CN102382815A - 一种二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法 - Google Patents

一种二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法 Download PDF

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Abstract

一种二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，属于材料化学技术领域。本发明包括金纳米粒子合成，金纳米棒合成，金纳米粒子修饰DNA1，金纳米棒修饰DNA2，DNA复合连接臂的形成，金纳米棒和金纳米粒子组装。本发明选择金纳米棒和金纳米粒子这两种重要的等离子纳米粒子进行制备离散的二元自组装体。金纳米棒具有空间几何和化学各向异性，使得金纳米棒在其空间上不同的位点所带有的物理性质和化学性质是不一样的，因此控制二元金纳米材料的空间位点特异性的技术方法显得尤为重要。本发明提供的二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，制备出结构及位点均一，可控，产率高的二元金纳米材料组装体。

Description

一种二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法
技术领域
一种二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，属于材料化学技术领域。
背景技术
自组装指的是基本的结构单元自发进行有序堆积形成有序结构并表达协同功能的一种技术。在这个过程中，基本的结构的单元通过非共价键的相互作用下自发的组织或聚集成为一个稳定的、具有一定规则的几何外观的结构。在这个过程中，若干结构体之间同时自发的发生关联并聚集在一起形成一个有序的整体结构，这是一种整体的复杂的协同作用而非大量的原子、离子或分子之间弱作用力的简单叠加。这种基本的结构单元一般指的是纳米材料、微米材料或者分子。自组装是近年来最热门的研究主题之一。
金纳米棒是一种棒状的金纳米粒子，其尺寸一般在几个纳米到上百个纳米。单个的金纳米棒上的导带电子由于存在沿着棒的长轴和垂直棒的长轴方向的两个谐振的方向也就存在两个表面等离子峰——纵向等离子峰和横向等离子峰。金纳米棒的制备方法主要有电化学方法，光化学方法，模板法和晶种生长法。其中晶种生长法制备方法简单，产率高，重复性强等优点使得成为目前最为流行的一种金纳米棒的制备方法。由于在晶种生长法制备金纳米棒的过程中使用了十六烷基三甲基溴化铵，而这种表面活性剂对金纳米棒的不同面的结合能力不同，即金棒的侧面结合得比较致密，而在金纳米棒的端面则结合得较为稀疏，使得金纳米棒同时具有了空间几何和化学各向异性，并且通过改变硝酸银的加入量来改变金纳米棒的长径比（即金纳米棒的长度和金纳米棒的直径的比值）来调节金纳米棒的纵向共振峰，使得实现其表面等离子峰在可见光和近红外区域的可控调节。因这些独特的性质使得金纳米棒能够实现作为可控自组装材料良好的原料。金纳米粒子自从1857年法拉第通过还原方法第一次制备出了金纳米溶胶并对其性质初步研究以来，一直由于其特殊的光学性质，制备方法的简单、可控，性质稳定，生物兼容性好等优点成为长久不衰的研究热点之一。
