CN104342155B - 一种同时具有荧光及磁性和手性信号的金字塔组装结构的制备方法 - Google Patents
一种同时具有荧光及磁性和手性信号的金字塔组装结构的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种同时具有荧光、磁性和手性信号的金字塔组装结构的制备方法，属于材料化学技术领域。本发明包括金纳米粒子合成，2个金纳米粒子组装金-金二聚体，上转换纳米粒子和金纳米粒子组装金-上转换二聚体，2个上转换纳米粒子组装上转换-上转换二聚体，由金纳米粒子和上转换纳米粒子组装的不同的金字塔结构，以形成具有磁性、手性和荧光特性的特殊结构。本发明形成的不对称金字塔结构有一定的手性；在一定条件下使作为支撑骨架的DNA分解，上转换材料和金纳米粒子的金字塔结构散开，上转换纳米粒子的荧光信号恢复，可进行胞内实时监测等生物应用；另外，这种上转换材料是一种具有磁性的材料，在生物体内可进行磁共振成像，用来进行肿瘤诊断。
Description
技术领域
本发明涉及一种同时具有荧光、磁性和手性信号的金字塔组装结构的制备方法，属于材料化学技术领域。
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。当物质的尺寸小于100nm时，该物质会表现出很多大块固体材料不具备的奇特的电学、光学和磁学等性质，而这种现象产生的根本原因是由于颗粒本身具有的纳米效应，包括表面效应，量子尺寸效应，小尺寸效应，宏观量子隧道效应等。纳米技术是研究电子、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。
金纳米粒子是最为经典的一种金属纳米粒子，由于具有优良的稳定性和独特的光学、电学性质，在催化、传感器和生物分析检测等方面表现出很多潜在的应用价值，受到了物理、化学及生命科学等相关领域的广泛关注。它的高催化活性能通过自组装形成纳米结构的特点，使其在高级材料的制造上具有很大的应用前景。
上转换纳米材料（UCNP）是一种能将低能量的光子转换成高能量光子的功能材料，稀土上转换材料由于能将近红外光转换成可见光而倍受青睐，在生物应用上成为研究热点。很多生物材料学者致力于合成高发光性能的上转换发光材料，将它应用于生物标记、细胞成像、病变检测、DNA检测、生物传感等。与传统的分子荧光标记材料（如荧光染料）相比，稀土上转换纳米发光材料不仅化学稳定性高、荧光寿命长、潜在生物毒性低，而且由于采用近红外光源激发具有较大的光穿透深度、无生物组织自荧光以及对生物组织几乎无损伤等显著优点，在荧光生物检测和成像等领域具有重要的应用前景。本组装所用的上转换材料是NaGdF4，其中的Gd元素具有磁性，这无疑又是一种新的具有巨大应用潜力的新性质，这些性质可以在生物体内进行荧光和磁共振双重成像，将对癌症肿瘤等重大疾病的治疗有很大的帮助。
圆二色谱（CD谱）是一种特殊的吸收谱，它对手性分子的构象十分敏感。手性是物质结构中的重要特征，它们是不能重叠的三维镜像对映异构体，虽然分子式完全相同，但其中原子或原子基团在空间的配置不同，互为镜像。凡手性分子都具有光学活性，即可使偏振光的振动面发生旋转。当单色左旋与右旋的圆偏振光通过某一种手性样品时，该样品对左、右旋圆偏振光的吸收不同，这叫做圆二色性。许多有机物和络合物都具有手性，它们的对映异构体物理化学性质(熔点、沸点、旋光度、溶解度、分子式等)几乎完全相同，但它们的旋光方向相反，生理作用大不相同。
