胶体颗粒在形成高阶组装体的过程中,常常被认为是可程序化的原子类似物,这是由于两者在形状、键合能力等方面的相似之处决定的。与具有高度方向性的原子键合作用不同,球形胶体颗粒各项同性的固有属性决定了对粒子间相互作用进行精确的编码控制是非常困难的。近年来,随着对DNA纳米技术研究的不断深入,通过在胶体颗粒表面引入各项异性的“补丁”,可以对胶体颗粒间的相互作用进行重新的定义。利用DNA补丁互补碱基对之间的氢键作用,胶体颗粒成功地构建出一系列纳米团簇以及组装体。然而,如何发展一种通用的、精确的方法来控制颗粒间的结合模式,即在指定位置直接将功能化补丁安装到表面积有限的胶体颗粒上,进而生成精准的胶体颗粒自组装结构,并将这种自组装结构应用于晶体缺陷和无机生物矿化等领域的研究,仍然是一种严峻的挑战。为解决这一难题,本文提出了一种构建DNA结构介导的胶体颗粒有序结构的通用方法:利用类似金属粒子间配位的结合模式,结合DNA折纸术的方法,将连接配体精准地植入胶体颗粒表面,从而设计并构建出多种高质量的结构组装体。利用DNA碱基之间的特异性识别作用,两条单链可以形成稳定的双螺旋结构,能够将表面包覆DNA的胶体颗粒,嵌入到具有不同角度、数量的补丁DNA折纸框架之中。从而将原本处于游离状态下复杂排列规律的胶体颗粒,以集成的方式封装进“集装箱”——DNA八面体框架。由于DNA杂交的可编程性,“集装箱”八面体框架在理论上定义了三维空间中功能化补丁的排列,进而控制了各项异性胶体颗粒间的结合模式。同时,将晶体工程中广泛应用的节点-间隔法应用于本文所提及的有序结构构建,通过合理地设计出具有低对称性、可编码状态的补丁胶体颗粒,实验得到了一系列胶体颗粒低维度有序组装体,包括二聚体、线性链、二维方形平面,三维立方体等结构。利用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM),X-射线小角度散射(SAXS)、冷冻电镜技术(Cryo-EM)以及三维重构技术等表征手段验证了不同结构中的排列方式并还原了样品的真实状态,直观论证了这种组装策略的可靠性。晶体缺陷和生物矿化是结构化DNA纳米技术的两大热门应用领域。本文基于链置换反应,选择已构建的二聚体和二维方形平面结构进行了晶体缺陷领域的应用研究,将晶体缺陷引入胶体颗粒的有序结构之中。另外,本文还将无机生物矿化与胶体颗粒有序结构相结合,通过对已形成的二维方形平面和三维脚手架链进行二氧化硅包覆,显著提高了结构硬度的同时,使得软性DNA材料摆脱了液相环境的束缚,从而能够胜任多种固态表征环境。本文提出的组装方法不仅在纳米组装体的精准构建方面取得了较好的装配效果,同时可作为一种普适性机制为多种功能性客体物质的精确组装提供平台,并将在纳米光学器件、晶体工程、生物纳米探针等领域拥有广泛的应用前景。