CN103159170B - 一种三维纳米结构的构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维纳米结构的构建方法，包括下述步骤：利用DNA自组装技术构建DNA基底；用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰；将经DNA修饰后的纳米颗粒或纳米棒与所述DNA基底进行杂交，形成纳米颗粒或纳米棒的三维纳米结构。本发明实施例提供的三维纳米结构的构建方法，通过对基底上的捕获链进行位置设计，捕获与之配对的相应纳米颗粒和纳米棒，能够实现对纳米颗粒和纳米棒进行精确空间定位，即空间可寻址，从而可以构建特定设计的纳米颗粒和纳米棒三维结构。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料领域，尤其涉及一种三维纳米结构的构建方法。
背景技术
自1982年Seeman首先提出可以使用带有互补粘性末端的分枝DNA分子来构建二维有序阵列以来，DNA纳米技术得到了蓬勃的发展。1993年，第一个DNA双交叉结构（DNA double-crossover，DNA DX）诞生，可以成功地自组装形成一系列二维阵列[Seeman,N.C.Biochemistry1993,32:3211]；1999年，Holliday交叉（Holliday junction）被报道并构建了平行四边形DNA结构单元，这些结构单元能自组装形成带有菱形孔穴的DNA二维阵列[Seeman,N.C.J.Am.Chem.Soc.，1999，121:5437]；2003年，一种十字架形状的基元（4x4基元）被报道可以用来作为形成导电纳米线或蛋白质二维阵列的模板[Yan,H.;Park,S.H.;Ginkelstein,G.;et al.Science2003,301:1882]；2006年，“支架DNA折纸”（Scaffold DNA origami）技术可以获得大约100nm大小、任意形状的二维结构，如矩形、正方形、三角形、星形和笑脸等形状[Rothemund,P.W.K.Nature2006,440:297]。近些年来，在二维瓦片上已经组装出了各种无机纳米材料。Alivisatos等利用DNA作为模板自组装构建得到了不同的金纳米颗粒的二维聚集结构[Alivisatos,A.P.;Johnsson,K.P.;Peng,X.G.;et al.Nature1996,382:609]；Kiehl等利用二维DNA结构为模板得到了金纳米粒子的有序二维阵列结构[Le,J.D.;Pinto,Y.;Seeman,N.C.;et al.Nano Lett.,2004,4:2343]；Yan等利用DNA阵列为模板成功实现了量子点的二维有序自组装[Sharma,J.;Chhabra,R.;Liu,Y.;et al.Angew.Chem.Int.Ed.,2006,45:730]；Sleiman等通过“顶点有机分子”控制DNA自组装过程，成功地得到了六个金纳米粒子组成的平面环状结构[Aldaye,F.A.;Sleiman,H.F.Angew.Chem.Int.Ed.,2006,45;2204]。这些研究结果表明DNA纳米技术是一种非常有效的制造纳米结构的手段。
由二维向三维扩展的离散等离子体纳米结构可能展现出新颖的光学、电学和磁学性质，例如法诺共振[F.Hao,Y.Sonnefraud,P.V.Dorpe,et al,Nano Lett.2008,8,3983]，非线性效应[M.Abb,Y.Wang,P.Albella,et al,ACS Nano2012,6,6462]，等离子体增强光透射[S.Zhang,D.A.Genov,Y.Wang,et al,Phys.Rev.Lett.2008,101,047401]等，这些性质在基础研究和科技应用中都起到重要作用。
然而，目前很少有高产率合成三维等离子体纳米结构的报道，如何灵活高效地自下而上地组装三维离散等离子纳米结构目前还是一项挑战。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种三维纳米结构的构建方法。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种三维纳米结构的构建方法，其特征在于，包括下述步骤：利用DNA自组装技术构建DNA基底；用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰；将经DNA修饰后的纳米颗粒或纳米棒与所述DNA基底进行杂交，形成三维纳米结构的纳米颗粒或纳米棒。
