响应特定刺激的多色荧光加密系统具有便捷的数据访问能力与较低的成本，因而在数据存储与加密领域引发广泛关注。然而，现有加密系统受限于加密材料特性，难以实现深层次加密。
基于这一挑战，清华大学机械系熊卓课题组在ACS Appl Mater Interfaces (lF=8.8)杂志上发表最新研究成果: “High-Security Data Encryption Enabled by DNA Multi-Strand Solid-Phase Hybridization and Displacement in Inkjet-Printed Microarrays”。 本研究采用荧光DNA分子作为加密载体，在固相界面上喷墨打印形成了多色荧光微阵列，构建了基于DNA杂交与链置换机制的多色荧光数据存储系统，实现了兼具深度和灵活性的加密体系。
清华大学机械系博士研究生裴犇为本文的第一作者，清华大学机械系熊卓教授为本文的通讯作者。
随着数据技术的快速发展，确保数据安全已成为一项关键挑战，尤其是在金融等领域。为满足这一需求，研究日益聚焦于防伪技术、光学加密系统和分子数据编码策略，为提高数据安全性和完整性提供了创新方法。在这些方法中，基于比色变化的光学加密技术尤为引人注目。其利用加密材料可在外部刺激下发生特定颜色转变的特性进行加密，具有较高的成本效益和快速的响应时间，是实际应用的理想选择。此外，为保证有效的数据安全性，多种加密方法也已被开发。然而，这些方法大多依赖于特定外部刺激，故加密深度有限。DNA分子作为一种具有高密度数据存储潜力的材料，可在有限空间内编码大量数据，且能通过高特异性的杂交、链置换和折纸技术实现多样化操作，从而提供更广泛的加密选项并增强加密深度。
然而，目前仍缺乏基于耦合DNA链置换的有效多位荧光加密系统。这是因为系统既需要在小空间实现高存储密度，又需满足多位荧光阵列图案形成的复杂性，同时在固相系统中需实现耦合DNA杂交与链置换所需的多组分反应。为了解决上述矛盾，本研究提出了一种基于喷墨打印微阵列的新型多色荧光存储系统。这一低成本、高效率的方法采用单链DNA自组装形成的单分子层作为基底，通过喷墨打印将荧光标记的DNA链精准沉积至特定位置，使其与基底DNA杂交形成荧光阵列用于数据存储。系统还引入与数据链具有相同荧光特性的特殊干扰链，这些干扰链可与数据链耦合，并通过解密链引发DNA链置换反应被选择性移除，从而实现高强度的加密与解密。通过整合荧光DNA分子、喷墨打印等要素，该系统提供了一种实用且创新的解决方案，为DNA分子及先进加密技术的应用开辟了新视角。
系统原理
该系统通过DNA固相杂交和链置换实现数据存储和加密。数据存储的原理为，带有荧光的数据DNA（Data DNA）链被杂交在支持DNA（Support DNA）的红、绿、蓝三个杂交序列上形成荧光点（图1a），其中有荧光表示“1”，无荧光表示“0”。这三个杂交序列由间隔序列相互隔开。类似地，为了加密数据，干扰DNA（Interference DNA）被随机在支持DNA的可用序列上，以模糊原始数据。相应的解密DNA链可与干扰DNA链上的靶点杂交，并通过链置换促进其移除。一旦干扰DNA被置换并清除，原始数据即可被解密。
基于这一基本原理，DNA分子可以作为加密材料用于各种形式的数据加密。如图1b中的例子所示，原始数据“CORRECT”被编码为多色荧光组合点并进行加密。通过喷墨打印数据和干扰DNA，荧光数据点被重新排列形成编码掩盖数据“ABCDEFGH”的图案。读取该图案时，只能获得掩盖后的数据。当加入错误解密DNA时，读取荧光组合点将产生垃圾数据。唯有正确的解密DNA能准确去除干扰DNA，使真实数据得以被还原。
图1 数据加密的机制与过程
实验结果
通过喷墨打印和DNA杂交生成的多色荧光数据存储点阵
