SERS Plasmonic Enhancement using DNA Origami-based Complex Metallic Nanostructures
DNA“折纸”是一种新型的自组装技术,可以形成各种二维形状,并以纳米精度定位物质。它已被用于协调放置纳米级物体,有机和无机;使分子马达和步行者;并创建光学活性纳米结构。在这里,我们使用DNA折纸模板工程表面增强拉曼散射(SERS)基板。具体地说,金纳米粒子选择性地附着在矩形折纸的角落,随后通过基于溶液的金属沉积来扩大。所得到的组件被设计成在纳米颗粒之间形成增强的电磁场的“热点”。我们观察到一个显着的增强拉曼信号从共价连接到组件的分子,相比,控制纳米粒子样品,缺乏粒子间的热点。我们的方法开辟了使用DNA折纸合理地设计和组装分子光谱等离子体结构的前景。
2014-01-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Hairygami: Analysis of DNA Nanostructures' Conformational Change Driven by Functionalizable Overhangs
本研究针对DNA origami结构成像无法捕捉完整构象、易引发客体分子虚假相互作用的问题,通过模拟与实验发现功能化单链悬突会熵驱动二维DNA origami片产生曲率,还开源了相关增强采样模拟代码。
2024-08-22 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.comp-ph
Computing the elastic mechanical properties of rod-like DNA nanostructures
为了研究棒状DNA纳米结构的弹性性质,我们使用oxDNA粗粒度模型对这些结构进行了长时间的模拟。通过分析这些轨迹的波动,我们得到的弯曲和扭曲的持久性长度的估计,和基本的弯曲和扭曲的弹性模量和它们之间的耦合。只有在超出螺旋间交叉点间距的尺度上,弯曲涨落才表现得像蠕虫状的链。得到的弯曲持续长度远大于双链DNA的弯曲持续长度,并且随着螺旋数的增加而非线性增加,而扭曲模量近似线性地增加。在数值误差范围内,弯扭耦合常数为零阶。我们得到的弯曲持续长度通常比实验中的略高,这可能反映了模拟折纸没有组装缺陷以及双链DNA的oxDNA延伸模量太大。
2020-06-26 cond-mat.soft
DNA nanotechnology-enabled chiral plasmonics: from static to dynamic
在这个帐户中,我们讨论了各种静态和动态的手性等离子体纳米结构,使DNA纳米技术。在静态等离子体系统的类别中,我们首先展示了基于球形金纳米颗粒的手性等离子体纳米结构,包括等离子体螺旋、环形和四聚体。为了增强CD响应,利用具有较大消光系数的各向异性金纳米棒来创建手性等离子体交叉和螺旋超结构。接下来,我们强调了随着这一跨学科领域的快速发展,从静态到动态等离子体系统的必然演变。根据其工作机制,综述了几种动态等离子体激元系统。
2018-03-18 cond-mat.soft physics.bio-ph
Programming Nonlinear Interfacial Mechanics of Synthetic Cells: Lipid Geometry and DNA Nanostructures
通过调节脂质几何和DNA纳米结构,研究实现了对合成细胞非线性界面力学的编程,建立了分子设计原则和定量基础。
2026-01-26 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.bio-ph
Modular programming of interaction and geometric specificity enables assembly of complex DNA origami nanostructures
本文提出一种模块化 DNA 折纸设计方法,通过保守支架路由和大部分 staple 链、可调突出端编程亚基相互作用与结合角度,低成本高效组装具有复杂曲率的自限制纳米结构。
2025-02-08 cond-mat.soft
DNA-based Self-Assembly of Chiral Plasmonic Nanostructures with Tailored Optical Response
在金属纳米结构中产生的表面等离子体共振可以用于定制电磁场。这种结构的精确空间排列可以产生令人惊讶的光学特性,这些特性在任何天然存在的材料中都没有发现。在这里,设计的活动出现在集体效应的单一组件配备有限的个人功能。通过常规光刻方法自上而下制造具有在可见光范围内的预先设计的光学响应的等离子体材料由于其有限的分辨率、缩放的复杂性以及将这些技术扩展到三维架构的困难而仍然具有挑战性。分子自组装提供了一种替代途径来产生这种材料,其不受上述限制的约束。我们演示了如何DNA折纸方法可以用来生产等离子体材料与定制的光学响应在可见波长。利用3D DNA折纸的组装能力,我们将空间精度为2 nm的金属纳米颗粒排列成纳米级螺旋。螺旋结构在溶液中以大规模平行的方式组装,并具有接近定量的产量。作为一个设计的光学响应,我们产生了巨大的圆二色性和光学旋转色散在可见光范围内,起源于集体等离子体激元-等离子体激元相互作用内的纳米螺旋。我们还表明,通过改变金属纳米颗粒的组成,可以通过可见光谱调谐的光学响应。观察到的效果与入射光的方向无关,并且可以通过设计在左手和右手方向之间切换。我们的工作展示了从精确设计的纳米组装生产复杂的散装材料,并突出了DNA自组装用于制造等离子体纳米结构的潜力。