在本发明提供的实施例中，所述DNA基底为60nm×90nm×2nm的长方形DNA瓦片。
在本发明提供的实施例中，所述DNA瓦片是用m13mp18病毒中提取的7259个碱基的单链DNA，和一组辅助链DNA与捕获链DNA配对使m13mp18病毒DNA折叠而成，所述辅助链DNA和捕获链DNA总数为192条，且任意一条所述辅助链的碱基数量可不相等，所述捕获链DNA包括两短序列S1和S2，所述短序列S1参与m13mp18病毒DNA配对，所述短序列S2为粘性末端用以捕获所述纳米颗粒或纳米棒，任意一条所述捕获链DNA通过对所述短序列S1延伸或减少5个碱基数都可以使所述短序列S2在所述DNA基底上的朝向相反。
在本发明提供的实施例中，任意一个所述纳米棒需要8条所述捕获链DNA捕获，任意一个所述纳米颗粒需要2条所述捕获链DNA捕获。
在本发明提供的实施例中，在完成构建DNA基底步骤之后还包括将所述DNA基底进行超滤浓缩的步骤，用于除去多余的DNA链。
在本发明提供的实施例中，其中，用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰所用的DNA为经巯基修饰过的DNA。
在本发明提供的实施例中，所述纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒或半导体量子点，所述纳米棒为金纳米棒或银纳米棒。
在本发明提供的实施例中，在完成用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰后还包括除去多余的DNA的步骤。
在本发明提供的实施例中，除去多余的DNA的步骤包括采用2%琼脂糖电泳将多余的DNA除去。
在本发明提供的实施例中，其中，将经DNA修饰后的纳米颗粒或纳米棒与所述DNA基底进行杂交的杂交温度低于所述DNA基底的解链温度。
采用上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明上述实施例提供的三维纳米结构的构建方法，利用DNA自组装技术构建DNA基底，用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰，并将经DNA修饰后的纳米颗粒或纳米棒与上述DNA基底进行杂交，形成三维纳米结构的纳米颗粒或纳米棒。本发明上述实施例提供的三维纳米结构的构建方法，通过对基底上的捕获链进行位置设计，捕获与之配对的相应纳米颗粒和纳米棒，能够实现对纳米颗粒和纳米棒进行精确空间定位，即空间可寻址，从而可以构建特定设计的纳米颗粒和纳米棒三维结构。
附图说明
图1是根据本发明实施例一提供的方法得到的处于DNA基底正反两面的金纳米棒组装结构的低倍冷冻透射电子显微镜照片（标尺为100nm）。
图2是根据本发明实施例一提供的方法得到的处于DNA基底正反两面的金纳米棒组装结构的高倍冷冻透射电子显微镜照片（标尺为40nm）。
图3是根据本发明实施例二提供的方法得到的处于DNA基底正反两面的两个直径为13nm的金纳米颗粒组装结构的冷冻透射电子显微镜照片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的三维纳米结构的构建方法，利用DNA自组装技术构建DNA基底，用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰，并将经DNA修饰后的纳米颗粒或纳米棒与上述DNA基底进行杂交，形成三维纳米结构的纳米颗粒或纳米棒。
进一步地，上述DNA基底为60nm×90nm×2nm的长方形DNA瓦片。
进一步地，上述DNA瓦片是用m13mp18病毒中提取的7259个碱基的单链DNA，和一组辅助链DNA与捕获链DNA配对使m13mp18病毒DNA折叠而成，辅助链DNA和捕获链DNA总数为192条，且任意一条辅助链的碱基数量可不相等，捕获链DNA包括两短序列S1和S2，短序列S1参与m13mp18病毒DNA配对，短序列S2为粘性末端用以捕获纳米颗粒或纳米棒，任意一条捕获链DNA通过对短序列S1延伸或减少5个碱基数都可以使短序列S2在DNA基底上的朝向相反。