由于等离子纳米材料的自组装体具有非常强的等离子耦合效应，导致电磁场增强等良好的性质，二元等离子纳米材料在自组装材料中表现出来不同于两种单独的等离子纳米材料的令人着迷的性质，使得二元等离子纳米材料成为研究热点之一。目前二元纳米粒子组装主要集中在二元纳米粒子无规则地聚集体的形成上，离散的组装体鲜有报道。但是离散的自组装材料又和二元纳米粒子的聚集体的性质不一致，例如在纳米材料的组装体的手性上，离散的可控的纳米粒子的自组装材料和其较大的聚集体所表现出来的性质完全不一样，因此制备离散的二元组装体是完全必要的也是必需的。因此，我们选择金纳米棒和金纳米粒子这两种重要的等离子纳米粒子进行制备离散的二元自组装体。如前文所述，金纳米棒具有空间几何和化学各向异性，使得金纳米棒在其空间上不同的位点所带有的物理性质和化学性质是不一样的，因此如何控制二元金纳米材料的空间位点特异性显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，制备出结构及位点均一，可控，产率高的二元金纳米材料组装体。
本发明的技术方案：一种二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，包括金纳米粒子合成，金纳米棒合成，金纳米粒子修饰DNA1，金纳米棒修饰DNA2，DNA复合连接臂的形成，金纳米棒和金纳米粒子组装及表征。
工艺步骤：
（1）金纳米粒子合成
金纳米粒子合成采用柠檬酸三钠还原三水合四氯金酸合成18nm的金纳米粒子。
（2）金纳米棒合成
金纳米棒合成采用晶种生长法合成16nm×50nm金纳米棒。
（3）金纳米粒子修饰DNA1
步骤（1）合成出来的金纳米粒子和巯基修饰的DNA1进行偶联形成金纳米粒子-DNA1的复合物。
（4）金纳米棒端面修饰
步骤（2）合成的金纳米棒通过一定量的巯基修饰的DNA2修饰到金纳米棒的端面形成金纳米棒-DNA2的复合物。
（5）DNA复合连接臂的形成
通过加入相应的单链DNA在杂交缓冲液中相互杂交形成DNA复合连接臂以控制金纳米粒子和金纳米棒的位点特异性组装。所用DNA为DNA3和DNA4。
（6）金纳米棒和金纳米粒子组装及表征
步骤（3）所得金纳米粒子-DNA1复合物和步骤（4）所得金纳米棒-DNA2复合物在杂交缓冲液中组装形成金纳米粒子组装到金纳米棒的端面。采用TEM对该组装产物进行表征。
表1  DNA的编号、序列及长度
编号 序列(5’-3’) 长度
DNA1 TAACAATAATCCCTCAAAAAAAAAA-SH 25
DNA 2 CGTTAGGACTTACGCAAAAAAAAAA-SH 25
DNA 3 GAGGGATTATTGTTACGTTAGGACTTACGCAAAAAAAAAA- NH2 40
DNA 4 GCGTAAGTCCTAACG 15
注：本发明所使用的DNA均购自中国上海生工生物工程有限公司，并通过聚丙烯酰胺凝胶电泳进行纯化。
本发明的有益效果：本发明选择金纳米棒和金纳米粒子这两种重要的等离子纳米粒子进行制备离散的二元自组装体。金纳米棒具有空间几何和化学各向异性，使得金纳米棒在其空间上不同的位点所带有的物理性质和化学性质是不一样的，因此解决如何控制二元金纳米材料的空间位点特异性的技术方法显得尤为重要。本发明提供的二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，制备出结构及位点均一，可控，产率高的二元金纳米材料组装体。
附图说明
图1 典型的二元纳米粒子组装体的组装结构图。
具体实施方式
实施例1
（1）金纳米粒子的合成
金纳米粒子的合成方案为：洁净的三角烧瓶中加入95mL的超纯水，而后向超纯水中加入5mL的浓度为2g/L的三水合四氯金酸，加热，煮沸，紧接着加入2.5mL 质量浓度1%的新鲜配制的柠檬酸三钠溶液，边加热边搅拌，溶液颜色从淡黄色变成红色，持续沸腾反应10 min。最后，溶液冷却至室温，稀释到100mL，4℃保藏。即制得18nm的金纳米粒子。
