一维DNA纳米材料自组装效率的可视化测量

doi:10.7503/cjcu20260103

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (9): 20260103.doi: 10.7503/cjcu20260103

一维DNA纳米材料自组装效率的可视化测量

刘雨庆¹^,²^,³, 程杰¹^,²^,³, 王越⁴, 焦凯³, 诸颖³, 李江³, 郭琳洁³()

^1.中国科学院上海应用物理研究所同步辐射前沿应用教研室, 上海 201800
^2.中国科学院大学, 北京 100049
^3.上海大学理学院, 材料生物学研究所, 上海 200444
^4.上海交通大学化学化工学院, 上海 200240

收稿日期:2026-03-13 出版日期:2026-09-10 发布日期:2026-04-22
通讯作者: 郭琳洁 E-mail:guolinjie@shu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目(2023YFC3404200);国家自然科学基金(22325406, 22525605, 32301185)

Visualized Measurement of Self-assembly Efficiency in One-dimensional DNA Nanomaterials

LIU Yuqing¹^,²^,³, CHENG Jie¹^,²^,³, WANG Yue⁴, JIAO Kai³, ZHU Ying³, LI Jiang³, GUO Linjie³()

^1.Division of Frontier Applications of Synchrotron Radiation，Shanghai Institute of Applied Physics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 201800，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
^3.Institute of Materiobiology，College of Sciences，Shanghai University，Shanghai 200444，China
^4.School of Chemistry and Chemical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

Received:2026-03-13 Online:2026-09-10 Published:2026-04-22
Contact: GUO Linjie E-mail:guolinjie@shu.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(22325406, 22525605, 32301185);the National Key Research and Development Program of China(2023YFB3208200)

摘要/Abstract

摘要：

一维DNA纳米材料在诸多领域具有广泛的应用前景, 但其自组装效率的定量表征仍面临挑战. 本文以六螺旋束(six-helix bundle, 6HB) DNA纤维为模型体系, 基于已有的图像分析方法, 针对高长径比一维纤维易交叉缠绕、难以进行单颗粒识别与计数的问题进行整合与参数化处理, 建立了一套基于原子力显微镜(AFM)图像分析的自组装效率可视化测量方法. 该方法以面积覆盖率和轮廓长度密度为量化指标, 实现了对一维DNA纤维网络结构的定量表征. 利用该方法考察了缓冲液pH(5~11)和Mg²⁺浓度(6.25~87.5 mmol/L)对6HB DNA纤维组装行为的影响. 结果表明, 6HB DNA纤维的有效组装存在明确的条件窗口: pH在6~8范围内有利于高产率形成长纤维, 其中pH=8时自组装效率达到峰值(面积覆盖率约36%, 轮廓长度密度约8 μm/μm²). 当pH偏离该范围时, 连续的一维网络逐渐转变为碎片化或无序聚集结构, 两项参数接近背景水平. 同时, 纤维自组装对Mg²⁺浓度表现出明显的阈值响应特征, 浓度高于25 mmol/L时进入快速增长区, 在50 mmol/L以上时形成稳定的长纤维产物(面积覆盖率> 20%, 轮廓长度密度> 4 μm/μm²). 这些测量结果通过可视化和定量分析, 验证了DNA纳米结构自组装对pH值和离子强度等环境条件的高度依赖性. 该研究框架有望为一维DNA纳米材料的设计、制备与应用提供有力的定量分析工具.

关键词: 六螺旋束DNA纤维, 原子力显微镜图像分析, 自组装效率

Abstract:

One-dimensional（1D） DNA nanomaterials exhibit broad potential for applications across multiple fields. However， quantitative evaluation of their self-assembly efficiency remains challenging. In this work， six-helix bundle（6HB） DNA fibers were employed as a model system. Building upon existing image analysis methods， we developed an integrated and parameterized approach to overcome the challenges of single-particle identification and counting in high-aspect-ratio， entangled 1D fibers， and established an AFM image-based method for visualizing and quantifying self-assembly efficiency. In this method， the area coverage ratio and contour length density extracted from AFM images were used as quantitative parameters to characterize 1D DNA fiber networks. Using this method， the effects of buffer pH（5—11） and Mg²⁺ concentration（6.25—87.5 mmol/L） on the assembly behavior of 6HB DNA fibers were investigated. The results show that efficient assembly of 6HB DNA fibers occurs within a well-defined window of conditions. Continuous long fibers are preferentially formed in the pH range of 6—8， with the highest assembly efficiency at pH=8， where the area coverage ratio reaches ca. 36%， and the contour length density is ca. 8 μm/μm². When the pH value deviates from this range， the continuous 1D network gradually transforms into fragmented or disordered aggregates， and both parameters decrease to background levels. Fiber assembly also shows a clear threshold response to Mg²⁺ concentration： the assembly efficiency increases rapidly above 25 mmol/L， and stable long fibers form at concentrations above 50 mmol/L， corresponding to area coverage ratios >20% and contour length densities >4 μm/μm². These results quantitatively demonstrate the strong dependence of DNA nanostructure self-assembly on environmental conditions such as pH and ionic strength. The analytical framework established here provides a useful quantitative tool for the design， assembly， and application of 1D DNA nanomaterials.

