纳米颗粒通常是指直径在1-100 nm之间的颗粒物质，它的分离和分选对于实现其可控合成和高效应用具有重要意义。然而，由于纳米颗粒体积小、形状多样、表面性质复杂，其分离和分选一直是一个技术难题。DNA作为一种天然聚合物，具备高度的可编程性、良好的生物相容性和稳定性。研究人员利用DNA的特性，开发了多种基于DNA辅助的纳米颗粒分离策略。这些分离策略具有高选择性、高灵敏度和良好的可重复性，在纳米材料制备、生物医学和环境科学等领域展现出巨大的应用潜力。
近日，吉林大学化学学院光谱分析仪器工程技术研究中心孙颖与西安交通大学生命科学与技术学院陈锋联合综述了关于DNA辅助纳米颗粒分离的四种策略，以及应用这些策略实现了多种类型纳米颗粒的高效分离和分选。
图1. DNA辅助纳米颗粒分离的策略和应用。
作者首先重点概述了利用DNA辅助纳米颗粒分离的各种策略及原理，即通过DNA调节纳米颗粒或其所在介质的不同物理性质以实现其高效的分离和纯化。策略一是改变纳米颗粒的电荷性质。DNA分子由带负电荷的磷酸基团组成，可以通过静电吸引、π堆叠、疏水相互作用等多种相互作用与纳米颗粒特异性结合。将DNA附着在纳米颗粒表面，可以改变其表面电荷而得以分离。策略二是调节含有DNA链状结构介质的粘弹性。DNA链状结构具备大的尺寸和长弛豫时间，导致DNA在介质中溶解的非牛顿行为更加明显。由于不同大小的纳米颗粒对粘弹性流体的流动特性有不同的反应，因此通过DNA精确调节介质的粘弹性，可以有效地将其分离。策略三是精确控制纳米颗粒的质量和尺寸。通过调整碱基的数量和序列，可以精确地控制DNA纳米结构的质量和尺寸。质量和尺寸的变化进一步影响了DNA和纳米颗粒之间的相互作用。在特定的物理场中，如电场或磁场，不同质量或尺寸的DNA纳米结构可能表现出不同的运动特性，从而实现目标颗粒的分离或分选。策略四是基于DNA杂交的选择性亲和力。DNA分子可以选择性地与目标纳米颗粒表面的互补序列或功能片段杂交，通过微调DNA分子的序列和长度，调整与纳米颗粒杂交相互作用的大小和选择性，以确保DNA分子选择性地识别和结合目标颗粒，同时对非目标颗粒表现出可忽略不计或较弱的亲和力。
接下来，作者重点综述了上述分离分选策略的应用，应用策略一实现单壁碳纳米管（SWCNTs）的分离和纯化。通过DNA包裹SWCNTs，改变其电荷性质，实现SWCNTs基于长度和手性的精确分离，并应用于高性能电子器件的制备。应用策略二实现了细胞和胞外囊泡的分离。利用DNA调节介质的粘弹性，实现细胞和胞外囊泡的高通量精确分离和分析，并应用于疾病诊断。应用策略三实现了脂质体的分离和纯化。通过DNA纳米结构控制脂质体的质量和尺寸，实现基于浮力密度的精确分离，并应用于药物递送系统。应用策略四构建了DNA价态分选色谱法。将DNA条形码纳米颗粒的混合输入有效分类为单个成分，能够处理各种纳米颗粒大小、形状和材料组成，超越了现有方法设定的尺寸限制。
最后，作者分享了DNA辅助纳米颗粒分离生物学领域中面临的挑战和机遇，例如DNA的稳定性受限，需要开发耐核酸酶降解的DNA分子结构； DNA纳米结构尺寸有限，需要探索新的方法突破这些限制，以适应不同类型和尺寸的细胞器或生物颗粒的分离；缺乏化学识别和分离特定分子或生物标志物的能力，需要引入具有特定识别功能的DNA分子；理论计算和实验验证的整合对于优化DNA序列设计和分离方法至关重要；最后，DNA分子可以与其他先进的生物技术如生物成像和测序相结合，进一步扩大其在生物分离和分析中的应用。
论文信息：
DNA-Assisted Separation of Nanoparticles
Ying Sun*, Yuchuan Liu, Daqian Song, Feng Chen*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202401389
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