2011-08-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A model of an optical biosensor detecting environment
海勒等Al.(Science 311,508(2006))通过在单壁碳纳米管(CN)的表面周围包裹一片双链DNA展示了第一个DNA-CN光学传感器。这种新型的光学设备可以放置在活细胞内,并通过近红外线检测微量的有害污染物。利用纳米结构中简单的激子理论和DNA的B-Z结构相变现象,研究了这种新型的DNA光学生物传感器的工作原理,即利用纳米结构表面作为传感器,检测DNA对目标离子的响应而引起的性质变化。我们还提出了一些新的设计模型,用石墨烯带半导体取代碳纳米管。
2012-09-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Nanostars planarity modulates the elasticity of DNA hydrogels
本研究通过oxDNA模型和元动力学模拟,构建了可自组装成三维渗透网络的DNA纳米星粗粒化模型,揭示了平面与非平面纳米星设计会导致截然不同的水凝胶弹性与流变特性。
2022-02-13 cond-mat.soft
A synthetic autonomous rotary nanomotor made from and fuelled by DNA
DNA纳米结构是使用合成的DNA链制成的,其序列被设计成使得它们将通过互补结构域的杂交自组装成所需的形式。已经提出了各种结构和设备,包括DNA镊子、纳米机器人和一系列直线电动机,如双足步行机。后者的灵感来自于天然存在的分子马达,如驱动蛋白。本文介绍了一个概念,自主旋转纳米管从DNA,它利用众所周知的和广泛研究的现象的立足点介导的DNA链位移。马达将由一系列链置换反应驱动,其顺序由包含马达机制的DNA链的二级结构产生的空间约束控制。如果能够实现自主旋转运动,DNA马达的能力将大大扩展。该装置具有一系列潜在的应用,包括分子计算和单分子操纵。
2015-05-30 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Flexibility defines structure in crystals of amphiphilic DNA nanostars
具有可编程形状和相互作用的DNA纳米结构可以用作具有规定纳米尺度特征的晶体材料自组装的构建块,具有巨大的技术潜力。结构刚性和键合方向性已被认为是DNA基序在3D中维持长程序的关键设计特征,但与规定具有足够准确性的构建块几何形状相关的实际挑战限制了可用设计的多样性。我们最近介绍了一种新的平台,用于一锅制备由Watson-Crick碱基配对和疏水力的组合支持的结晶DNA框架[Nano Lett.,17(5):3276-3281,2017]。在这里,我们使用小角度X射线散射和粗粒度的分子模拟来证明,与可用的全DNA方法相反,两亲性基序不依赖于结构刚性来支持长程序。相反,两亲性DNA构建块的灵活性是成功结晶的关键特征。
2018-11-06 cond-mat.soft
Characterizing the free-energy landscapes of DNA origamis
我们展示了如何粗粒度建模结合伞采样使用基于距离的序参量可以应用于计算与大型DNA纳米结构的机械变形的自由能景观。我们说明了这种方法的DNA纳米管的强弯曲和扭曲的DNA折纸片的潜在的duplex景观。DNA纳米管的均匀弯曲可以用蠕虫状链模型很好地描述;对于更极端的弯曲,纳米管可逆地弯曲,弯曲变形局限于一个或两个“扭结”。对于一个扭曲的单层DNA折纸,扭曲与片材的弯曲相耦合,产生了一个自由能景观,其中有两个几乎退化的最小值,它们具有相反的曲率。相比之下,对于两层折纸,相对于弯曲增加的刚度导致具有单个自由能最小值的景观,其具有马鞍状几何形状。计算这种景观的能力可能是特别有用的DNA mechanotechnology和理解应力积累过程中的自组装折纸成高阶结构。
2021-08-14 cond-mat.soft
Charge Transport in DNA-Based Devices
半个多世纪以来,沿着DNA分子的电荷迁移引起了科学界的兴趣。在过去的十年中,从大量分子的溶液化学实验中获得了关于供体和受体之间通过DNA的可能高速率的电荷转移的报告,引发了一系列通过DNA单分子,束和网络的直接电输运测量。这些测量在这里进行审查和介绍。从这些实验中,我们得出结论,电传输是可行的,在短的DNA分子,束和网络,但在长的单分子连接到表面被阻止。实验背景的补充帐户的理论/计算方案,适用于研究基于DNA的纳米线的电子和输运性质。选定的应用程序的例子,显示当前的理论方法的能力和限制,以准确地描述的电线,解释运输测量,并预测合适的策略,以提高DNA纳米结构的导电性。
2004-04-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft q-bio.BM
