湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室的王柯敏（Kemin Wang）教授课题组与何晓晓（Xiaoxiao He）教授课题组（共同第一作者为卿志和（Zhihe Qing）与何定庚（Dinggeng He））于2013年在国际著名化学期刊《Angewandte Chemie》上发表了一项关于纳米颗粒合成的重要原创性研究，首次提出并验证了利用单链DNA中的聚胸腺嘧啶（poly(thymine)，简称poly T）片段作为模板，选择性合成荧光铜纳米颗粒（copper nanoparticles，简称CuNPs）的方法。

研究的学术背景源于DNA模板化金属纳米材料合成领域的一个核心挑战。长久以来，双链DNA（double-stranded DNA，简称dsDNA）凭借其独特的纳米级线性几何结构、卓越的分子识别能力以及对特定金属离子的高亲和力，被广泛用作合成金属纳米线的模板。科研人员已经成功利用dsDNA合成了银、钯、铂、铜乃至金纳米线。然而，在精确控制金属离子在DNA预设区域的还原沉积方面，此前的研究仅局限于dsDNA体系。例如，Braun团队利用RecA蛋白保护部分dsDNA以构建微米级导电金属线，Mokhir团队则通过连接子实现了短链dsDNA上铜纳米颗粒的选择性形成。但单链DNA（single-stranded DNA，简称ssDNA）因其无需杂交配对即可维持线性状态，是构建可编程纳米器件的理想模块。因此，在ssDNA上实现金属沉积的精确空间定位，对于未来开发如集成DNA模板化电子器件等复杂纳米装置至关重要。本研究旨在探索一种在ssDNA特定区域选择性沉积金属的新方法，为构建更复杂的DNA-金属纳米结构铺平道路。

研究的详细流程分为几个关键步骤。首先，研究团队筛选了五种不同类型的20个碱基长度的ssDNA作为模板进行铜离子（Cu²⁺）还原和CuNPs的形成。这些ssDNA包括随机序列单链DNA（random ssDNA，r20）以及四种均聚物（homopolymers）：聚腺嘌呤（poly(adenine)，poly A，即A20）、聚胸腺嘧啶（poly(thymine)，poly T，即T20）、聚胞嘧啶（poly(cytosine)，poly C，即C20）和聚鸟嘌呤（poly(guanine)，poly G，即G20）。实验过程是在含10 mM MOPS缓冲液（pH 7.6）和150 mM氯化钠（NaCl）的溶液体系中，将浓度为500 nM的各ssDNA分别与100 µM硫酸铜（CuSO₄）混合，并加入2 mM抗坏血酸钠（sodium ascorbate）作为还原剂。反应在室温下进行五分钟。通过荧光光谱学（fluorescence spectroscopy）分析，研究人员发现，在以340 nm紫外光激发时，仅含有T20的溶液在约615 nm处发射出明显荧光，而其他四种ssDNA溶液均无此现象，证实了poly T是唯一能有效模板化形成荧光CuNPs的ssDNA。实时荧光记录也表明该反应极为迅速。为了验证CuNPs的形成并探究模板长度对产物尺寸的调控作用，团队利用透射电子显微镜（transmission electron microscopy，TEM）进行表征。他们进一步对比了三种不同长度的poly T：T20、T30和T40作为模板的效果。TEM图像（图3）和后续分析（图S1）清晰地显示，在相同反应条件下，CuNPs的尺寸与poly T的长度呈现正相关依赖性，即较长的poly T模板会诱导形成更大尺寸的CuNPs，这与先前关于dsDNA模板的发现一致。

