CN111366998B - 一种等离子体激元激子杂化结构及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种等离子体激元激子杂化结构及其制备方法和应用。所述等离子体激元激子杂化结构包括金属纳米颗粒和组装有至少一个激子分子的DNA杂化模板；所述金属纳米颗粒通过修饰DNA单链与所述DNA杂化模板以碱基互补配对原则进行杂交，所述激子分子处于金属纳米颗粒的等离子体共振增强场内。本发明通过在DNA杂化模板上设计结合位点的方式精确组装所需要的激子分子，从而形成不同光与物质耦合强度的杂化结构，实现对光与物质耦合作用强度的可量化调控，构建一种智能化的等离激元激子杂化结构。
Description
技术领域
本发明涉及凝聚态物理以及量子光学领域，具体涉及一种等离子体激元激子杂化结构及其制备方法和应用，尤其涉及一种可量化控制耦合强度的等离激元激子杂化结构及其制备方法。
背景技术
随着近年来国际上关于通信技术的竞争逐渐趋于白热化，传统硅基集成电路工艺受制于量子力学效应(如量子隧穿等)已接近其发展极限。在这样的背景下，量子信息处理与量子通信技术可以说是下一个通讯时代的技术制高点。光与电同为信息传输的两大载体，而要实现量子信息处理与量子通信如何实现纠缠光子对就是一个基本问题，所以光与物质之间相互作用的研究越来越受到人们的重视。
光与物质的相互作用一般为能量的交换和耦合，通过改变相互作用的条件，可以实现对光和物质的调控。这类调控不仅适用于经典的电磁学领域，也适用于量子光学领域，在量子信息处理、量子通信、单光子开关、全光学逻辑器件、太阳能电池和调控化学反应速率等方面有着相当广泛的应用前景。
等离子体共振激元指的是贵金属纳米颗粒受到光照后展现出的电子集体震荡现象，可将其看做一个囚禁光子的光学腔。它的亚波长和亚衍射极限场局域特性大大降低了以实验手段研究光与物质相互作用的难度，因而备受研究者青睐。等离子体激元激子杂化结构可看做存在光子和量子纠缠的状态，是形成量子纠缠对的前提，而后者是量子计算、量子通讯等领域的研究基础。正是由于上述诸多应用价值，近些年研究人员致力于调控等离激元与激子分子耦合作用的研究。
关于利用金蝴蝶结纳米天线构建等离子体共振增强体系与洒落在蝴蝶结中心孔洞内的量子点产生不同强度耦合作用的现象已有报道，但这种结构的缺陷在于，散落在孔洞内的量子点数目及位置是完全随机的，因此产生的耦合作用也无法提前预测，更无法根据研究者的主观意愿实现精确调控(参见Santhosh K,Bitton O,Chuntonov L,etal.Vacuum Rabi splitting in a plasmonic cavity at the single quantum emitterlimit[J].Nature Communications,2016,7:ncomms11823)。
也有研究者以二维材料作为激子，通过调节金属纳米颗粒与金膜之间三氧化二铝隔离层的厚度实现从弱耦合到强耦合过度的研究，但这种方法的弊端在于结构组装复杂，调控不易，且仅有隔离层厚度这一单一调控参数，调控范围和精度均受到明显限制(参见Wang X,Cui Y,Li T,et al.2D Functional Systems:Recent Advances in theFunctional 2D Photonic and Optoelectronic Devices[J].Advanced OpticalMaterials,2019,7(3))。
因此，如何实现光与物质耦合作用强度的可量化调控，构建一种智能化的等离激元激子杂化结构是目前急需解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种等离子体激元激子杂化结构及其制备方法和应用。本发明中提供的杂化结构将激子分子组装在DNA杂化模板上，实现了激子分子的定位组装，不再需要对复杂结构的尺寸等参数进行精密设定，实现光和物质耦合作用强度的可量化调控。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种等离子体激元激子杂化结构，所述等离子体激元激子杂化结构包括金属纳米颗粒和组装有至少一个激子分子的DNA杂化模板；所述金属纳米颗粒通过修饰DNA单链与所述DNA杂化模板以碱基互补配对原则进行杂交，所述激子分子处于金属纳米颗粒的等离子体共振增强场内。
本发明中以DNA杂化结构作为模板，通过在其上设计结合位点的方式精确组装所需要的激子分子和等离激元，从而形成符合预期的、能实现不同强度光与物质耦合作用的杂化结构。其优势在于，本发明可以通过调节激子分子的数目和激子分子与等离激元之间的相对位置和距离能够实现对光与物质耦合作用强度的可量化调控，不再需要对复杂结构的尺寸等参数进行精密设定，构建一种智能化、可快速精准调控的等离激元激子杂化结构。