圆二色光谱仪通过测量生物大分子的圆二色光谱从而得到生物大分子的二级结构，是简便、快捷的获得生物大分子结构的手段之一。目前主要应用于生物大分子的结构检测，如蛋白质折叠﹑蛋白质构象研究，DNA/RNA反应，酶动力学，光学活性物质纯度测量，药物定量分析。近年来，随着纳米材料的快速发展，纳米材料组装体的手性研究已成为人们关注的热点。对纳米材料组装结构的手性研究，特别是对手性荧光纳米材料的研究，对构建新型手性纳米传感器有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时具有荧光、磁性和手性信号的新型金字塔组装结构的制备方法。本发明对手性荧光纳米材料的研究，在新型纳米传感器或者细胞等生物应用上有着重要的意义。
本发明的技术方案，一种同时具有荧光、磁性和手性信号的金字塔组装结构的制备方法，其包括金纳米粒子合成，上转换纳米粒子偶联DNA，金纳米粒子和金纳米粒子组装金-金二聚体结构，上转换纳米粒子和金纳米粒子组装金-上转换二聚体结构，上转换纳米粒子和上转换纳米粒子组装上转换-上转换二聚体结构，由金纳米粒子和上转换纳米粒子组装的不同的金字塔结构，以形成具有荧光、磁性和手性特性的特殊结构；步骤为：
（1）金纳米粒子合成：20nm金纳米粒子用经典的柠檬酸三钠还原法合成；
（2）上转换纳米粒子偶联DNA：市售的上转换纳米粒子表面的马来酰亚胺和巯基修饰的DNA通过巯基-SH进行偶联形成上转换纳米粒子-DNA复合体；
（3）20nm金纳米粒子和20nm金纳米粒子形成金-金二聚体：将制备的2个20nm金纳米粒子-DNA复合体进行组装形成金-金二聚体；
（4）20nm金纳米粒子和上转换纳米粒子形成金-上转换二聚体：将制备的20nm金纳米粒子-DNA复合体和上转换纳米粒子-DNA复合体进行组装形成金-上转换二聚体；
（5）上转换纳米粒子和上转换纳米粒子组装形成上转换-上转换二聚体结构：将制备的2个上转换纳米粒子-DNA复合体进行组装形成上转换-上转换二聚体；
（6）由金纳米粒子和上转换纳米粒子组装的不同的金字塔结构：将组装好的金-金二聚体和上转换上转换二聚体、或金-上转换二聚体和上转换-上转换二聚体、或金-金二聚体和金-上转换二聚体组装，形成不同的金字塔结构，并对这些结构进行表征。
所述同时具有荧光、磁性和手性信号的金字塔组装结构的制备方法，具体步骤为：
（1）20nm金纳米粒子合成：采用柠檬酸三钠还原氯金酸合成金纳米粒子；
（2）金纳米粒子用保护剂钾盐包裹：步骤（1）合成的20nm金纳米粒子用二水合双（对-磺酰苯基）苯基膦化二钾盐溶液进行包裹记为AuNP，使得其在NaCl溶液中稳定存在；
（3）金纳米粒子和DNA偶联：步骤（3）包裹的金纳米粒子和巯基修饰的DNA通过巯基进行偶联形成AuNP-DNA复合体；
（4）上转换纳米粒子UCNP和DNA偶联：市售的上转换纳米粒子和巯基修饰的DNA通过巯基-SH进行偶联形成UCNP-DNA复合体；
（5）20nm金纳米粒子组装成金-金二聚体：将步骤（3）制备的AuNP-DNA复合体进行组装，形成金–金二聚体结构AuNP-AuNPdimer，并对此结构进行表征；
（6）上转换纳米粒子组装形成上转换-上转换二聚体：将步骤（4）制备的UCNP-DNA复合体进行组装，形成上转换纳米粒子–上转换纳米粒子二聚体结构UCNP-UCNPdimer，并对此结构进行表征；
（7）20nm金纳米粒子-上转换纳米粒子二聚体：步骤（3）和步骤（4）制备的AuNP-DNA复合体和UCNP-DNA复合体进行组装，形成金-上转换纳米粒子二聚体AuNP-UCNPdimer；
（8）异质二聚体组装成金字塔结构：将步骤（5）、步骤（6）及步骤（7）制备的金–金二聚体、金-上转换纳米粒子二聚体及上转换-上转换二聚体进行组装，形成金字塔结构，并对此结构进行表征。
