Matter | 深圳先進(jìn)院構(gòu)建多尺度生物防偽涂層:把“密碼”藏進(jìn)生物材料
買藥、買化妝品時(shí),掃一掃二維碼做初步驗(yàn)證,已經(jīng)是人們熟悉的防偽方式。如今,科學(xué)家正嘗試把驗(yàn)證再往前推進(jìn)一步:不僅面向珠寶、腕表等高價(jià)值物品實(shí)現(xiàn)更高等級的身份核驗(yàn),甚至還可將關(guān)鍵信息直接嵌入材料本體,讓材料本身成為認(rèn)證載體。
4月16日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院定量合成生物學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、合成生物學(xué)研究所鐘超團(tuán)隊(duì)在Cell Press旗下期刊Matter發(fā)表研究成果,開發(fā)出一種多層級信息加密平臺(tái)——HIDE。該平臺(tái)將可編程淀粉樣蛋白納米纖維與DNA分子結(jié)合,構(gòu)建出一層近乎透明的微米級涂層,使材料表面兼具信息隱藏和分級驗(yàn)證等功能,為防偽與物理信息安全提供了全新思路。
“我們希望做的不只是一個(gè)防偽標(biāo)簽,而是把安全信息真正嵌入材料本體,讓材料本身具備身份表達(dá)和驗(yàn)證能力?!闭撐墓餐ㄓ嵶髡哏姵芯繂T說。
“四重密碼”如何藏進(jìn)一層涂層
傳統(tǒng)防偽技術(shù)多依賴圖案、防偽碼、顏色變化或特定光學(xué)響應(yīng)等單一特征,識(shí)別方式一旦被摸清,偽造風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)隨之上升。相比之下,HIDE的優(yōu)勢在于能夠把不同層級的信息整合進(jìn)同一層材料,構(gòu)建起橫跨宏觀、微觀、納米和分子尺度的“四重密碼”系統(tǒng)。
其中,宏觀尺度信息可表現(xiàn)為在特定條件下顯現(xiàn)的二維碼,手機(jī)即可讀??;顯微尺度信息包括微圖案和衍射圖樣,需要借助顯微鏡或激光識(shí)別;納米尺度信息體現(xiàn)在蛋白納米纖維的結(jié)構(gòu)排布中;分子尺度信息則直接編碼在DNA序列里。這層看似普通的涂層,實(shí)際上承載了不同層級的信息及對應(yīng)的讀取方式。
材料表面為何能“存住”信息
支撐這一體系的核心,是一種能夠自組裝形成涂層的蛋白納米纖維材料。研究團(tuán)隊(duì)以人源FUS蛋白為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)重組蛋白,使其在合適條件下自發(fā)組裝成納米纖維,并附著在玻璃、鋁片、PET等多種材料表面,形成均一穩(wěn)定的涂層。更特別的是,這種涂層幾乎是“隱形”的:在玻璃表面,其可見光透過率超過94%。
研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),只要改變不同蛋白的混合方式和加入順序,就能形成結(jié)構(gòu)各異的納米纖維網(wǎng)絡(luò)。并通過專業(yè)設(shè)備加以識(shí)別,相當(dāng)于在透明涂層中埋入一層肉眼難辨的“結(jié)構(gòu)密碼”。
與此同時(shí),團(tuán)隊(duì)在涂層中加入可特異性結(jié)合DNA的功能模塊,使DNA分子能夠穩(wěn)定固定在涂層表面。在具體實(shí)驗(yàn)中,團(tuán)隊(duì)將一段30個(gè)字符的文本信息轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)據(jù),并進(jìn)一步編碼為一條由128個(gè)核苷酸組成的DNA序列,成功實(shí)現(xiàn)了文字信息在分子層面的寫入、存儲(chǔ)和讀取。
從快速驗(yàn)真到分級認(rèn)證
為了讓這套系統(tǒng)具備現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值,研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩級檢測策略。第一級是快速篩查。團(tuán)隊(duì)引入Cas12a檢測系統(tǒng),一旦樣品中存在目標(biāo)DNA序列,就會(huì)觸發(fā)熒光信號,從而在較短時(shí)間內(nèi)完成真?zhèn)闻袛?。第二級則是深度核驗(yàn),研究人員可通過擴(kuò)增和測序,進(jìn)一步讀取完整DNA序列,并還原其中編碼的信息。前者適用于現(xiàn)場快速驗(yàn)真,后者則適用于高價(jià)值物品的精確身份確認(rèn)。
共同通訊作者安柏霖表示,HIDE的分層設(shè)計(jì)使得不同價(jià)值、不同流通場景的物品能夠適配不同安全等級的需求。對于藥品包裝、化妝品、票據(jù)等普通消費(fèi)品,宏觀可讀信息即可支持快速防偽;對于珠寶、收藏品等高價(jià)值物品,則可疊加顯微結(jié)構(gòu)、DNA分子編碼與CRISPR檢測,實(shí)現(xiàn)更高等級的身份認(rèn)證體系。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將HIDE涂覆于腕表玻璃表面,構(gòu)建出一套集多尺度信息于一體的驗(yàn)證系統(tǒng),展示了該平臺(tái)在高價(jià)值物品身份認(rèn)證中的應(yīng)用潛力。
從“貼標(biāo)簽”到“寫材料”,這項(xiàng)研究提供的并不只是新的防偽手段,更是一種重新理解物理信息安全的方式:防偽和身份認(rèn)證不一定依賴外加標(biāo)簽,也可以通過功能化材料實(shí)現(xiàn)更深層、更分級的驗(yàn)證。隨著相關(guān)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證體系進(jìn)一步成熟,這類功能化生物材料有望在高級防偽、供應(yīng)鏈溯源和安全標(biāo)識(shí)等領(lǐng)域打開新的應(yīng)用空間。

多層級信息加密平臺(tái)HIDE的應(yīng)用示意圖
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