” 的机制。要想进一步设计出能分选单一手性 SWCNTs 的 “可识别 DNA 序列”，还有高性能生物传感器，更是成了空想。

此前，高分辨液相原子力显微镜（AFM）是破解这一难题的最可行办法之一，可它也面临着不少挑战。首先，DNA 是缠绕在 SWCNTs 的曲面外壁上的，使其结构变得非常复杂、难以探测。而且 AFM 探针的曲率半径，比 DNA 的特征结构大很多，这也大大增加了探测难度。此外，DNA 和 SWCNTs 在压力下都会变形，AFM 探针轻轻一压，哪怕只有微小的变形，DNA 的真实结构特征就看不清了。

02  向左，向右？——“高清靓照”让细节一览无遗

为了解决这些难题

林志伟教授团队采用了极软的探针

以小振幅、高频率

对探针施加给样品的力进行精准调节

成功避免DNA-SWCNTs形变

从而获得高分辨率的DNA构象信息

首次在实验上实现了DNA-SWCNTs结构的精确解析

DNA在单壁碳纳米管上有序缠绕结构的构筑和表征

团队使用该方法，对一种典型的DNA-SWCNT复合物样本进行了结构解析，并用冷冻电子显微镜进行了验证，获得了一致的验证结果。值得注意的是，冷冻电子显微镜无法确定螺旋结构是左旋还是右旋，然而团队采用的新方法，却可以清晰地揭示螺旋结构的旋向特征，给缠绕在SWCNT上的DNA拍下了完美的“高清靓照”。

03  乘胜追击 —— 设计出具有特定性能的传感器

研究还发现

经过可识别序列提纯的DNA-SWCNTs复合物

在生物传感领域性能优异

例如，团队采用三个具有不同螺距的DNA-SWCNTs，对多巴胺等四种神经递质进行了传感实验，发现螺距越大，在神经递质体系中产生的响应就越强，灵敏度就越高。实验进一步发现，高灵敏度的传感器并不一定具备更强的分辨能力，反而是具有适中螺距的传感器能够显著区分四种神经递质。这些实验结果凸显了DNA-SWCNTs在传感领域的独特性和巨大潜力。

基于精确的结构解析，团队乘胜追击，建立了氢键网络模型（HBN），从机理上揭示了为什么DNA能够在SWCNTs上有序缠绕。根据这一理论模型，团队首次实现了理性设计DNA序列，并将其用于分离目标手性SWCNTs和设计具有特定性能的传感器。

该成果以“Understanding DNA-Encoded Carbon Nanotube Sorting and Sensing via Sub-nm Resolution Structural Determination”为题发表在Science Advances上。华南理工大学前沿软物质学院博士生李依浓为第一作者，林志伟教授为主要通讯作者，华南理工大学为第一通讯单位。相关工作得到了国家重点研发项目，国家自然科学基金，广东省、广州市相关项目，以及小米基金会的支持。