接下来，课题组深入探究了连续T碱基序列对于模板功能的关键性阈值。他们设计了一系列长度均为40个碱基、胸腺嘧啶总数保持恒定但排布方式各异的ssDNA，包括(T-C)20、(T5-C5)4、(T10-C10)2、T15-C10-T5-C10和T20-C20。实验结果表明，只有含有20个连续T碱基序列的T20-C20能够诱导产生亮红色荧光，其强度几乎与T20相同。即使T15-C10-T5-C10含有15个连续的T碱基，也无法诱导荧光产生（图4a）。该发现有力地证明，poly T的聚合度（即连续T序列的长度）对模板化CuNPs的形成起着决定性作用，且成核的阈值至少为连续20个T碱基。进一步研究发现，当连续T碱基数量超过20个之后，随着poly T片段长度的增加，荧光强度持续增强（图4b），这再次印证了颗粒尺寸与荧光量子产率正相关的物理规律。

在此基础之上，研究团队利用其他无法模板化CuNPs形成的ssDNA（nCu-ssDNA）作为“刚性连接子”或“智能胶水”，构建了金属化和非金属化部分交替的复杂纳米结构。他们以C10作为连接子，T25作为成核模板，设计了含有一个、两个或三个T25片段的各种ssDNA组装体。在同样的实验条件下进行反应后，荧光光谱学测量结果显示，615 nm处的荧光强度随着T25片段数量的增加而几乎呈线性增长（图5）。紫外光照射下的荧光照片同样直观地表明，红色荧光强度与T25片段的数量成正比。作为空白对照，仅含C10的溶液无任何荧光信号。这些结果确凿地证明了C10片段作为抗蚀剂（resist）成功阻隔了铜的沉积，实现了在ssDNA预设区域的选择性金属化。TEM图像（图S7）提供了更直接的视觉证据：T40模板产生了单分散的CuNPs；T30-r20-T30模板生成了“二聚体（dimer）”状CuNPs；而T25-C10-T25-C10-T25模板则生成了带有预期间隙的“三聚体（trimer）”状CuNPs，完美地构现了研究人员的设计蓝图。

本研究得出的核心结论是：这是首次发现并报道poly T作为一种单链DNA模板可以选择性地用于合成荧光铜纳米颗粒（CuNPs），并且通过简单调节poly T的长度即可精确调控所合成纳米颗粒的尺寸。其他ssDNA如随机序列、poly A、poly C和poly G在相同条件下均不具备此模板功能。利用这一发现，研究人员成功地以poly T为金属化模板、其他ssDNA为空间阻隔连接子，构建了金属化和非金属化区域交替排列的纳米结构。这项研究的科学价值在于，它打破了以往DNA模板化金属沉积精确控制仅限于双链DNA的限制，开创了在单链DNA上定点合成金属纳米颗粒的新策略，为“自下而上”地构建可编程、结构更复杂的DNA-金属纳米器件提供了关键的底层技术。其应用前景极为广阔，由于非金属化的片段可以预先设计，它们能便利地与其他功能元件连接或固定于芯片表面，这为发展集成DNA模板化电子电路迈出了重要一步。同时，基于poly T模板化CuNPs优异的荧光性能，poly T本身即可作为一种无需复杂修饰的荧光探针，直接应用于生化传感检测领域。

该研究的主要亮点体现在三个方面。其一，重大发现的前沿性：首次鉴定出poly T单一序列即可特异性模板化荧光CuNPs的生成，颠覆了依赖dsDNA进行金属化或生成非特异性沉淀的传统认知。其二，方法的创新性与精确性：开发了一套“模板-抗蚀剂”系统，巧妙地利用不同碱基序列对铜离子亲和力的差异，实现了在单链分子层面预设金属沉积位点的精准控制，使得制备尺寸可控、间距固定的“纳米颗粒多聚体”成为现实。其三，机制的简洁性与应用的潜力：该技术仅需简单的序列设计与混合反应，无需昂贵的蛋白质或复杂的有机合成步骤，为纳米合成与化学生物学检测提供了极为简便、高效且生物相容性好的新工具。作者团队在论文结尾提到，关于CuNPs界面导电性及其在生化分析中的应用等后续深入研究已在实验室展开。