CN102382816A - 一种具有手性的自组装材料的制备方法 - Google Patents

一种具有手性的自组装材料的制备方法 Download PDF

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一种具有手性的自组装材料的制备方法，属于材料化学技术领域。本发明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，金纳米棒和金纳米粒子上的DNA杂交，以单个金纳米粒子与单个金纳米棒的侧面组装以形成具有手性的特殊结构。本发明制备出组装结构均一，可控并且具有手性的纳米材料组装体。

Description

一种具有手性的自组装材料的制备方法
技术领域
一种具有手性的自组装材料的制备方法，属于材料化学领域。
背景技术
纳米材料学是一门新兴的前沿学科。纳米材料也称纳米结构材料，是指微观结构在三维空间范围内至少有一维在100nm以内的材料。由于纳米结构材料具备许多常规材料不具备的特殊性能，如小尺寸效应、表面效应、量子隧道效应等，所以纳米材料被人们给予了很高的期望。纳米材料同样也没有辜负大家的期望，在光学、声学、电磁学、热学、催化、力学、仿生学等许多领域纳米材料已经表现出了令人称奇的优越特性。纳米技术研究电子、原子和分子运动规律和特性的崭新高技术学科，开辟了人们认识自然的新层次，是21世纪头二十年发展的主导领域。
纳米材料的自组装也是纳米技术的一个研究热点，原因在于自组装纳米材料能够表现出不同于单分散的纳米粒子的独特的光学，电学，磁学和化学性质，通过研究自组装材料的性质可以更好地理解宏观材料的物理和化学性质。在可控纳米材料自组装的过程中，纳米材料的各向异性和不同晶面的独特的化学反应性质成为纳米材料形成自组装的一个关键因素。
作为一种优异的贵金属纳米材料，金纳米棒具有独特的表面等离子体共振特性、良好的稳定性、特有的各向异性和生物相容性等特点，因而在生物传感、医学成像、癌症治疗、药物传输以及光电子器件开发等生物医学领域引起了广泛关注。同样，金纳米粒子也具有其自身的良好的性质，在很多领域得到广泛应用。然而，要将金纳米棒与金纳米粒子进行综合应用，需要将金纳米棒与金纳米粒子进行有序组装，构建出功能化的纳米组装体。经过组装以后，组装体所具备的性质是金纳米棒与金纳米粒子相互之间光学、电学性质的耦合，因而将会表现出比单独金纳米棒、金纳米粒子更加优异的整体的协同性质。 
“手性”一词源于希腊词“手”，指左手与右手的差异特征。手性及手性物质只有两类：左手性和右手性。有时为了对比，另外加上一种无手性作参照，可称它为“中性手性”。左手性用L表示，右手性用D表示，中性手性用M表示。手性是自然界的普遍现象。自然界很多物质具有左旋和右旋对映体手性分子结构。一般认为，任何物体只要其实物与其镜像不能重叠则其一定具有手性。从天文学到地球科学，从化学到生物学，几乎处处都有手性显身影。2001年诺贝尔化学奖就授予分子手性催化的主要贡献者。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有手性的新型自组装材料的制备方法，制备出组装结构均一，可控并且具有手性的纳米材料组装体。
本发明的技术方案：一种具有手性的自组装材料的制备方法，包括（1）金纳米粒子合成，（2）金纳米棒合成，（3）金纳米粒子修饰DNA1，（4）金纳米棒修饰DNA2，（5）金纳米棒和金纳米粒子上的DNA杂交，单个金纳米粒子与单个金纳米棒的侧面组装以形成具有手性的特殊结构；
金纳米粒子和金纳米棒的侧面组装：
Figure 2011102726565100002DEST_PATH_IMAGE001
 取步骤（4）修饰好的侧面修饰、端面封闭的DNA2修饰的金纳米棒10μL和步骤（3）修饰好的DNA1修饰的金纳米粒子45μL，加入55μL pH 7.5的0.01M的Tris-HCl，0.01%的SDS，20mM的KCl杂交缓冲液，振摇反应24 h；
② 空白对照实验
步骤（3）中DNA1修饰的金纳米粒子45μL和步骤（4）中的辅助DNA3全身修饰的金纳米棒10μL，加入55μL pH 7.5的0.01M的Tris-HCl，0.01%的SDS，20mM的KCl杂交缓冲液，振摇反应24 h；
所述步骤（3）金纳米粒子修饰DNA1
Figure 770657DEST_PATH_IMAGE001
