核酸纳米技术是一种多学科交叉的研究领域，主要利用核酸分子（DNA 和RNA）尺寸为纳米级别、刚性结构、编码性强的特点来构造各种纳米结构，应用于生物医学、化学、材料等领域。本书着重介绍核酸纳米技术中最为引人注目的几个主要方向，即核酸纳米结构组装、核酸传感与检测、核酸纳米操纵、核酸纳米结构应用以及DNA 分子机器与计算机。
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第一篇 核酸纳米技术基础
第1章 核酸纳米技术的基本概念 3
1.1 纳米技术引论 3
1.1.1 纳米科技发展简史 5
1.1.2 纳米领域的“眼睛”和“手” 6
1.1.3 纳米领域的“砖瓦” 7
参考文献 13
1.2 DNA分子的化学与生物学 15
1.2.1 DNA的微观结构 16
1.2.2 DNA的分子操作 19
参考文献 23
1.3 结构DNA纳米技术简史 27
1.3.1 纳米尺度下分子自组装的研究意义 27
1.3.2 DNA作为纳米建筑材料的背景 28
1.3.3 基于DNA纳米砖片的自组装 29
1.3.4 DNA折纸术 36
1.3.5 基于DNA折纸结构的层级自组装形成的超大结构 41
1.3.6 总结与展望 43
参考文献 43
第2章 核酸纳米技术的工具与策略 47
2.1 DNA分子的成像和纳米操纵 47
2.1.1 单个DNA分子及其复合物的成像 47
2.1.2 单分子纳米操纵 53
参考文献 59
2.2 自组装DNA纳米结构的构建策略 60
2.2.1 基于DNA自组装的纳米结构 60
2.2.2 DNA纳米排布 65
2.2.3 DNA纳米机器人 67
2.2.4 DNA构造纳米图形展望 68
参考文献 70
2.3 RNA纳米技术 76
2.3.1 RNA的构筑基元与自组装：RNA建筑学 77
2.3.2 单链RNA的折叠：RNA折纸术 79
2.3.3 RNA-DNA协同共组装：优势互补 82
2.3.4 RNA纳米技术的应用：从结构到功能 83
参考文献 84
2.4 框架核酸的概念和发展 86
2.4.1 简介 86
2.4.2 框架核酸的概念 86
2.4.3 框架核酸的设计：DNA折纸术及其软件 89
2.4.4 框架核酸对纳米级研究对象的空间调控 91
2.4.5 框架核酸的生物应用 93
2.4.6 总结和前景 97
参考文献 98
第3章 核酸纳米技术的应用 106
3.1 可以感知的DNA纳米技术—DNA生物传感器与基因芯片 106
3.1.1 DNA生物传感器 106
3.1.2 DNA芯片 110
3.1.3 微流控芯片 111
参考文献 115
3.2 可以计算的DNA纳米技术——DNA逻辑门与DNA计算 116
3.2.1 分子逻辑门 116
3.2.2 DNA逻辑门 117
3.2.3 DNA计算 121
3.2.4 总结与展望 125
参考文献 125
3.3 可以运动的DNA纳米技术—DNA分子机器 127
3.3.1 链置换反应驱动的DNA马达 127
3.3.2 环境因素驱动的DNA马达 133
3.3.3 两类驱动方式的评价 138
参考文献 139
第二篇 核酸纳米技术进阶
第4章 核酸纳米结构自组装 143
4.1 结构DNA纳米技术研究进展 143
4.1.1 二维DNA结构 144
4.1.2 三维DNA结构 146
4.1.3 DNA自组装引导的纳米粒子二维结构 151
4.1.4 DNA自组装引导的纳米粒子三维结构 154
4.1.5 DNA自组装与微加工技术 156
4.1.6 挑战与展望 157
参考文献 157
4.2 DNA纳米自组装化学 161
4.2.1 DNA模块自组装 163
4.2.2 无机纳米结构的DNA导向组装 173
4.2.3 展望 191
参考文献 192
4.3 使用最少DNA链构建DNA纳米结构的策略 202
4.3.1 序列对称性 203
4.3.2 通过一条DNA链构建DNA纳米结构 204
4.3.3 结构对称性 207
4.3.4 对称性DNA纳米结构在生物医学中的应用 208
4.3.5 总结与展望 209
参考文献 210
4.4 DNA-表面活性剂杂化纳米结构材料：自组装性质及应用 213
4.4.1 DNA-表面活性剂和DNA-脂质复合物溶致液晶 214
4.4.2 DNA-表面活性剂复合物热致液晶 217
4.4.3 DNA-表面活性剂复合物膜材料 218
4.4.4 DNA-表面活性剂复合物的应用 219
4.4.5 展望 221
参考文献 222
4.5 DNA编码的化学材料合成技术 226
4.5.1 DNA序列编码的高分子合成 226
4.5.2 以DNA纳米结构为模板的高分子纳米材料合成及其功能 230
4.5.3 以DNA纳米结构为模板的无机纳米颗粒合成 238
4.5.4 总结与展望 245
参考文献 245
4.6 DNA引导的纳米粒子超晶格的组装 251
4.6.1 基于DNA-球形金纳米粒子的超晶格 251
4.6.2 非典型无机纳米粒子的三维有序组装 255
4.6.3 异质二元DNA-NP体系共结晶 256
4.6.4 动态超晶格 258
4.6.5 基于DNA-NP的多面体微晶 260
4.6.6“最复杂”的超晶格 261
4.6.7 DNA折纸结构引导纳米粒子组装 261
4.6.8 展望 263
参考文献 264
第5章 核酸传感与检测 267
5.1 核酸生物传感器研究进展 267
5.1.1 前言 267
5.1.2 传感方法 269
5.1.3 总结与展望 290
参考文献 291
5.2 基于水溶性共轭聚合物的核酸分子检测 304
