CN110057806A - 基于表面增强拉曼效应的dna折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，该方法具体包括具有特定位点的三角形DNA折纸的制备；巯基DNA修饰的纳米金立方的制备；三种二聚体构型的制备；利用琼脂糖凝胶电泳和透射电镜表征结构的高效精确组装和利用扫描电镜和暗场显微镜共定位检测组装结构的表面增强拉曼散射这五个步骤。该方法解决了组装可重复率低和结构稳定性差的问题，该方法的建立也为构建纳米光学材料提供了一种新的思路，对纳米光子学方面的研究具有重要的意义。

Description

基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成 二聚体结构的方法

技术领域

本发明属于DNA纳米技术领域，具体涉及一种基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法。

背景技术

当一些分子吸附在特定的物质（如Au、Ag或Cu）的表面时，分子的拉曼光谱信号强度会出现明显地增幅，这种拉曼散射增强的现象被称为表面增强拉曼散射效应，在过去的十年中，表面增强拉曼散射技术已被广泛应用到表面吸附、电化学、催化反应、生物化学传感器、生物医学检测及痕量检测与分析等多个领域，主要用于较强的光场增强和有效的光收集，有效解决了拉曼光谱低灵敏度的问题。但是，这种技术因为受到横截面比荧光截面小多个数量级的限制，存在着可重复性较差和本身信号强度弱的问题。而金属纳米粒子在局域表面共振激发下，会使拉曼散射信号增强，尤其是在金属纳米粒子之间的间隙中可以产生较高的电磁场增强，这些 “热点” 可以被看作由局域表面共振耦合产成的结果。

近些年来，电子束刻蚀、光电技术和胶体组装等技术均得到了广泛的应用。然而，这些传统的自上而下（Top-down）技术实际上非常费时并且昂贵。更具体地说，想要获得可靠的拉曼信号并达到亚10 nm的纳米精度，仍然是一个艰巨的挑战。DNA纳米技术是近年来新兴的交叉学科，特别是具有高级寻址特点的DNA折纸技术，由于其具有较高的组装产率和固有的DNA序列可编程性，可以排列金属纳米颗粒和形成具有纳米精度的等离子体结构。而在各种等离子体金属颗粒中，含有棱角的非球形各向异性纳米粒子的组装相对地受到忽视。尽管其具有可调控的LSPR性质和各种各样的合成方法，也很少有相关研究涉及使用纳米金立方进行组装。金立方的边和角在单个颗粒或耦合的结构之间产生明显增强的局域电磁场。

发明内容

针对上述现象，本发明公开一种基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，设计组装形成三种二聚体构型：面-面（FTF），面-棱（FTS）和棱-棱（STS），其具有的表面增强拉曼效应在光学领域和等离子体的研究中开辟了新的路径。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，具体包括以下步骤：

1）制备具有特定设计位点的三角形DNA折纸；

2）制备巯基DNA修饰的纳米金立方，离心浓缩后备用；

3）巯基DNA修饰的纳米金立方与三角形DNA折纸组装，得到三种二聚体构型:面-面（FTF），面-棱（FTS）和棱-棱（STS）；

4）利用琼脂糖凝胶电泳和透射电镜表征结构的高效精确组装；

5）利用扫描电镜和暗场显微镜共定位检测组装结构的表面增强拉曼散射（SERS）。

进一步地，具有特定设计位点的三角形DNA折纸的具体制备过程为：

将M13mp18噬菌体环状单链DNA、未修改的订书钉链、末端修饰的捕获链（Capture DNA）混合，加入10×TAE-Mg²⁺缓冲液（Mg ²⁺浓度12.5 mol/L），震荡摇匀，混合溶液置于PCR 仪中退火，反应后离心除去多余的订书钉链，超滤纯化处理退火后的产物以除去多余的DNA链和副产物，4℃放置待用。