Key words: Six-helix bundle DNA fibers, AFM image analysis, Self-assembly efficiency

中图分类号:

O614

TrendMD:

刘雨庆, 程杰, 王越, 焦凯, 诸颖, 李江, 郭琳洁. 一维DNA纳米材料自组装效率的可视化测量. 高等学校化学学报, 2026, 47(9): 20260103.

LIU Yuqing, CHENG Jie, WANG Yue, JIAO Kai, ZHU Ying, LI Jiang, GUO Linjie. Visualized Measurement of Self-assembly Efficiency in One-dimensional DNA Nanomaterials. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(9): 20260103.

图/表 7

Table 1 DNA sequences used for the assembly of 6HB DNA fibers

Name	Sequence（5′⁃3′）
X⁃1	TACTGACCTCGTGCGTTCGTACAAGAACCATTGACCTGCGCG
X⁃2	CGAACCTGATTAGAGACCCTGATGGCGGTGGAGACACTCACG
X⁃3	CTCGCGCTTCCCATTGGTCTCCTTCTATTGCTAGACCGGAGT
X⁃4	AGAAAGCCATACGCGCCTTCTTGCGGAACTGGTAGCCATGAG
X⁃5	GATTAGGTGGGCCGAAATAGACAACCTACGAACTAGCACCCA
X⁃6	TAATCGACGCTTTACGACAAGGCCGATTGATCACGAGTTCCG
Y⁃1	GCAATAGAAGCGGAACTCGTGTATGGCTTTCTTACGAACGCA
Y⁃2	ATGGTTCTTGCTCATGGCTACCCCACCTAATCCAGGGTCTCT
Y⁃3	CCACCGCCATTGGGTGCTAGTAGCGTCGATTAGAGACCAATG
Y⁃4	ATCAATCGGCACTCCGGTCTACGAGGTCAGTAAGAAGGCGCG
Y⁃5	CAGTTCCGCACGCGCAGGTCAAATCAGGTTCGTCTATTTCGG
Y⁃6	TCGTAGGTTGCGTGAGTGTCTGGAAGCGCGAGCTTGTCGTAA

Fig.1 Workflow of AFM image processing used in the fiber network quantification method（A） Raw AFM topography image；（B） image after background flattening and line correction；（C） high-contrast binarized image obtained by threshold segmentation for area coverage ratio calculation；（D） single-pixel-width fiber skeleton extracted via skeletonization for contour length density calculation.

Fig.2 AFM images of 6HB DNA fibers assembled with different Mg2+ concentrationsTop row： raw AFM images； middle row： binarized images； bottom row： skeletonized images.

Fig.3 Quantitative analysis of 6HB DNA fibers assembled with different Mg2+ concentrations（A） Area coverage ratio（%）；（B） contour length density（μm/μm²）. Data are presented as mean±SD（n=3， independent samples）. Statistical analysis was performed using one-way ANOVA（*P < 0.05， **P < 0.01）.

Fig.4 AFM images of 6HB DNA fibers assembled with different pH valuesTop row： raw AFM topography； middle row： binarized images； bottom row： skeletonized images.

Fig.5 Quantitative analysis of 6HB DNA fibers assembled with different pH values（A） Area coverage ratio（%）；（B） Contour length density（μm·μm⁻²）. Data are presented as mean ± SD（n=3， independent samples）. Statistical analysis was performed using one-way ANOVA（*P < 0.05， **P < 0.01， ***P < 0.001）.

Fig.6 Quantitative response analysis and structural state mapping of 6HB DNA fibers assembly in the pH⁃Mg2+ parameter space（A） Dependence of area coverage ratio on Mg2+ concentration at constant pH. The data were empirically fitted with a sigmoidal function；（B） Dependence of area coverage ratio on pH at constant Mg2+ concentration. The data were empirically fitted with a Gaussian function；（C） Structural state diagram of 6HB DNA fibers in the pH-Mg²⁺ space. The Mg²⁺ concentrations on the Y-axis are expressed as log2- transformed values relative to the lowest tested concentration（6.25 mmol·L-1）. Representative AFM images show distinct morphologies. Dashed lines indicate boundaries between different structural states. Shaded regions denote the effective assembly windows.

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