金纳米粒子的合成方案为：向洁净的三角烧瓶中加入48mL水和1mL浓度为4g/L的氯金酸，加热煮沸5 min，接着加入1mL 1%的柠檬酸三钠溶液，边加热边搅拌，直至溶液颜色不再变化，继续加热反应10 min，即制得18nm的金纳米粒子；
将制备的10mL的金纳米粒子以10000r/min离心10min，用1mL的水分散，10000r/min离心10 min弃上清，用1mL的pH8.0的0.01M的PBS，0.01%的SDS分散，4℃保藏、待用；
Figure 2011102726565100002DEST_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pH8.0的0.01M的PBS，0.01%的SDS，2M的NaCl至反应体系中NaCl浓度达到50mM，超声10s，振摇反应20min后加入NaCl至反应体系中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0.4M时，室温振摇反应12h；
Figure 2011102726565100002DEST_PATH_IMAGE003
 将上述步骤中反应溶液在8000r/ min离心10 min，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、待用；
所述步骤（4）金纳米棒修饰DNA2
Figure 750114DEST_PATH_IMAGE001
金纳米棒的合成方案为：所有的玻璃仪器用王水浸泡，双蒸水清洗，晾干备用；采用晶种生长法合成长径比为3.0的金纳米棒；实验中使用的水均为18.2 MΩ的Milli-Q 超纯水；
晶种合成：28.0℃ 下0.1mL的2g/L的三水合四氯金酸加入到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 的新配制的0.01M 硼氢化钠溶液快速搅拌2 min，溶液颜色由黄褐色变为浅棕色；
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的三水合四氯金酸加入到5mL、0.2 M 十六烷基三甲基溴化铵溶液中，加入4mL的水，混匀；0.125 mL 的 0.01M 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 °C 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4 h，即得金纳米棒溶液；
将制备的10mL金纳米棒溶液8000r/ min离心10 min用1mL的水分散，10000r/ min离心10 min弃上清，用1mL的水分散，4℃保藏、待用；
②侧面修饰、端面封闭：
取上述制备好的金纳米棒50μL加入1μL的50μM的辅助DNA3振摇反应24h，封闭端面，后加入40μL的DNA2修饰侧面，振摇反应24 h，6000r/ min离心8 min，弃上清，用50μL的水分散金纳米棒-DNA2复合物，水洗一次，4℃保藏、待用；
③对照实验
取上述制备好的金纳米棒50μL加入40μL的50μM的辅助DNA3振摇反应24h，6000r/ min离心8 min，弃上清，用50μL的水分散金纳米棒-DNA3复合物，水洗一次，4℃保藏、待用；
所述DNA1：5’-TAGGAATAGTTATAAAAAAAAAAAA-3’；
DNA 2：5’-TTATAACTATTCCTAAAAAAAAAAA-3’；
DNA 3：5’-AAAAAAAAAAAA-3’。
本发明的有益效果：本发明制备出组装结构均一，可控并且具有手性的纳米材料组装体。
附图说明
图1 典型的金纳米棒和金纳米粒子的侧面组装结构电镜照片。
图2 金纳米棒和金纳米粒子的对照实验电镜照片。
图3 金纳米棒和金纳米粒子的侧面组装后的圆二色谱图。
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：向洁净的三角烧瓶中加入48mL水和1mL浓度为4g/L的氯金酸，加热煮沸5 min，接着加入1mL 1%的柠檬酸三钠溶液，边加热边搅拌，直至溶液颜色不再变化，继续加热反应10 min，即制得18nm的金纳米粒子。
（2）金纳米棒的合成
金纳米棒的合成方案为：
所有的玻璃仪器用王水浸泡，双蒸水清洗，晾干备用。采用晶种生长法合成长径比为3.0的金纳米棒。实验中使用的水均为18.2 MΩ的Milli-Q 超纯水。