Towards New Liquid Crystal Phases of DNA mesogens
本研究通过oxDNA模拟和粗粒度建模,探究不同核苷酸序列调控下线性DNA构建体的液晶相行为,发现DNA双节棍结构可抑制IN相变,为通过序列设计调控DNA介晶相行为提供了方法。
2023-02-07 cond-mat.soft
Structure and stimuli-responsiveness of all-DNA dendrimers: theory and experiment
我们提出了一个全面的理论和实验研究的溶液相性质的DNA为基础的家庭的纳米粒子-树状聚合物样DNA分子(DL-DNA)。这些带电荷的DNA树枝状聚合物是新型的大分子聚集体,在本体和界面处的软物质系统的靶向自组装中具有很高的前景。为了描述这个家族的树枝状聚合物的行为(世代范围从G1到G7),我们使用了一个理论模型,其中单个DL-DNA分子的碱基对由带电单体建模,其相互作用被选择为正确地模拟DNA的平衡性质。DL-DNA的大小和构象的实验结果是基于静态和1动态光散射;同时,分子动力学模拟被用来模拟DL-DNA的平衡性质,这与实验结果相比是有利的,同时提供了大量的额外信息和洞察的纳米结构的分子结构。我们还研究了这些大分子的盐响应性,发现尽管静电相互作用的强屏蔽,所带来的添加的盐,大分子收缩只有轻微的,其大小的鲁棒性源于高的抗弯刚度的DNA片段。这些带电的树枝状聚合物系统的研究是软物质领域中的一个重要研究领域,因为它们对于各种跨学科应用的潜在作用,范围从用于在活生物体中递送药物的分子笼和载体到纳米技术领域中的树枝状聚合物和树枝状聚合物基超薄膜的开发。这些发现是必不可少的,以确定是否DL-DNA是一个可行的候选人的实验实现集群晶体的散装,一种新的形式的固体与多个站点占用。
2018-06-19 cond-mat.soft
Interfacial Packing of DNA Nanostars Regulates Dynamics on Synthetic Cell Membranes
The University of Tokyo(东京大学)
本研究通过实验与模拟揭示DNA纳米星的堆积和刚度调控合成细胞膜上的分子动力学,为设计人工细胞横向流动性提供物理原理。
2026-09-14 cond-mat.soft physics.bio-ph
Towards Understanding the Structure, Dynamics and Bio-activity of Diabetic Drug Metformin
小分子经常被发现表现出非常多样化的生物活性。Metalloy就是其中之一。它被广泛用作2型糖尿病的抗糖尿病药物。除此之外,盐酸二甲双胍还具有抗肿瘤活性,可提高某些类型癌症(即结直肠癌、乳腺癌、胰腺癌和前列腺癌)患者的生存率。然而,二甲双胍的结构和动力学的理论研究尚未得到充分探索。本文通过实验、量子化学计算和原子分子动力学模拟,研究了盐酸二甲双胍三种单质子化形式的结构和动力学特征。我们验证我们的力场通过比较模拟结果的实验结果。然而,我们发现非平面互变异构形式是最稳定的。金属间化合物与周围的水分子形成强氢键,其溶剂化动力学表现出独特的特征。由于扩展的正电荷分布,二甲双胍具有作为多个靶点的永久阳离子伴侣的特征。利用紫外光谱、圆二色谱、荧光光谱和偏微分方程模拟研究了它与DNA的相互作用和结合能力。我们发现了一种非插入的相互作用模式。金属间化合物在几十纳秒内可行地形成小/大沟结合状态,优选地具有AT富集结构域。当它与DNA的小沟结合时,观察到结合自由能的显著降低。
2018-02-07 cond-mat.soft physics.chem-ph q-bio.BM
Response to dynamic shape changes in suspensions of hard rectangles
Institute for Theoretical Physics IV, University of Stuttgart(斯图加特大学理论物理第四研究所)
该研究针对颗粒形状可动态改变的硬颗粒体系研究不足的问题,受DNA折纸实验启发,通过蒙特卡洛模拟分析硬正方形伸长为矩形过程的结构与动力学,发现级联方案会因有效堆积分数增加发生动力学阻滞。
2025-09-29 cond-mat.soft
Symmetry-guided inverse design of self-assembling multiscale DNA origami tilings
本文提出一种基于对称性的逆向设计算法,通过编码 DNA 折纸三角形亚基的相互作用,实现多物种自组装二维拼贴及晶格参数达 300 nm 的金纳米颗粒超晶体,并揭示更高对称性和线性原胞可提升设计经济性。
2024-03-28 cond-mat.soft
The polyhedral structure underlying programmable self-assembly
Institute of Science and Technology Austria (ISTA)(奥地利科学与技术研究所);Brandeis University(布兰迪斯大学)
该研究揭示了可编程自组装中基本的物理关系,通过识别热力学约束形成的多面体结构,为自组装的理性设计提供了预测工具。
2025-06-30 cond-mat.soft