DNA自组装技术是以单链DNA为结构基础,利用DNA碱基精准的互补配对的特性,从而程序化调控单链DNA的空间连接特性,以形成具有复杂形貌的纳米、微米尺寸的组装结构。不同于无机纳米颗粒或者嵌段高分子的组装,基于DNA的序列特异性和纳米尺寸的空间分辨率,可以对组成结构的每一条DNA进行特异性寻址及选择性编辑。利用这一特性,可以在DNA模板上的任意位点精准组装无机纳米颗粒、高分子、核酸分子和蛋白质等功能材料,从而应用于纳米光学、药物递送、生物传感、纳米器件等研究领域。尽管DNA自组装技术在纳米结构精准调控等方面展示其独特的优势,但是在面向更为复杂且真实的应用场景中,DNA自组装技术还需要进一步发展。目前,DNA结构往往在百纳米尺度,当尺寸延展到微米尺寸时,其产率大幅度下降,并伴随高维形貌缺陷的出现。此外,含有功能材料的DNA组装结构,往往难以形成厘米尺度的有序阵列,制约了 DNA介导的多尺度的精准纳米加工。同时,将DNA的精准组装特性应用于级联酶的活性调控,还需要考虑酶之间的空间排布,以实现级联酶之间的高效协同催化。基于以上讨论,本论文从结构扩展和应用探究两方面开展研究,具体工作如下:一、DNA单晶薄膜的成核—生长调控微米尺寸的DNA单晶薄膜的组成、形貌的复杂度远超过百纳米尺寸的DNA折纸或者DNA砖瓦结构,因此具有多尺度介导组装潜力。然而,对于微米尺寸的三维结构而言,其成核特征以及生长路径的复杂度目前尚难于有效预测及调控。本论文系统研究DNA单晶薄膜的边界设计、组装温度和抗衡离子对成核、生长不同阶段的影响。本论文发现更长的DNA链有利于降低成核势垒,扩大成相窗口,提高组装速率,最终可形成数十微米长的无缺陷的组装结构。但在低盐浓度或高温下（50℃以上）,薄膜的成核生长过程被抑制。于此同时,相比于其它一价的碱金属离子,锂离子对DNA结构的结合能力和静电屏蔽能力更高,并且组装的过程不受DNA结构复杂度的影响。此外,通过对成核—生长过程的动态表征,首次观察到DNA组装过程按照非晶态、中间态、晶态的时间顺序进行演化。通过对成核—生长过程的探究和调控,可以对其他材料的生长提供理论和实验支持。二、构筑亚10 nm周期的低缺陷DNA单晶薄膜面对摩尔定律的不断发展,纳米器件的加工精度也不断提高。亚1纳米技术节点需要达到亚10 nm的结构间距。这一结构要求,超越了浸润式光刻甚至极紫外光光刻技术的分辨率极限。DNA自组装虽然具有更高的空间分辨率,但是在亚10nm的周期以内,线错位和晶界缺陷的出现,制约DNA自组装的结构精准度。本论文系统研究了结构单元的周期、形貌和序列设计对高维缺陷生成的影响,发现高维缺陷主要和序列周期相关,并随着周期的缩减而非线性的增加。在8 nm线条周期,高维缺陷率为74%;而在16 nm线条周期,高维缺陷率仅为1.7%,为8 nm缺陷的2%。对缺陷形貌的时序研究表明,缺陷的生成从成核期开始,然后逐层积累。为了抑制缺陷的生成,本论文提出正交序列设计,从而在不改变形貌间距的同时,增加序列周期。利用这一方法,本论文将8 nm线周期的结构缺陷降低了约两个数量级,并且获得了优于现有微纳加工极限尺寸的小间距形貌。最后,以无缺陷的DNA组装结构为模板,介导制备了16nm周期的金属纳米带,展示了低缺陷形貌在精准纳米加工中的应用潜力。三、厘米尺度有序阵列构建大面积定点、取向的周期性阵列结构,是实现多尺度有序的DNA介导组装的关键一步。相比于百纳米的二维的DNA折纸结构,微米尺寸三维DNA单晶薄膜尺寸分布范围广,表面接触模式复杂。并且当进一步组装有功能材料时,表面能难以准确计算,因此不适用于传统的表面阵列化方法。本论文基于三维的高分子结构作为模板,提出了空间限域组装策略。通过系统优化PMMA凹槽的三维形貌、表面状态、及DNA组装体浓度、沉积时间等动态参数,实现了微米尺寸DNA单晶薄膜的高产率的表面占据率。进一步,基于增加冗余体积的串珠设计,本论文对组装有两根碳纳米管的DNA组装结构进行大面积表面取向组装,在厘米尺寸基底上实现了 85%的组装产率,90%的角度控制在±7°以内,首次实现了核酸介导的大面积碳纳米管组装,并且实现了从纳米材料到厘米阵列的多尺度有序性。四、核酸介导的底物通道系统的光调控底物通道是细胞内代谢中间体不经过自由扩散,直接在级联酶中传递的现象,比如通过摆臂介导中间体的代谢,这个过程有利于提高催化效率。为了实现在体外构筑底物通道,需要考虑级联酶彼此之间的空间位置及其催化活性调控的方式。本论文选择DNA组装结构作为底物通道的支架,实现纳米精度的级联酶和摆臂的定位组装。并以光作为体系的能量输入,选择偶氮苯修饰的DNA摆臂作为光响应单元,实现对级联酶催化活性的动态调控:在紫外光照射下,摆臂会靠近级联酶形成底物通道,进而激活级联酶的催化;在可见光照射下,摆臂远离级联酶,导致活性的降低。本论文系统探究了不同距离的级联酶、摆臂长度对底物通道形成的影响,从而在级联酶最优间距和最短摆臂的条件下,获得最佳的催化信倍比。最后,探究了不同光照下的底物通道的活性变化动力学,实现了快速、可逆的底物通道活性调控。