任意一个纳米棒需要8条所述捕获链DNA捕获，任意一个纳米颗粒需要2条所述捕获链DNA捕获。
进一步地，在完成构建DNA基底步骤之后还包括将DNA基底进行超滤浓缩的步骤，用于除去多余的DNA链。
进一步地，用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰所用的DNA为经巯基修饰过的DNA。
进一步地，纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒或半导体量子点，纳米棒为金纳米棒或银纳米棒。
进一步地，在完成用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰后还包括除去多余的DNA的步骤。
进一步地，除去多余的DNA的步骤包括采用2%琼脂糖电泳将多余的DNA除去。
进一步地，将经DNA修饰后的纳米颗粒或纳米棒与所述DNA基底进行杂交的杂交温度低于DNA基底的解链温度。
本发明上述实施例提供的三维纳米结构的构建方法，通过对基底上的捕获链进行位置设计，捕获与之配对的相应纳米颗粒和纳米棒，能够实现对纳米颗粒和纳米棒进行精确空间定位，即空间可寻址，从而可以构建特定设计的纳米颗粒和纳米棒三维结构。
以下结合具体实施例及附图，对本发明上述实施例提供的三维纳米结构的构建方法进行详细的说明。
实施例1
1.利用DNA自组装技术构建DNA基底
将浓度为20μM的一组辅助链与m13mp病毒单链DNA以摩尔比20:1的比例混合；再加入用以捕获纳米棒的短链DNA，即捕获链，该短链DNA粘性末端S2与纳米棒表面的单链DNA配对，另一段序列S1参与m13mp18病毒单链DNA的配对，构成基底的一部分，该段序列末端增加或减少5个碱基可使捕获链粘性末端S2在DNA基底上朝向反面；再用50x TAE-Mg溶液将溶液的浓度调至1x TAE-Mg，将混合溶液用PCR仪退火，从94℃缓慢降温，经12小时降至室温，形成所需要的DNA基底。
在本发明提供的实施例中，DNA基底优选为60nm×90nm×2nm的长方形DNA瓦片。DNA基底还可以为其他形状的二维DNA瓦片，如三角形，正方形，圆形等。
在本发明提供的实施例中，DNA瓦片是用m13mp病毒单链DNA，和一组辅助链DNA与捕获链DNA配对使m13mp18病毒DNA折叠而成，辅助链DNA和捕获链DNA总数为192条，且任意一条辅助链的碱基数量可不相等，辅助链的碱基数约为32，捕获链DNA包括两短序列S1和S2，短序列S1参与m13mp18病毒DNA配对，短序列S2为粘性末端用以捕获纳米颗粒粒子，任意一条捕获链DNA通过对短序列S1延伸或减少5个碱基数都可以使短序列S2在DNA基底上的朝向相反。
在本发明提供的实施例中，任意一个纳米棒需要8条捕获链DNA捕获。
在本发明提供的实施例中，m13mp病毒单链DNA为在m13mp18病毒中提取的7259个碱基的单链DNA。
在完成DNA基底构建之后，还包括下述步骤：将形成的瓦片超滤浓缩，除去多余的DNA链，将经纯化后的瓦片存于4℃冰箱，用于后面的杂交实验。
2.用DNA对纳米棒进行修饰
将十六烷基三甲基溴化铵（Hexadecyl trimethyl ammonium BromideCetrimonium Bromide；CTAB）保护的纳米棒离心两次，第一次离心（13000转/分，15分钟）后用超纯水复溶，第二次离心（9000转/分，15分钟），用超纯水复溶，然后加入十二烷基硫酸钠（dodecyl sulfate,sodium salt；SDS）溶液，使纳米棒包含0.01%的SDS。将纳米棒加入DNA进行修饰，并以纳米棒/DNA为1：1000的摩尔比例振荡过夜，然后用10x TBE溶液将纳米棒溶胶的浓度调为1xTBE，再慢慢加入5M（mol/L）的NaCl溶液，24小时后，溶液的NaCl浓度变为500mM。将经DNA修饰后的纳米棒用2%琼脂糖电泳将多余的DNA除去，切下所需要的条带进行浓缩，用UV光谱测定其浓度，直至完全除去DNA，以防止多余的DNA在后续的杂交步骤中对纳米棒的精确定位造成影响。
在本发明提供的实施例中，用于对纳米棒进行修饰的DNA优选为巯基DNA，从而利用巯基与纳米棒之间形成的共价键来实现DNA与纳米棒之间的结合。
在本发明提供的实施例中，纳米棒优选为金纳米棒。可以理解，纳米棒还可以为银纳米棒或其他贵金属纳米棒。