5.2.1 水溶性共轭聚合物结构和性质 305
5.2.2 水溶性共轭聚合物的光学特性和传感机制 306
5.2.3 基于共轭聚合物的核酸生物传感器 308
5.2.4 总结与展望 320
参考文献 320
5.3 核酸分子线路——催化发夹结构自组装及其分析应用 325
5.3.1 CHA的原理和改良 326
5.3.2 高温CHA和全温区CHA 330
5.3.3 CHA的万能传导 332
5.3.4 CHA与超灵敏分析 333
5.3.5 总结与展望 336
参考文献 336
5.4 基于细胞筛选的核酸适配体技术在癌症诊断和治疗中的应用 339
5.4.1 以活细胞为靶标的核酸适配体筛选技术 340
5.4.2 核酸适配体用于癌细胞的检测 342
5.4.3 基于核酸适配体的癌症标志物发现 346
5.4.4 核酸适配体用于癌症的靶向诊疗 348
5.4.5 总结与展望 354
参考文献 355
5.5 核酸适配体和核酶生物传感器 360
5.5.1 核酸适配体和核酶 360
5.5.2 核酸适配体生物传感器 363
5.5.3 核酶生物传感器 371
5.5.4 总结与展望 377
参考文献 378
第6章 核酸纳米操纵 382
6.1 DNA分子手术 382
6.1.1 DNA“分子手术”的基本工具及前期技术背景 382
6.1.2 DNA“分子手术台”和“手术刀” 383
6.1.3 DNA“分子手术”的若干基本操作 384
6.1.4 DNA“分子手术”的后处理技术 386
6.1.5 DNA“分子手术”当前面临的主要问题 387
6.1.6 展望 388
参考文献 388
6.2 DNA的单分子力学 389
6.2.1 单分子力学实验技术 390
6.2.2 双链DNA的单分子力学 392
6.2.3 单链DNA的单分子力学 399
6.2.4 双链DNA与单链DNA之间的转变及其力谱特征 403
6.2.5 小结 407
参考文献 407
第7章 核酸纳米结构应用 411
7.1 DNA纳米技术与生物成像 411
7.1.1 生物大分子功能机制的研究 411
7.1.2 细胞水平的组织功能的研究 416
7.1.3 动物水平的生物成像应用 418
7.1.4 DNA纳米技术和荧光超分辨成像 420
7.1.5 总结与展望 423
参考文献 424
7.2 DNA水凝胶：从合成到应用 427
7.2.1 前言 427
7.2.2 DNA水凝胶的合成策略 428
7.2.3 DNA水凝胶的刺激响应 431
7.2.4 复合杂化DNA水凝胶 440
7.2.5 DNA水凝胶的应用 443
7.2.6 存在的问题和展望 454
参考文献 455
7.3 DNA纳米技术与药物递送 459
7.3.1 DNA纳米技术 460
7.3.2 DNA纳米结构进入细胞的方式 465
7.3.3 DNA纳米结构在细胞中的去路 467
7.3.4 DNA纳米结构作为药物递送载体的具体应用 469
7.3.5 DNA纳米结构可能引起机体的免疫反应 484
7.3.6 结语 485
参考文献 486
7.4 DNA纳米技术递送小分子化疗药物 496
7.4.1 前言 496
7.4.2 药物共价修饰型DNA纳米递送体系 497
7.4.3 药物嵌入型DNA纳米递送体系 500
7.4.4 药物封装型DNA纳米递送体系 505
7.4.5 总结与展望 509
参考文献 509
7.5 DNA自组装与纳米光子学 515
7.5.1 引言 515
7.5.2 DNA自组装表面等离子体纳米结构的制备 516
7.5.3 DNA自组装纳米光子学结构的杂化理论 520
7.5.4 DNA结构指导表面等离子体纳米结构手性调控 523
7.5.5 DNA结构指导表面增强拉曼散射研究 528
7.5.6 DNA结构指导增强荧光研究 530
7.5.7 总结与展望 532
参考文献 533
第8章 核酸分子机器与计算机 540
8.1 从DNA自组装到DNA分子机器 540
8.1.1 DNA纳米结构 540
8.1.2 DNA等温复制机器 546
8.1.3 金属离子依赖型核酸酶实现DNA逻辑计算 550
8.1.4 总结与展望 551
参考文献 552
8.2 DNA分子机器——从运动到功能 554
8.2.1 基于链置换反应的DNA分子机器 554
8.2.2 基于环境因素改变的DNA分子机器 560
8.2.3 DNA分子机器的功能化表现 564
8.2.4 总结与展望 568
参考文献 568
8.3 会玩游戏的DNA计算机 573
8.3.1 从脱氧核酶逻辑门到可编程的自动装置 574
8.3.2 可以玩游戏的DNA——MAYA自动装置 575
8.3.3 DNA计算机领域相关的研究进展 581
8.3.4 DNA计算机领域未来展望 583
参考文献 584
8.4 基于分子电路的DNA计算 585
8.4.1 引言 585
8.4.2 基于链置换级联效应的DNA电路 586
8.4.3 基于链置换催化反应的DNA电路 588
8.4.4 基于核酶的DNA电路 590
8.4.5 基于纳米自组装的DNA电路 593
8.4.6 展望 596
参考文献 597
8.5 哺乳动物细胞内核酸分子计算机 600
8.5.1 哺乳动物细胞内核酸分子计算机的开发与研究 601
8.5.2 哺乳动物细胞内核酸分子计算机使能技术的发展 604
8.5.3 哺乳动物细胞内核酸分子计算机的生物技术应用 607
8.5.4 挑战与展望 609
参考文献 609
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