（2）金纳米棒的合成
 晶种合成：28.0℃下0.1mL的2g/L的三水合四氯金酸溶液加入到1mL 的0.2M的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，溶液颜色由无色变成黄褐色。然后加入0.12mL 新配制的0.01M 硼氢化钠溶液快速搅拌2 min。溶液颜色即又黄褐色变为浅棕色。
 金纳米棒生长：种子溶液合成好以后，进行金纳米棒的生长。5mL的2g/L的三水合四氯金酸溶液加入到5mL的0.2 M 十六烷基三甲基溴化铵溶液中，加入4mL的超纯水，混匀。0.125 mL的 0.01M 硝酸银（AgNO3）溶液加入到上述混合体系中，混匀，随后将65μL 的 0.1M 抗坏血酸溶液加入上述体系溶液，28.0℃下搅拌反应2 min，溶液由褐色变成无色。最后，加入0.05mL 的晶种溶液轻柔搅拌混匀20s。28.0℃反应4h。即得金纳米棒溶液。
（3）金纳米粒子修饰DNA1
Figure 792776DEST_PATH_IMAGE001
 将步骤（1）制备的10mL的金纳米粒子10000r/min离心10min，用1mL的水分散，10000r/min离心10min弃上清，用1mL含0.01%SDS的pH8.0的0.01M的PBS缓冲液分散，4℃保藏、待用。
Figure 15070DEST_PATH_IMAGE002
 取上述制备好的金纳米粒子100μL加入12μL 100μM的DNA1，混匀，振摇反应20min后，用含0.01%SDS和2M的NaCl的pH8.0的0.01M的PBS缓冲液加至反应体系中，使NaCl浓度达到50mM，超声10s，振摇反应20min后继续加入该缓冲液至反应体系中，使NaCl浓度达到100mM，随后按照NaCl浓度每增加100 mM的梯度重复上述反应过程至体系中NaCl浓度达到0.7M时，室温振摇反应12h。
Figure 151654DEST_PATH_IMAGE003
 将上述步骤中反应溶液在8000r/min离心10min，弃上清，后用100μL的0.01%的SDS分散沉淀，后用0.01%的SDS的溶液清洗一次，4℃保藏、得金纳米粒子-DNA1复合物，待用。
（4）金纳米棒端面修饰DNA2
取上述制备好的金纳米棒10μL加入1μL的10μM的DNA2，混匀，室温振摇反应12h，6000r/min离心6min，弃上清，用10μL的水分散，水洗一次，4℃保藏，得金纳米棒-DNA2复合物，待用。
（5）DNA复合连接臂的形成
分别取5μL的1μM的DNA3和DNA4，加入15μL的pH7.5、0.01M的Tris-HCl缓冲液（含20mM MgCl2，0.01%的SDS）中，混匀，静置反应12h，4℃保藏、待用。
（6）金纳米棒和金纳米粒子组装及表征
分别取步骤（3）中制备的金纳米粒子-DNA1复合物5μL，步骤（4）制备的金纳米棒-DNA2复合物10μL和步骤（5）制备的DNA复合连接臂0.6μL加入到16μL的pH7.5、0.01M的Tris-HCl缓冲液（含20mM MgCl2，0.01%的SDS）中，混匀，静置反应12h。
将上述组装好的产品进行5000r/min离心6min，弃上清，沉淀重分散到30μL的水中，水洗一次。电镜表征：7μL的上述处理过的样品滴加到碳膜支持的铜网上，在红外灯下进行干燥。投射电镜采用JEOL JEM-2100型号的电镜，其加速电压为200 kV。 