3.将经DNA修饰后的纳米棒与DNA基底进行杂交，形成为三维纳米结构的纳米棒。
将纯化后的DNA瓦片及经DNA修饰后的纳米棒以摩尔比1：2的比例进行杂交，并在PCR仪中退火，退火温度程序为45℃降至30℃，每10分钟降1℃，执行5个循环。可以理解，将经DNA修饰后的纳米棒与DNA基底进行杂交的杂交温度低于DNA基底的解链温度。
再将经退火后的结构在0.5x TAE-Mg缓冲溶液中进行琼脂糖凝胶电泳，对电泳样品进行SYBR green荧光染料预染，然后根据在日光或紫外光的照射下判断产物条带，切下DNA瓦片所在位置的条带，再次浓缩，即可得到高产量的所需结构。可以理解，纳米棒位置的确定是通过在DNA基底上的原来短链DNA（捕获链）末端伸出与纳米棒表面DNA配对序列来实现。
请参阅图1及图2，其中，图1是根据本发明实施例一提供的方法得到的处于DNA基底正反两面的金纳米棒组装结构的低倍冷冻透射电子显微镜照片（标尺为100nm），图2是根据本发明实施例一提供的方法得到的处于DNA基底正反两面的金纳米棒组装结构的高倍冷冻透射电子显微镜照片（标尺为40nm）。从图1和图2中可以看出，本发明实施例提供的三维纳米构建方法可实现对金纳米棒在二维基底上的精确排布，同时实现在三维空间的定位。
本发明上述实施例提供的三维纳米结构的构建方法，通过对基底上的捕获链进行位置设计，捕获与之配对的相应纳米棒，能够实现对纳米棒进行精确空间定位，即空间可寻址，从而可以构建特定设计的纳米棒三维结构。
实施例2
1.利用DNA自组装技术构建DNA基底
将浓度为20μM的一组辅助链与m13mp病毒单链DNA以摩尔比20:1的比例混合；再加入用以捕获纳米颗粒的短链DNA，即捕获链，该短链DNA粘性末端S2与纳米颗粒表面的单链DNA配对，另一段序列S1参与m13mp18病毒单链DNA的配对，构成基底的一部分，该段序列末端增加或减少5个碱基可使捕获链粘性末端S2在DNA基底上朝向反面；再用50x TAE-Mg溶液将溶液的浓度调至1x TAE-Mg，将混合溶液用PCR仪退火，从94℃缓慢降温，经12小时降至室温，形成所需要的DNA基底。
在本发明提供的实施例中，DNA基底优选为60nm×90nm×2nm的长方形DNA瓦片。DNA基底还可以为其他形状的二维DNA瓦片，如三角形，正方形，圆形等。
在本发明提供的实施例中，DNA瓦片是用m13mp病毒单链DNA，和一组辅助链DNA与捕获链DNA配对使m13mp18病毒DNA折叠而成，辅助链DNA和捕获链DNA总数为192条，且任意一条辅助链的碱基数量可不相等，辅助链的碱基数约为32，捕获链DNA包括两短序列S1和S2，短序列S1参与m13mp18病毒DNA配对，短序列S2为粘性末端用以捕获纳米棒粒子，任意一条捕获链DNA通过对短序列S1延伸或减少5个碱基数都可以使短序列S2在DNA基底上的朝向相反。
在本发明提供的实施例中，任意一个纳米颗粒需要2条捕获链DNA捕获。
在本发明提供的实施例中，m13mp病毒单链DNA为在m13mp18病毒中提取的7259个碱基的单链DNA。
在完成DNA基底构建之后，还包括下述步骤：将形成的瓦片超滤浓缩，除去多余的DNA链，将经纯化后的瓦片存于4℃冰箱，用于后面的杂交实验。
2.用DNA对纳米颗粒进行修饰
将丹宁酸合成的5nm纳米颗粒或者柠檬酸钠合成的13nm纳米颗粒用二水合双（对-磺酰苯基）苯基膦化二钾盐（BSPP）修饰，然后加固体NaCl后变色，并将得到的混合溶液进行离心（离心速率为13000转/分，离心时间为10分钟）处理，再用BSPP溶液复溶。在经上述处理后的纳米颗粒加入DNA进行修饰，将纳米颗粒与DNA以1：200的摩尔比例进行混合，振荡过夜。将经DNA修饰后的纳米棒用2%琼脂糖电泳将多余的DNA除去，切下所需要的条带进行浓缩，用UV光谱测定其浓度，直至完全除去DNA，以防止多余的DNA在后续的杂交步骤中对纳米颗粒的精确定位造成影响。
在本发明提供的实施例中，用于修饰对纳米颗粒进行修饰的DNA优选为巯基DNA，从而利用巯基与纳米棒之间形成的共价键来实现DNA与纳米颗粒之间的结合。
在本发明提供的实施例中，纳米颗粒优选为金纳米颗粒。可以理解，纳米颗粒还可以为银纳米颗粒或半导体量子点。
3.将经DNA修饰后的纳米颗粒与DNA基底进行杂交，形成三维纳米结构的纳米颗粒。