本研究提出了一种基于多色点阵的数据存储系统，该系统通过喷墨打印技术制作，由标记有不同荧光染料的DNA链构建而成。图2a展示了多DNA打印及杂交测试的设计方案，用于证明多种DNA链杂交的准确性。如图2b所示，可以通过不同波长的激光照射来对多色荧光点进行读取。图2c展示了喷墨打印的工艺流程。图2d展示了DNA微液滴打印与液滴融合的效果，图2e表明融合液滴数量与液滴半径立方呈正比关系。图f展示了多色打印测试中的荧光效果，图2g展示了图1b中所提到样例的实际效果。
图2 基于DNA杂交数据存储的喷墨打印多色荧光点阵列原理及演示
基于序列的荧光DNA链加密
图3a为基于DNA链置换的加密与解密原理示意图。如图所示，特定干扰链仅能与正确的解密链发生链置换反应，从而被移除，而数据链在解密过程中得以保留。图3b为 DNA链置换解密的荧光点阵结果。图3c表示了DNA链置换解密相对荧光强度结果，以真实数据链强度为参考值。该结果表明，只有特定的解密链才能够移除对应干扰链，而数据链不受影响。
图3 基于DNA序列的DNA链位移解密
基于组合结构的多色荧光DNA链加密
图4a, b展示了系统中两种不同的加密结构：并行加密与顺序加密。并行加密时，加入解密链的顺序对解密效果无影响；顺序加密时，只有按一定顺序加入解密链才能成功。图4c，d分别展示了并行加密与顺序加密的实现原理。当加入的两条荧光干扰链相互独立时，即为并行加密。当干扰链相互耦合时，即为顺序加密。值得注意的是，在顺序加密中，干扰链C*没有与解密链结合的靶点。为了将其移除，需要使用一种特殊的解密DNA与支持DNA杂交，驱动干扰链C*的链置换。而干扰链B*含有一个与间隔序列互补的额外序列，从而阻止特殊的解密DNA与支持DNA结合，保护干扰链C。
图4e, f展示了并行与顺序解密实验的微观结果，图g，h则表示了实验的相对荧光强度结果。该结果进一步证实了并行与顺序加密的可行性。
图4 多色DNA链位移加密与解密
数据加密验证
为了验证链置换加密系统的有效性，本研究提出了一种结合了并行与顺序加密的加密方法。如图5a所示，干扰链被加入了空白点位、单一红色点位和单一绿色点位中以加密。图5b则展示了加密所使用的DNA结构。图5c中的荧光显微镜显示，随着解密链按顺序加入，干扰荧光点被移除，最终只留下数据荧光点。如图d所示，没有解密时，荧光阵列产生了被遮蔽的数据。如图e所示，应用正确的解密链后，荧光信号即被解码为真实数据。
图5 数据加密和解密演示
总结与展望
本研究介绍了一种基于DNA的数据存储和加密系统。该系统在通过喷墨打印形成的微阵列上实现了固相DNA杂交和链置换，设计了一个由DNA序列和组合结构控制的加密系统。DNA序列具有极高的数据存储密度，为安全数据存储提供了显著的加密深度。多个加密链之间的组合结构进一步增强了加密的复杂性和灵活性，拓宽了加密的维度。尽管该系统可以实现复杂的加密机制，但喷墨打印技术能够快速、经济地将不同的DNA链同时沉积到特定的阵列中。解密过程通过简单的DNA链置换完成，确保了数据检索的简便性。
该系统可以通过额外的DNA组合和设计轻松扩展出更具多样性和灵活性的加密功能。将DNA数据存储和计算技术与本文提出的基于喷墨打印微阵列的固相反应系统相结合，可以为存储和加密开辟更多的可能性。
参考文献
Pei B, Ma J, Ouyang L, et all. High-Security Data Encryption Enabled by DNA Multi-Strand Solid-Phase Hybridization and Displacement in Inkjet-Printed Microarrays[J]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025,17(6): 10179-10190.
网页链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c21723
(责任编辑：admin) |