进一步地，所述M13mp18噬菌体环状单链DNA、未修改的订书钉链和末端修饰的捕获链的混合摩尔比为1 ：10 ：10。

进一步地，所述巯基DNA修饰纳米金立方的具体制备过程为：

取10 nm金颗粒，加入巯基DNA和5×TBE缓冲溶液，震荡混匀，孵育4-6小时，向孵育后的样品中分四次加入NaCl溶液，37℃下保温过夜，次日，离心浓缩得到表面修饰有巯基DNA的10 nm纳米金立方。

进一步地，步骤三中三种二聚体构型的具体制备过程为：

将DNA折纸与修饰巯基DNA的纳米金立方均匀混合在1×TAE-Mg²⁺ buffer中，退火，使DNA折纸与纳米金立方完全杂交，由于折纸上设计不同位置的捕获链，最终组装形成三种纳米金立方二聚体：面-面（FTF），面-棱（FTS）和棱-棱（STS）。

进一步地，所述DNA折纸与修饰巯基DNA的纳米金立方的混合摩尔比为1:2。

进一步地，步骤5中共定位检测组装结构的表面增强拉曼散射后发现三种二聚体结构的拉曼信号的强弱顺序为：STS＞FTS＞FTF，STS构型的等离子体共振耦合作用强，产生强于其他两种构型的表面增强拉曼散射信号。

本发明的有益效果是：

1、本发明公开的方法中采用的组装材料是纳米金立方，因其特殊的形状，即分明的棱角成为DNA组装优良的建筑基元；

2. 本发明基于 DNA 折纸方法与纳米金立方组装形成二聚体结构，由于其具有精确的空间可寻址性，通过设计捕获链的位点分布，可以精确组装形成三种二聚体构型，丰富了自组装结构的多样性；

3. 运用该方法得到的纳米金立方二聚体在DNA 折纸特定的位置进行连接将进一步增强等离子体效应，从而为表面增强拉曼散射（SERS）提供了良好的基底。

附图说明

图1为纳米金立方三种二聚体结构的组装示意图；

图2为分离提纯纳米金立方三种二聚体结构的琼脂糖凝胶电泳表征；

图3为提纯后的纳米金立方三种二聚体结构的透射电镜表征结果；

图4为扫描电镜和暗场显微镜共定位示意图以及检测组装结构的表面增强拉曼散射（SERS）光谱图；

图5为纳米金立方三种二聚体结构在1333 cm^-1处的拉曼增强强度曲线图。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明的部分较佳实施例。本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是为了技术人员能对本发明公开内容的理解更加透彻全面。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都应看作是本发明的简单变型，都在本发明的保护范围内。

实施例1：具有特定位点的三角形DNA折纸的制备

如图1所示：利用噬菌体M13mp18单链DNA作为骨架链，与两百多条短脚手架链和几十条捕获链退火形成三角形DNA折纸。其具体操作为：

（1）将M13mp18噬菌体环状单链DNA、未修改的订书钉链、末端修饰的捕获链（CaptureDNA）按照1 ：10 ：10的摩尔比进行混合，即加入的体积分别为2.5 μL、5 μL、5 μL，然后加入10 μL 10×TAE-Mg²⁺缓冲液（Mg ²⁺浓度12.5 mol/L），补超纯水至最终体积为100 μL，震荡摇匀。

（2）将步骤（1）的混合溶液置于PCR 仪中以0.1℃/10 s 的速率从95℃~20℃退火，反应后使用100 kDa超滤管离心除去多余的订书钉链，4℃放置待用。

其中，订书钉链末端修饰捕获链（Capture DNA）的序列如下：

AAAAAAAAAAAAAAA。

（3）超滤纯化处理退火后的产物以除去多余的DNA链和副产物。

超滤纯化：将步骤（2）得到的样品置于100 kDa超滤管中，并补充1×TAE/Mg（40 mMTris，20 mM醋酸，2 mM EDTA 和12.5 mM醋酸镁）缓冲溶液至400 μL。在3000 g的条件下离心10分钟，每次离心结束弃滤液，补充1×TAE/Mg²⁺缓冲液至400 μL，重复离心四次。最后一次，将超滤管倒扣在1.5 mL离心管中，1000 g离心10分钟，收集滤液，4℃放置待用。

