近日，华南理工大学林志伟教授团队取得研究进展，通过开发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可以在SWCNT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。

单壁碳纳米管凭借其卓越的电学、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。常规SWCNTs中包含几十上百种不同手性的组分，为了拓展其应用，科研人员需要采用DNA作为分选单一手性SWCNTs的工具，其有效性已经得到广泛验证。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。

相关科研领域自2003年开始发展，科研人员一直致力于揭示DNA在SWCNTs上的具体构象，但始终未能取得突破性进展，从而阻碍了对DNA为SWCNTs赋能机制的深入理解。同时，科研人员本希望能够设计出用于分选单一手性SWCNT的“可识别DNA序列”和高性能生物传感器，这一愿景也变得难以实现。

目前，高分辨液相原子力显微镜（AFM）是解析DNA在SWCNTs上构象的最可行的方法之一，其悬而未决的难点在于DNA缠绕在SWCNTs的曲面外壁上，使其结构变得非常复杂、难以探测；而AFM探针的曲率半径明显大于DNA的特征结构，也大幅增加了探测难度。此外，DNA和SWCNTs在压力下都会发生形变，而在AFM探针的压力下，即使是微小的形变也会让DNA的真实结构特征变得难以分辨。

为了解决上述难题，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了精准调节，成功避免DNA-SWCNTs形变，并获得高分辨率的DNA构象信息，首次在实验上实现了DNA-SWCNTs结构的精确解析。

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，获得了非常一致的验证结果，证明了AFM表征DNA-SWCNT结构的精度达到了亚纳米级。值得注意的是，冷冻电子显微镜无法确定螺旋结构的旋向，该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”。

DNA在单壁碳纳米管上有序缠绕结构的构筑和表征

经过可识别序列提纯的DNA-SWCNTs复合物在生物传感领域有非常优异的性能。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，明确了螺距是影响DNA-SWCNTs传感器对目标分子响应能力的关键因素，即螺距越大，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。相关实验结果凸显了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，团队建立了氢键网络模型（HBN），从机理上揭示了DNA在SWCNTs上之所以能够形成有序缠绕的构象，是因为碱基间形成稳定的非Watson-Crick氢键网络，并根据这一理论模型，设计出了可以有效识别四种神经递质的高性能传感器，首次实现了理性设计DNA序列，可用于分离目标手性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。

成果链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt9844