本发明的有益效果：本发明用金纳米粒子与上转换纳米粒子组装形成的不对称金字塔结构，有一定的手性；在一定条件下使作为支撑骨架的DNA分解，上转换材料和金纳米粒子的金字塔结构散开，上转换纳米粒子的荧光信号恢复，可以进行胞内实时监测等生物应用；另外，这种上转换材料是一种具有磁性的材料，在生物体内可以进行磁共振成像，用来进行肿瘤诊断。
附图说明
图1典型的20nm金纳米粒子组装的金-金二聚体结构图。
图2典型的上转换纳米粒子组装的上转换-上转换二聚体结构图。
图3典型的20nm金纳米粒子和上转换纳米粒子组装的金-上转换二聚体。
图4不同组装方式组装的金字塔组装结构的透射电镜图。
图5由两个上转换纳米粒子和两个金纳米粒子组装成的金字塔结构的CD图谱。
图6由一个上转换纳米粒子和三个金纳米粒子组装成的金字塔结构的CD图谱。
图7由三个上转换纳米粒子和一个金纳米粒子组装成的金字塔结构的CD图谱。
图8由两个上转换纳米粒子和两个金纳米粒子组装成的金字塔结构的荧光图谱。
图9由一个上转换纳米粒子和三个金纳米粒子组装成的金字塔结构的荧光图谱。
图10由三个上转换纳米粒子和一个金纳米粒子组装成的金字塔结构的荧光图谱。
具体实施方式
以下实施例中DNA的编号、序列及长度如表1所示。
表1DNA的编号、序列及长度
实施例1
（1）20nm金纳米粒子的合成：
20nm金纳米粒子的合成方案为：洁净的三口烧瓶中加入97.5mL超纯水，加入2.5mL0.4%氯金酸溶液，搅拌并加热至沸腾，7-8min后加入1.8mL1%柠檬酸三钠溶液，溶液从无色变为红色后，停止加热，继续搅拌15min。透射电镜显示20nm。
（2）钾盐包裹的金纳米粒子的制备：
步骤（1）制备的20nm金纳米粒子取5mL100nM，加入5μL40mg/mL二水合双（对-磺酰苯基）苯基膦化二钾盐，室温震荡10h。用8000r/min离心10min后去除上清液，加超纯水恢复到原体积。
（3）金纳米粒子偶联DNA：步骤（2）制备的钾盐包裹的金纳米粒子分别取50μL置于两个PCR管中，加入1μL10μM的DNA，在一个20nm金纳米粒子的PCR管中加入DNA1及在另一个20nm金纳米粒子的PCR管中加入DNA2，混匀后，依次向各体系中加入5μL5×tris-硼酸缓冲液和1.25μL2M的NaCl溶液，室温振摇反应2h。各自用8000r/min，离心10min，去除上清液，沉淀加超纯水稀释至原体积5倍。
（4）上转换纳米粒子偶联DNA：上转换纳米粒子分别取25μL置于两个PCR管中，加入1.5μL10μM的DNA，在一个上转换纳米粒子的PCR管中加入DNA1及在另一个上转换纳米粒子的PCR管中加入DNA2，混匀后，依次向各体系中加入1.25μL2MNaN03溶液，室温振摇反应2h。各自用13000r/min，离心10min，去除上清液，沉淀加超纯水稀释至原体积5倍。
（5）20nm金纳米粒子和20nm金纳米粒子组装金-金二聚体：步骤（3）制备的20nm金纳米粒子-DNA复合体各自取40μL于PCR管中混合，90℃水浴5min，在水蒸气中缓慢降到室温，形成金-金二聚体结构。
（6）上转换纳米粒子和上转换纳米粒子组装上转换-上转换二聚体：步骤（4）制备的上转换纳米粒子-DNA复合体各自取20μL于PCR管中混合，90℃水浴5min，在水蒸气中缓慢降到室温，形成上转换-上转换二聚体结构。
（7）异质二聚体组装形成金字塔结构：取步骤（5）制备的40μL金-金二聚体和20μL步骤（6）制备的上转换-上转换二聚体混合于PCR管中，加入2μL5M的NaNO3溶液，室温25℃反应过夜，形成由两个金和两个上转换纳米粒子组装的金字塔结构。
实施例2
（1）20nm金纳米粒子的合成：方法如实施例1所述。