 晶种合成：28.0℃ 下0.1mL的2g/L的三水合四氯金酸加入到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。然后加入合成0.12mL 的新配制的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 987377DEST_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的三水合四氯金酸加入到5mL 0.2 M 十六烷基三甲基溴化铵溶液中，加入4mL的水，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）金纳米粒子和DNA1偶联
Figure 801750DEST_PATH_IMAGE001
 将步骤（1）制备的10mL的金纳米粒子以10000r/ min离心10 min，用1mL的水分散，10000r/ min离心10 min弃上清，用1mL的pH8.0的0.01M的PBS，0.01%的SDS分散，4℃保藏、待用。
Figure 624212DEST_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pH8.0的0.01M的PBS，0.01%的SDS，2M的NaCl至反应体系中NaCl浓度达到50mM，超声10s，振摇反应20min后加入NaCl至反应体系中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0.4M时，室温振摇反应12h。
 将上述步骤中反应溶液在8000r/ min离心10 min，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、待用。
（4）金纳米棒和DNA2偶联
将步骤（2）制备的10mL金纳米棒8000r/ min离心10 min用1mL的水分散，10000r/ min离心10 min弃上清，用1mL的水分散，4℃保藏、待用。
Figure 152462DEST_PATH_IMAGE001
 侧面修饰、端面封闭：
取上述制备好的金纳米棒50μL加入1μL的50μM的辅助DNA3振摇反应24h，封闭端面，后加入40μL的DNA2修饰侧面，振摇反应24h，6000r/ min离心8 min，弃上清，用50μL的水分散金纳米棒-DNA2复合物，水洗一次，4℃保藏、待用。
② 对照实验
取上述制备好的金纳米棒50μL加入40μL的50μM的辅助DNA3振摇反应24h，6000r/ min离心8 min，弃上清，用50μL的水分散金纳米棒-DNA3复合物，水洗一次，4℃保藏、待用。
（5）金纳米粒子和金纳米棒的侧面组装及表征
金纳米棒和金纳米粒子的侧面组装：
Figure 821341DEST_PATH_IMAGE001
 取步骤（4）修饰好的侧面修饰、端面封闭的金纳米棒10μL和步骤（3）修饰好的金纳米粒子45μL，加入55μL pH7.5的0.01M的Tris-HCl，0.01%的SDS，20mM的KCl杂交缓冲液，振摇反应24h。
② 空白对照实验
步骤（3）中金纳米粒子45μL和步骤（4）中的辅助DNA3全身修饰的金纳米棒10μL，加入55μL pH7.5的0.01M的Tris-HCl，0.01%的SDS，20mM的KCl杂交缓冲液，振摇反应24h。
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。DNA的编号、序列及长度如表1所示。
表1  DNA的编号、序列及长度
编号 序列(5’-3’) 长度
DNA1 TAGGAATAGTTATAAAAAAAAAAAA 25
DNA 2 TTATAACTATTCCTAAAAAAAAAAA 25
辅助DNA 3 AAAAAAAAAAAA 12
金纳米棒和金纳米粒子的侧面组装表征：
将上述组装好的产品以5000r/ min离心6 min，弃上清，沉淀重分散到100μL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。透射电镜采用JEOL JEM-2100型号的电镜，其加速电压为200 kV。手性表征：取150微升的上述样品加入到比色皿中，用圆二色谱仪测定CD信号。

Claims (1)