实施例2：巯基DNA修饰的纳米金立方的制备

在一定的缓冲液环境下，加入巯基DNA单链修饰在纳米金立方表面，并借助加入盐（NaCl）老化方式完成组装，得到表面布满巯基DNA的纳米金立方。其具体操作为：

（1）取200 μL 10 nm金颗粒于1.5 mL离心管中，12000 rpm离心15 min，去除上清液120μL后，向管中加入10 μL巯基DNA和10 μL 5×TBE（89 mM Tris, 89 mM boric acid，2 mMEDTA，pH 8.0）缓冲溶液，震荡混匀。

（2）将步骤（1）样品置于混匀仪中，37℃，300 rpm条件下孵育4-6小时。

（3）向步骤（2）孵育后的样品中加入10 μL 3M的NaCl溶液。注意分四次加入，每次间隔30分钟加入2.5 μL的3 M NaCl溶液。37℃下保温过夜。分步加盐（NaCl）的目的一是为了使得巯基DNA能够组装在纳米金立方表面上；二是为了达到“老化”目的，减少纳米金立方表面和巯基DNA之间的吸附作用，使得巯基DNA倾向于直立在金纳米颗粒的表面，从而提高巯基DNA的组装量。

（4）次日，将步骤（3）得到的样品离心四次（4500 rpm，15 min），每次弃上清液，并加入0.5×TBE至100 μL。最后一次弃上清液后得到表面修饰有巯基DNA的10 nm纳米金立方。

实施例3：三种二聚体构型的制备

如图1所示，将实施例2制备的巯基DNA修饰的纳米金立方与实施例1制备的三角形DNA折纸混合，退火组装。其具体操作为：

将DNA折纸与修饰巯基DNA的纳米金立方按照1:2 的摩尔比均匀混合在1×TAE-Mg²⁺buffer中，将样品放置在PCR仪中退火11 h，退火程序是以- 0.1℃/10 s的速率从45℃降温至20℃，循环4个周期使DNA折纸与纳米金立方完全杂交，由于折纸上设计不同位置的捕获链，最终组装形成三种纳米金立方二聚体：面-面（FTF），面-棱（FTS）和棱-棱（STS）。

实施例4：利用琼脂糖凝胶电泳和透射电镜表征结构的高效精确组装

（1）DNA折纸与纳米金立方在组装过程中由于加入的纳米金立方是过量的，二者完成组装后还有许多游离的单个金颗粒，因此需要进行琼脂糖凝胶电泳分离纯化组装的产物。步骤如下：配制0.8%的琼脂糖，加入一定体积的1×TAE-Mg²⁺buffer并用gel red 染色剂染色，微波炉加热2 min，将锥形瓶内的溶液轻微摇晃到无气泡时倒入制胶模具中，等待30 min胶体凝固。

（2）并将空白对照，即巯基修饰后的纳米金立方和DNA折纸与样品分别向凝固胶体中的各个泳道加样，然后放入电泳槽中进行电泳，设置的电泳电压为100 V，时间为35 min。

（3）电泳结束后，将胶体进行紫外和白光拍照，并选择目标条带进行割胶放入透析袋中，加入1×TAE-Mg²⁺buffer继续电泳，电压为110 V，时间为20 min。在外加电场的作用下，目标溶液进入透析袋中的缓冲溶液里，最后将产物回收即可。

（4）吸取10 μL纯化后步骤（3）中的样品轻轻滴到碳支持模表面吸附20 min后，用滤纸将样品吸干，再用移液枪吸取10 μL的超纯水冲洗两次，放置室温等待样品干燥。然后利用透射电镜仪器进行表征成像。

如图2所示，泳道4是巯基DNA修饰的纳米金立方，泳道5是三角形DNA折纸的对照，泳道1-3分别是STS，FTS和FTF。将分离的目标条带割胶透析纯化后收集备用，并利用透射电镜表征结构的高效精确组装，如图3所示，证明已成功地制备组装了三种纳米金立方二聚体构型。