（2）钾盐包裹的金纳米粒子的制备：方法如实施例1所述。
（3）金纳米粒子偶联DNA：步骤（2）制备的钾盐包裹的金纳米粒子分别取50μL置于三个PCR管中，加入1μL10μM的DNA，在三个20nm金纳米粒子的PCR管中分别加入DNA1、DNA2、DNA4，混匀后，依次向各体系中加入5μL5×tris-硼酸缓冲液和1.25μL2MNaCl溶液，室温振摇反应2h。各自用8000r/min，离心10min，去除上清液，沉淀加超纯水稀释至原体积5倍。
（4）上转换纳米粒子偶联DNA：上转换纳米粒子取25μL置于PCR管中，加入1.5μL10μM的DNA，在一个上转换纳米粒子的PCR管中加入DNA3混匀后，向体系中加入1.25μL2M的NaNO3溶液，室温振摇反应2h。各自用13000r/min，离心10min，去除上清液，沉淀加超纯水稀释至原体积5倍。
（5）20nm金纳米粒子和上转换纳米粒子组装金-上转换纳米粒子二聚体：步骤（3）制备的20nm金纳米粒子-DNA2复合体和步骤（4）制备的上转换纳米粒子-DNA3复合体分别取40μL，20μL于PCR管中混合，90℃水浴5min，在水蒸气中缓慢降到室温，形成金-上转换二聚体结构。
（6）20nm金纳米粒子和20nm金纳米粒子组装金-金二聚体：步骤（3）制备的20nm金纳米粒子-DNA1和金纳米粒子-DNA4复合体各自取40μL于PCR管中混合，90℃水浴5min，在水蒸气中缓慢降到室温，形成金-金二聚体结构。
（7）异质二聚体组装形成金字塔结构：取步骤（5）制备的40μL金-上转换二聚体和40μL步骤（6）制备的金-金二聚体混合于PCR管中，加入2μL5M的NaN03溶液，室温25℃反应过夜，形成由三个金和一个上转换纳米粒子组装的金字塔结构。
实施例3
（1）20nm金纳米粒子的合成：方法如实施例1所述。
（2）钾盐包裹的金纳米粒子的制备：方法如实施例1所述。
（3）金纳米粒子偶联DNA：取50μL步骤（2）制备的钾盐包裹的金纳米粒子置于一个PCR管中，加入1μL10μM的DNA，在金纳米粒子的PCR管中加入DNA1，混匀后，向体系中加入5μL5×tris-硼酸缓冲液和1.25μL2MNaCl溶液，室温振摇反应2h。各自用8000r/min，离心10min，去除上清液，沉淀加超纯水稀释至原体积5倍。
（4）上转换纳米粒子偶联DNA：上转换纳米粒子分别取25μL置于三个PCR管中，加入1.5μL10μM的DNA，在三个上转换纳米粒子的PCR管中分别加入DNA2、DNA3、DNA4，混匀后，依次向各体系中加入1.25μL2MNaNO3溶液，室温振摇反应2h。各自用13000r/min，离心10min，去除上清液，沉淀加超纯水稀释至原体积5倍。
（5）20nm金纳米粒子和上转换纳米粒子组装形成金-上转换纳米粒子二聚体：步骤（3）制备的20nm金纳米粒子-DNA1复合体和步骤（4）制备的上转换纳米粒子-DNA4复合体分别取40μL，20μL于PCR管中混合，90℃水浴5min，在水蒸气中缓慢降到室温，形成金-上转换纳米粒子二聚体。
（6）上转换纳米粒子和上转换纳米粒子组装上转换-上转换二聚体：步骤（4）制备的上转换纳米粒子-DNA2、上转换纳米粒子-DNA3复合体各自取20μL于PCR管中混合，90℃水浴5min，在水蒸气中缓慢降到室温，形成上转换-上转换二聚体。
（7）异质二聚体组装形成金字塔结构：取步骤（5）制备的40μL金-上转换二聚体和40μL步骤（6）制备的上转换-上转换二聚体混合于PCR管中，加入2μL5M的NaNO3溶液，室温25℃反应过夜，形成由一个金和三个上转换纳米粒子组装的金字塔结构。