本发明所述的DNA杂化模板主要功能是实现金片与激子分子的准确定位，因此其构建方式不局限于DNA折纸结构，凡是可以精确控制实现分子数目或位置变化的模板等均可。
作为本发明优选的技术方案，所述金属纳米颗粒选自金片、银片或金棒中的任意一种或至少两种的组合，优选为金片。
优选地，所述金片为金三角片。
优选地，所述激子分子与金三角片尖端的距离0-5nm，例如所述激子分子可以恰好位于金三角片尖端，可以位于金三角片尖端1nm处，2nm处，3nm处，4nm处或5nm处等。
所述激子分子若不在金片的尖端，则无法与金属等离子体共振增强场产生耦合作用，若激子分子与金三角片尖端的距离超过5nm，则金属等离子体共振增强场增强效果大大减弱，很难观察到二者间明显的耦合作用。
本发明中，采用DNA杂化模板与金三角片形成等离子体激元激子杂化结构，通过改变设计图中激子分子修饰的订书钉链序列位置，可以精确控制激子分子数目及其与金属纳米颗粒等离子体共振增强场的相对位置，从而对二者之间的耦合作用进行调控。该结构可以观察激子分子数目和位置以及距离对其与等离激元产生不同强度耦合作用的现象，实现可量化调控的智能化光与物质相互作用的等离激元激子杂化结构。
同时，相比于将多个激子分子安放于三角形金片同一顶点，在金片三个顶点每一处均安放一个分子的设计可以获得更强的耦合作用。这是因为金片顶点处的共振增强场范围很小，在一个顶点的狭窄范围内安放三个分子很难使每个分子都得到充分的场增强作用。而将三个分子精确置于金三角片三个顶点，可以保证每个激子分子都与等离激元共振增强场实现最大程度的重合，从而明显提高杂化结构的耦合强度。
优选地，所述激子分子选自Cy3分子、Cy5分子、Cy5.5分子或Cy7分子中的任意一种或至少两种的花青素染料。
作为本发明优选的技术方案，DNA杂化模板包括通过碱基互补配对原则进行杂交的脚手架链和订书钉链，其中所述订书钉链选取5-20个(例如可以是5个、8个、10个、12个、15个、18个或20个等)位点延伸出金片捕捉链，并且选取至少一个订书钉链连接激子分子。
优选地，所述激子分子直接连接在订书钉链上或通过碱基互补配对的原则杂交在订书钉链延伸出的寡核苷酸链上。
其中，偶联激子分子的订书钉链的位置及其数量可根据实际需要进行调整，实现对激子分子位点和数目的精确调控，进而控制激子分子与金属纳米颗粒等离子体共振增强场的相对位置。
优选地，所述DNA杂化模板选自矩形DNA折纸结构或三角形DNA折纸结构，优选为矩形DNA折纸结构。
本发明中，矩形DNA折纸结构能提供200余个充足且精密的设计位点用于金属纳米颗粒等离子体激元及激子分子的位置分布，所得到的等离子体激元激子杂化结构在光与物质耦合作用强度的调控方面有着得天独厚的优势，能进行较大范围和更精准的调控。
作为本发明优选的技术方案，所述DNA杂化模板中的订书钉链为人工合成的寡核苷酸序列。
优选地，所述金属纳米颗粒捕捉链与金属纳米颗粒上修饰的DNA单链互补配对。
优选地，所述脚手架链选自M13噬菌体基因组DNA、基于M13噬菌体基因组DNA进行改造的单链环状DNA、Lambda噬菌体基因组DNA、利用点突变技术和位点-延伸非依赖克隆技术从给定质粒大规模生产长度可调的单链环状DNA链、通过PCR得到的M13噬菌体基因组DNA片段、Lambda噬菌体基因组DNA片段或利用体外转录得到的RNA片段中的任意一种，优选为M13噬菌体基因组DNA。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的等离子体激元激子杂化结构的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
制备DNA杂化模板，制备金属纳米颗粒并使用DNA单链进行修饰；
将所述DNA杂化模板与DNA单链修饰的金属纳米颗粒混合，降温退火，纯化后得到所述等离子体激元激子杂化结构。
本发明反应条件温和，操作过程简单，反应重复性好，可实现大规模生产，得到的可调控等离子体激元激子杂化结构在人工捕光，无阈值激光，以及量子信息处理领域有潜在应用价值。
作为本发明优选的技术方案，所述DNA杂化模板与DNA单链修饰的金属纳米颗粒的质量比为1:(3～5)，例如可以是1:3、1:3.2、1:3.5、1:3.8、1:4、1:4.2、1:4.5、1:4.8或1:5等。
优选地，所述混合步骤之后还包括加入终浓度为100-200mM(例如可以是120mM、140mM、150mM、160mM或180mM等)的氯化钠的操作。
优选地，所述降温退火的起始温度为40～50℃，例如可以是40℃、41℃、42℃、43℃、44℃、45℃、46℃、47℃、48℃、49℃或50℃等。