实施例5：利用扫描电镜和暗场显微镜共定位检测组装结构的表面增强拉曼散射

（1）取1.1 mm的 ITO 导电玻璃，用金刚钻刀在导电面样品吸附的位置刻画简单的标记，并在标记处滴入20 μL 样品溶液，静置10 min使样品吸附到ITO玻璃表面。然后在SEM下寻找标记附近的目标结构，进行拍照定位，然后再到DFM下对照SEM拍摄的图片寻找结构点进行光谱的采集。

（2）对步骤（1）共定位采集的目标结构点进行表面增强拉曼散射（SERS）表征：在ITO玻璃的结构点区域处滴加10 μL 10 mM的DTNB 溶液反应3 h 以上，使拉曼分子吸附在纳米金立方的表面和热点区域中。使用633 nm 的激发光对结构点采集光谱，×20物镜，激发功率为0.85 mW，曝光时间为10 s。

（3）采集的拉曼光谱显示出DTNB拉曼信号分子的四个特征峰，强度依次增大，然后对三种结构在1333cm^-1处的拉曼信号强度进行统计，这三种结构的拉曼强度如图5所示，分别为1350 A.U.，1642A.U.和2490 A.U，依次增大。可以得出结论：因为纳米金立方连接处的形貌不同，导致了拉曼信号强度的不同，STS构型因为具有较尖锐的棱，所以在热点区域内的拉曼信号强度最大，而FTF和FTS两种构型都存在较平滑的表面，所以拉曼信号强度比STS构型低。

总之，DNA序列的特异性修饰可以作为组装等离子体的有效模板，通过特定的结合方式精确地将特定的分子放置在热点区域。这里介绍的方法在光学和光学应用方面具有很高的前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (7)

1.一种基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

1）制备具有特定设计位点的三角形DNA折纸；

2）制备巯基DNA修饰的纳米金立方，离心浓缩后备用；

3）巯基DNA修饰的纳米金立方与三角形DNA折纸组装，得到三种二聚体构型:面-面（FTF），面-棱（FTS）和棱-棱（STS）；

4）利用琼脂糖凝胶电泳和透射电镜表征结构的高效精确组装；

5）利用扫描电镜和暗场显微镜共定位检测组装结构的表面增强拉曼散射。

2. 如权利要求1所述的基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，其特征在于，步骤1中具有特定设计位点的三角形DNA折纸的具体制备过程为：将M13mp18噬菌体环状单链DNA、未修改的订书钉链、末端修饰的捕获链混合，加入10×TAE-Mg²⁺缓冲液，震荡摇匀，混合溶液置于PCR 仪中退火，反应后离心除去多余的订书钉链，超滤纯化处理退火后的产物以除去多余的DNA链和副产物，4℃放置待用。

3. 如权利要求2所述的基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，其特征在于，所述M13mp18噬菌体环状单链DNA、未修改的订书钉链和末端修饰的捕获链的混合摩尔比为1 ：10 ：10。

4.如权利要求1所述的基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，其特征在于，步骤2中巯基DNA修饰纳米金立方的具体制备过程为：向金颗粒中加入巯基DNA和5×TBE缓冲溶液，震荡混匀，孵育4-6小时，向孵育后的样品中分四次加入NaCl溶液，37℃下保温过夜，离心浓缩得到表面修饰有巯基DNA的纳米金立方。

5. 如权利要求1所述的基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，其特征在于，步骤3中三种二聚体构型的具体制备过程为：将DNA折纸与修饰巯基DNA的纳米金立方均匀混合在1×TAE-Mg²⁺ buffer中，退火，使DNA折纸与纳米金立方完全杂交，由于折纸上设计不同位置的捕获链，最终组装形成三种纳米金立方二聚体。

6.如权利要求5所述的基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，其特征在于，所述DNA折纸与修饰巯基DNA的纳米金立方的混合摩尔比为1:2。

7.如权利要求1所述的基于表面增强拉曼效应的DNA折纸模板组装纳米金立方形成二聚体结构的方法，其特征在于，步骤5中共定位检测组装结构的表面增强拉曼散射后发现三种二聚体结构的拉曼信号由强到弱的顺序为：STS＞FTS＞FTF，STS构型的等离子体共振耦合作用强，产生强于其他两种构型的表面增强拉曼散射信号。