Claims (7)

1.一种二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，其特征在于包括金纳米粒子合成，金纳米棒合成，金纳米粒子修饰DNA1，金纳米棒修饰DNA2，DNA复合连接臂的形成，金纳米棒和金纳米粒子组装及表征，工艺步骤：
（1）金纳米粒子合成
金纳米粒子合成采用柠檬酸三钠还原三水合四氯金酸合成18nm的金纳米粒子；
（2）金纳米棒合成
金纳米棒合成采用晶种生长法合成16nm×50nm的金纳米棒；
（3）金纳米粒子修饰DNA1
步骤（1）合成出来的金纳米粒子和巯基修饰的DNA1进行偶联形成金纳米粒子-DNA1复合物；
（4）金纳米棒端面修饰DNA2
步骤（2）合成的金纳米棒通过一定量的巯基修饰的DNA2修饰到金纳米棒的端面形成金纳米棒-DNA2复合物；
（5）DNA复合连接臂的形成
通过加入相应的单链DNA在杂交缓冲液中相互杂交形成DNA复合连接臂以控制金纳米粒子和金纳米棒的位点特异性组装；所用DNA为DNA3和DNA4；
（6）金纳米棒和金纳米粒子组装及表征
步骤（3）所得金纳米粒子-DNA1复合物和步骤（4）所得金纳米棒-DNA2复合物在杂交缓冲液中组装形成金纳米粒子组装到金纳米棒的端面；采用TEM对该组装产物进行表征；
DNA1：5’-TAACAATAATCCCTCAAAAAAAAAA-SH-3’，
DNA2：5’-CGTTAGGACTTACGCAAAAAAAAAA-SH -3’，
DNA3：5’-GAGGGATTATTGTTACGTTAGGACTTACGCAAAAAAAAAA-NH2-3’，
DNA4：5’-GCGTAAGTCCTAACG -3’。
2.根据权利要求1所述的二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，其特征在于金纳米粒子的合成：洁净的三角烧瓶中加入95mL的超纯水，而后向超纯水中加入5mL的浓度为2g/L的三水合四氯金酸，加热，煮沸，紧接着加入2.5mL 新鲜配制的质量浓度1%的柠檬酸三钠溶液，边加热边搅拌，溶液颜色从淡黄色变成红色，持续沸腾反应10 min；最后，溶液冷却至室温，稀释到100mL，4℃保藏，即制得18nm的金纳米粒子。
3.根据权利要求1所述的二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，其特征在于金纳米棒的合成：
Figure 2011102726550100001DEST_PATH_IMAGE001
 晶种合成：28.0℃下0.1mL的2g/L的三水合四氯金酸溶液加入到1mL 的0.2M的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，溶液颜色由无色变成黄褐色，然后加入0.12mL 新配制的0.01M 硼氢化钠溶液快速搅拌2 min，溶液颜色即由黄褐色变为浅棕色；
Figure 607098DEST_PATH_IMAGE002
 金纳米棒生长：种子溶液合成好以后，进行金纳米棒的生长，5mL的2g/L的三水合四氯金酸溶液加入到5mL的0.2 M 十六烷基三甲基溴化铵溶液中，加入4mL的超纯水，混匀；0.125 mL 的 0.01M 硝酸银溶液加入到上述混合体系中，混匀；随后将65μL 的 0.1M 抗坏血酸溶液加入上述体系溶液，28.0℃下搅拌反应2 min，溶液由褐色变成无色；最后，加入0.05mL 的晶种溶液轻柔搅拌混匀20s，28.0℃反应4h，即得金纳米棒溶液。
4.根据权利要求1所述的二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，其特征是金纳米粒子修饰DNA1
Figure 337288DEST_PATH_IMAGE001
 将步骤（1）制备的10mL的金纳米粒子10000r/min离心10min，用1mL的水分散，10000r/min离心10min弃上清，用1mL含0.01%SDS的pH8.0的0.01M的PBS缓冲液分散，4℃保藏、待用；
Figure 179342DEST_PATH_IMAGE002
 取上述制备好的金纳米粒子100μL加入12μL 100μM的DNA1，混匀，振摇反应20min后，用含0.01%SDS和2M的NaCl的pH 8.0的0.01M的PBS缓冲液加至反应体系中，使NaCl浓度达到50mM，超声10s，振摇反应20min后继续加入该缓冲液至反应体系中，使NaCl浓度达到100mM，随后按照NaCl浓度每增加100 mM的梯度重复上述反应过程至体系中NaCl浓度达到0.7M时，室温振摇反应12h；
Figure 2011102726550100001DEST_PATH_IMAGE003
 将上述步骤中反应溶液在8000r/min离心10min，弃上清，后用100μL的0.01%的SDS分散沉淀，后用0.01%的SDS的溶液清洗一次，4℃保藏、得金纳米粒子-DNA1复合物，待用。
5.根据权利要求1所述的二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，其特征在于金纳米棒端面修饰DNA2：取上述制备好的金纳米棒10μL加入1μL的10μM的DNA2，混匀，室温振摇反应12h，6000r/min离心6 min，弃上清，用10μL的水分散，水洗一次，4℃保藏，得金纳米棒-DNA2复合物，待用。
6.根据权利要求1所述的二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，其特征在于DNA复合连接臂的形成：分别取5μL的1μM的DNA3和DNA4，加入15μL的含20mM MgCl2和0.01% SDS的 pH 7.5、0.01M的Tris-HCl缓冲液中，混匀，静置反应12h，4℃保藏、待用。
7.根据权利要求1所述的二元等离子纳米粒子位点特异性自组装的方法，其特征在于金纳米棒和金纳米粒子组装及表征：分别取步骤（3）中制备的金纳米粒子-DNA1复合物5μL，步骤（4）制备的金纳米棒-DNA2复合物10μL和步骤（5）制备的DNA复合连接臂0.6μL，加入到16μL的含20mM MgCl2和0.01%的SDS的pH 7.5、0.01M的Tris-HCl缓冲液中，混匀，静置反应12h；
所得组装好的产品进行电镜表征。
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