随着全球数据量的爆炸式增长，传统的光学和磁存储技术已难以满足长期归档存储的需求。DNA作为天然的信息载体，因其高密度、长期稳定性和易于复制的特性，被视为下一代数据存储介质。然而，如何在保持高存储密度的同时实现稳定、高效的随机数据访问，一直是该领域的核心挑战。

  近日，天津大学宋东坡教授团队与天津大学化工学院齐浩教授、北京大学张成教授和钱珑教授等单位的科研人员合作，提出了一种创新的解决方案。他们利用带电荷的瓶刷嵌段共聚物（BBCP）作为稳定剂，通过一步自组装法制备了具有有序多孔结构的光子微球，成功将DNA随机数据存储的物理密度提升至22.6 EB/g，相当于2-3个微软的大型数据中心，远超现有随机访问存储技术的性能。相关研究成果发表于国际知名期刊Science Advances。

技术突破：光子微球作为DNA序列索引

  传统DNA数据存储的随机访问通常需要额外的非编码引物DNA作为索引，这不仅降低了物理数据密度，还可能在多次数据检索后因扩增偏差导致信息丢失。为解决这一问题，研究团队提出了一种全新的策略：将不同数据编码的DNA文件加载到具有独特光子带隙和粒径的多孔光子微球中，利用这两种特征作为二维寻址索引。通过光学显微镜-光谱仪联用系统，同时识别微球的反射波长和尺寸，从而实现目标DNA文件的物理分离和检索。

图1. 利用光子带隙和微球尺寸作为随机访问索引的DNA数据存储策略示意图

高密度存储与高效检索

  研究团队通过静电相互作用将带负电荷的DNA高效富集于光子微球内部的正电荷多孔表面，实现了高达8.8 wt%的DNA负载量（图2）。实验表明，单个微球可容纳至少5.2 × 101?条DNA链，足以通过PCR扩增和测序完成数据检索。此外，团队还开发了弱碱性缓冲液释放技术，可在20分钟内完成90%的DNA释放，显著提升了数据检索效率。

图2. DNA在光子微球中的高效负载与释放过程

应用验证：古籍《荀子》的存储与检索

  为验证该技术的实用性，研究团队将中国古代经典《荀子》的32章文本（共357 kb）和目录图像编码为2850条DNA链，并分别加载到32种不同光子带隙和尺寸的微球中（图3）。通过二维索引，团队成功实现了目标文件的快速分离与检索，交叉污染率低至0.05 × 10??至0.45 × 10??，展示了该技术的高精度与可靠性。该光子索引平台可结合多种封装方法，实验显示封装DNA在紫外、甲醇及核酸酶等苛刻环境下稳定性显著提升，证明其适用于DNA长期稳定随机访问存储系统。

图3. 基于光子微球的随机访问存储系统及其在古籍数据存储中的应用

产业化前景

  该技术采用可扩展的自组装方法制备光子微球，结合团队此前报道的瓶刷嵌段共聚物公斤级连续流合成技术(Song et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202421315)，为DNA数据存储的大规模应用提供了可行方案。未来，通过集成图像分析和微流控分选技术，该技术有望实现自动化数据检索，进一步推动其在数据中心、医疗档案等领域的应用。

  博士研究生刘秋君是该论文的第一作者，宋东坡教授为通讯作者。该项工作得到国家重点研发计划（No. 2024YFF1206200、2021YFF1200100）的资助。

  论文信息： Photonic Microspheres for High-Capacity DNA Data Storage: Robust, Straightforward and Scalable Random Access via Non-Fading Indexes

  Liu, Qiu-Jun; Liu, Qian; Zhang, Jie; Zhang, Cheng; Qian, Long; Qi, Hao; Li, Yuesheng; Song, Dong-Po*

  Science Advances 2025, DOI: 10.1126/sciadv.adw2613 

  论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw2613