1.一种具有手性的自组装材料的制备方法，步骤包括（1）金纳米粒子合成，（2）金纳米棒合成，（3）金纳米粒子修饰DNA1，（4）金纳米棒修饰DNA2，（5）金纳米棒和金纳米粒子上的DNA杂交，其特征在于单个金纳米粒子与单个金纳米棒的侧面组装以形成具有手性的特殊结构，组装产品用电镜和圆二色谱仪测CD值进行表征；
金纳米棒和金纳米粒子的侧面组装：
Figure 2011102726565100001DEST_PATH_IMAGE001
 取步骤（4）修饰好的侧面修饰、端面封闭的DNA2修饰的金纳米棒10μL和步骤（3）修饰好的DNA1修饰的金纳米粒子45μL，加入55μL含0.01%的SDS、20mM的KCl的pH 7.5、0.01M的Tris-HCl杂交缓冲液，振摇反应24 h；
② 空白对照实验
步骤（3）中DNA1修饰的金纳米粒子45μL和步骤（4）中的辅助DNA3全身修饰的金纳米棒10μL，加入55μL含0.01%的SDS、20mM的KCl的pH 7.5、0.01M的Tris-HCl杂交缓冲液，振摇反应24 h；
所述步骤（3）金纳米粒子修饰DNA1 
金纳米粒子的合成方案为：向洁净的三角烧瓶中加入48mL水和1mL浓度为4g/L的氯金酸，加热煮沸5 min，接着加入1mL 1%的柠檬酸三钠溶液，边加热边搅拌，直至溶液颜色不再变化，继续加热反应10 min，即制得18nm的金纳米粒子；
将制备的10mL的金纳米粒子以10000r/min离心10min，用1mL的水分散，10000r/min离心10 min弃上清，用1mL含0.01%SDS的pH8.0、0.01M的PBS缓冲液分散，4℃保藏、待用；
 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、2M NaCl的pH8.0、0.01M的PBS滴加，至反应体系中NaCl浓度达到50mM，超声10s，振摇反应20min后，继续加入所述NaCl缓冲液至反应体系中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0.4M时，室温振摇反应12h；
Figure 2011102726565100001DEST_PATH_IMAGE003
 将上述步骤中反应溶液在8000r/min离心10 min，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、待用；
所述步骤（4）金纳米棒修饰DNA 2
Figure 316983DEST_PATH_IMAGE001
金纳米棒的合成方案为：所有的玻璃仪器用王水浸泡，双蒸水清洗，晾干备用；采用晶种生长法合成长径比为3.0的金纳米棒；实验中使用的水均为18.2 MΩ的Milli-Q 超纯水；
晶种合成：28.0℃ 下0.1mL的2g/L的三水合四氯金酸加入到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 的新配制的0.01M 硼氢化钠溶液快速搅拌2min，溶液颜色由黄褐色变为浅棕色；
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的三水合四氯金酸加入到5mL、0.2 M 十六烷基三甲基溴化铵溶液中，加入4mL的水，混匀；0.125 mL 的 0.01M 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4 h，即得金纳米棒溶液；
将制备的10mL金纳米棒溶液8000r/min离心10min用1mL的水分散，10000r/ min离心10 min弃上清，用1mL的水分散，4℃保藏、待用；
②侧面修饰、端面封闭：
取上述制备好的金纳米棒50μL加入1μL的50μM的辅助DNA3振摇反应24h，封闭端面，后加入40μL的DNA2修饰侧面，振摇反应24 h，6000r/ min离心8min，弃上清，用50μL的水分散金纳米棒-DNA2复合物，水洗一次，4℃保藏、待用；
③对照实验
取上述制备好的金纳米棒50μL加入40μL的50μM的辅助DNA3振摇反应24h，6000r/ min离心8 min，弃上清，用50μL的水分散金纳米棒-DNA3复合物，水洗一次，4℃保藏、待用；
所述DNA1：5’-TAGGAATAGTTATAAAAAAAAAAAA-3’；
DNA 2：5’-TTATAACTATTCCTAAAAAAAAAAA-3’；
DNA 3：5’-AAAAAAAAAAAA-3’。
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