将纯化后的DNA瓦片及经DNA修饰后的纳米颗粒以摩尔比1：3的比例杂交，并在PCR仪中退火，退火温度程序为45℃降至30℃，每10分钟降1℃，执行5个循环。可以理解，将经DNA修饰后的纳米棒与DNA基底进行杂交的杂交温度低于DNA基底的解链温度。
再将经退火后的结构在0.5x TAE-Mg缓冲溶液中进行琼脂糖凝胶电泳，对电泳样品进行SYBR green荧光染料预染，然后根据在日光、紫外光的照射下判断产物条带，切下DNA瓦片所在位置的条带，再次浓缩，即可得到高产量的所需结构。可以理解，纳米颗粒位置的确定是通过在DNA基底上的原来短链DNA（捕获链）末端伸出与纳米颗粒表面DNA配对序列来实现。
请参阅图3，图3是根据本发明实施例二提供的方法得到的处于DNA基底正反两面的两个直径为13nm的金纳米颗粒组装结构的冷冻透射电子显微镜照片。从图3可以看出，本发明实施例提供的三维纳米构建方法可实现对金纳米颗粒在二维基底上的精确排布，同时实现在三维空间的定位。
本发明上述实施例提供的三维纳米结构的构建方法，通过对基底上的捕获链进行位置设计，捕获与之配对的相应纳米颗粒，能够实现对纳米颗粒进行精确空间定位，即空间可寻址，从而可以构建特定设计的纳米颗粒三维结构。
本发明上述实施例提供的三维纳米结构的构建方法，利用DNA自组装技术构建DNA基底，用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰，并将经DNA修饰后的纳米颗粒或纳米棒与上述DNA基底进行杂交，形成三维纳米结构的纳米颗粒或纳米棒。本发明上述实施例提供的三维纳米结构的构建方法，通过对基底上的捕获链进行位置设计，捕获与之配对的相应纳米颗粒和纳米棒，能够实现对纳米颗粒和纳米棒进行精确空间定位，即空间可寻址，从而可以构建特定设计的纳米颗粒和纳米棒三维结构。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种三维纳米结构的构建方法，其特征在于，包括下述步骤：
利用DNA自组装技术构建DNA基底；
用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰；及
将经DNA修饰后的纳米颗粒或纳米棒与所述DNA基底进行杂交，形成为三维纳米结构的纳米颗粒或纳米棒，所述DNA基底为二维DNA瓦片，所述DNA瓦片是用m13mp18病毒中提取的7259个碱基的单链DNA，和一组辅助链DNA与捕获链DNA配对使m13mp18病毒DNA折叠而成，所述辅助链DNA和捕获链DNA总数为192条，且任意一条所述辅助链的碱基数量可不相等，所述捕获链DNA包括两短序列S1和S2，所述短序列S1参与m13mp18病毒DNA配对，所述短序列S2为粘性末端用以捕获所述纳米颗粒或纳米棒，任意一条所述捕获链DNA通过对所述短序列S1延伸或减少5个碱基数都可以使所述短序列S2在所述DNA基底上的朝向相反，任意一个所述纳米棒需要8条所述捕获链DNA捕获，任意一个所述纳米颗粒需要2条所述捕获链DNA捕获。
2.根据权利要求1所述的三维纳米结构的构建方法，其特征在于，所述DNA基底为60nm×90nm×2nm的长方形DNA瓦片。
3.根据权利要求1所述的三维纳米结构的构建方法，其特征在于，在完成构建DNA基底步骤之后还包括将所述DNA基底进行超滤浓缩的步骤，用于除去多余的DNA链。
4.根据权利要求1所述的三维纳米结构的构建方法，其特征在于，其中，用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰所用的DNA为经巯基修饰过的DNA。
5.根据权利要求1或4所述的三维纳米结构的构建方法，其特征在于，所述纳米颗粒为金纳米颗粒或银纳米颗粒或半导体量子点，所述纳米棒为金纳米棒或银纳米棒。
6.根据权利要求1所述的三维纳米结构的构建方法，其特征在于，在完成用DNA对纳米颗粒或纳米棒进行修饰后还包括除去多余的DNA的步骤。
7.根据权利要求6所述的三维纳米结构的构建方法，其特征在于，除去多余的DNA的步骤包括采用2%琼脂糖电泳将多余的DNA除去。
8.根据权利要求1所述的三维纳米结构的构建方法，其特征在于，其中，将经DNA修饰后的纳米颗粒或纳米棒与所述DNA基底进行杂交的杂交温度低于所述DNA基底的解链温度。
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