组装金字塔结构的表征：将上述组装好的产品进行5000r/min离心10min，弃上清，沉淀分散到120μL的超纯水中，超纯水洗一次。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JEOLJEM-2100型号的电镜，其加速电压为200kV。
Claims (2)
1.一种同时具有荧光、磁性和手性信号的金字塔组装结构的制备方法，其特征在于：包括金纳米粒子合成，上转换纳米粒子偶联DNA，金纳米粒子和金纳米粒子组装金-金二聚体结构，上转换纳米粒子和金纳米粒子组装金-上转换二聚体结构，上转换纳米粒子和上转换纳米粒子组装上转换-上转换二聚体结构，由金纳米粒子和上转换纳米粒子组装的不同的金字塔结构，以形成具有荧光、磁性和手性特性的特殊结构；步骤为：
（1）金纳米粒子合成：20nm金纳米粒子用柠檬酸三钠还原法合成；
（2）上转换纳米粒子偶联DNA：市售的上转换纳米粒子表面的马来酰亚胺和巯基修饰的DNA通过巯基-SH进行偶联形成上转换纳米粒子-DNA复合体；
本组装结构所用的上转换纳米粒子材料是NaGdF4；
（3）20nm金纳米粒子和20nm金纳米粒子形成金-金二聚体：将制备的2个20nm金纳米粒子-DNA复合体进行组装形成金-金二聚体；
（4）20nm金纳米粒子和上转换纳米粒子形成金-上转换二聚体：将制备的20nm金纳米粒子-DNA复合体和上转换纳米粒子-DNA复合体进行组装形成金-上转换二聚体；
（5）上转换纳米粒子和上转换纳米粒子组装形成上转换-上转换二聚体结构：将制备的2个上转换纳米粒子-DNA复合体进行组装形成上转换-上转换二聚体；
（6）由金纳米粒子和上转换纳米粒子组装的不同的金字塔结构：将组装好的金-金二聚体和上转换-上转换二聚体、或金-上转换二聚体和上转换-上转换二聚体、或金-金二聚体和金-上转换二聚体组装，形成不同的金字塔结构，并对这些结构进行表征。
2.根据权利要求1所述同时具有荧光、磁性和手性信号的金字塔组装结构的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）20nm金纳米粒子合成：采用柠檬酸三钠还原氯金酸合成金纳米粒子；
（2）金纳米粒子用保护剂钾盐包裹：步骤（1）合成的20nm金纳米粒子用二水合（对-磺酰苯基）双苯基膦化二钾盐溶液进行包裹，记为AuNP，使得其在NaCl溶液中稳定存在；
（3）金纳米粒子和DNA偶联：步骤（2）包裹的金纳米粒子和巯基修饰的DNA通过巯基进行偶联形成AuNP-DNA复合体；
（4）上转换纳米粒子UCNP和DNA偶联：市售的上转换纳米粒子和巯基修饰的DNA通过巯基-SH进行偶联形成UCNP-DNA复合体；
本组装结构所用的上转换纳米粒子材料是NaGdF4；
（5）20nm金纳米粒子组装成金-金二聚体：将步骤（3）制备的AuNP-DNA复合体进行组装，形成金–金二聚体结构AuNP-AuNPdimer，并对此结构进行表征；
（6）上转换纳米粒子组装形成上转换-上转换二聚体：将步骤（4）制备的UCNP-DNA复合体进行组装，形成上转换纳米粒子–上转换纳米粒子二聚体结构UCNP-UCNPdimer，并对此结构进行表征；
（7）20nm金纳米粒子-上转换纳米粒子二聚体：步骤（3）和步骤（4）制备的AuNP-DNA复合体和UCNP-DNA复合体进行组装，形成金-上转换纳米粒子二聚体AuNP-UCNPdimer；
（8）异质二聚体组装成金字塔结构：将步骤（5）、步骤（6）及步骤（7）制备的金–金二聚体、金-上转换二聚体及上转换-上转换二聚体进行组装，形成金字塔结构，并对此结构进行表征。
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