优选地，所述降温退火的降温速度为5～8min/℃，例如可以是5min/℃、5.2min/℃、5.5min/℃、6min/℃、6.2min/℃、6.5min/℃、7min/℃、7.5min/℃、7.8min/℃或8min/℃等。
优选地，所述降温退火的终止温度为20～30℃，例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃等。
优选地，所述降温退火的循环次数为6次或7次。
优选地，所述纯化方法为使用琼脂糖凝胶电泳进行纯化。
本发明中，金片与DNA杂化模板混合得到所述等离子体激元激子杂化结构的具体步骤如下：
将纯化后的金片与纯化后的DNA杂化模板分别通过紫外-可见吸收光谱确定浓度，按照一定摩尔比混合并在混合溶液中加入终浓度100～200mM的氯化钠，在热循环仪中经程序控温以5～8min/℃的速度从45～50℃退火至20～30℃，循环6～7次；退火后的组装产物用1％的琼脂糖凝胶电泳进行分离纯化。最终得到的金片与DNA模板复合物将用于后续原子力显微镜表征及暗场下的单结构散射光谱测定。
优选地，所述DNA杂化模板的制备方法包括如下步骤：
将脚手架链、订书钉链和金属纳米颗粒捕捉链(金属纳米颗粒捕捉链也是订书钉链的一种，它是特定位点的订书钉链延伸出来的一段DNA用来捕捉金属纳米颗粒)以质量比1:(5-10):(5-10)(例如可以是1:5:5、1:5:6、1:5:8、1:5:10、1:6:5、1:8:5、1:10:5、1:6:8、1:6:10、1:8:8或1:10:10等)混合，以85～98℃(例如可以是85℃、86℃、88℃、90℃、92℃、93℃、95℃或98℃等)为起始温度，以8～10min/℃(例如可以是8min/℃、8.2min/℃、8.5min/℃、9min/℃、9.2min/℃、9.5min/℃、9.8min/℃或10min/℃等)的速度进行降温退火至20～30℃(例如可以是20℃、22℃、24℃、25℃、26℃、28℃或30℃等)，采用超滤柱纯化，得到所述DNA杂化模板。
本发明中，带有激子分子(例如Cy5分子)的矩形DNA杂化模板的组装包括如下步骤：
将矩形DNA折纸结构组装所需的M13噬菌体环状单链DNA与订书钉链和金属纳米颗粒捕捉链(所述订书钉链上包含1～3个偶联激子分子的核苷酸位点)，以1:(5～10):(5-10)的质量比混合，加入组装缓冲液中(含10～15mM Mg2+的TAE缓冲液)中，在热循环仪中经程序控温以8～10min/℃的速度从95℃退火至20～25℃；退火后的组装产物用100kD过滤柱纯化以去除过量的订书钉链、金片捕捉链及含有Cy5分子链的订书钉链。
优选地，所述DNA单链修饰的金属纳米颗粒通过以下方法制备：
利用晶种诱导生长法制备金属纳米颗粒，使用氯化十六烷基三甲基铵(Cetyltrimethylammonium chloride，CTAC)作为表面活性剂活化；使用合成的硫代DNA单链替代氯化十六烷基三甲基铵，得到DNA单链修饰的金属纳米颗粒。
本发明中，金三角片的合成具体包括如下步骤：
取15～20mL浓度为100～110mM的CTAC加入烧杯中，向其中依次加入80～90mL浓度去离子水，75～80μL浓度为100～110mM的碘化钠，700～800μL浓度为25～28mM的氯金酸水溶液，18～22μL浓度为1～1.2M的氢氧化钠溶液，800～900μL浓度为60～70mM的抗坏血酸溶液，10～12μL浓度为1～1.2M的氢氧化钠溶液。
以上每次加入反应物后均需要手动震荡烧杯5～10s，所有反应物加入完毕震荡烧杯2～5s后静置10～20min。此后分装在15mL离心管中用台式高速离心机5000～6000rpm离心8～10min，弃去上清液。沉淀用9～10mL去离子水重悬后再用台式高速离心机3500～4000rpm离心8～10min，弃去上清液，即可得到所述金属纳米颗粒。
本发明中，在金片上的修饰DNA单链的方法包括如下步骤：用浓度为200～220mM的三(2-羧基)盐酸膦(TCEP)将硫代单链DNA中的二硫键还原为单硫醇，还原时间6～12h。利用G-25排除柱对还原后的单链DNA进行纯化以去除过量的TCEP等小分子。将单链DNA和金片在震荡的同时依次快速加入3～4mL修饰缓冲液中，并在30℃水浴的环境下孵育过夜。之后台式高速离心机4000～5000rpm离心5～8min，弃去上清液，以去除多余单链DNA。
其中，修饰缓冲液的配方为：5×TBE(Tris，硼酸，EDTA，pH8.0)300～500μL，去离子水2000～3000μL，1％(w/v)十二烷基磺酸钠30～100μL，5M氯化钠300～500μL，并用盐酸调节缓冲液pH至6～7。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
将脚手架链、订书钉链和金属纳米颗粒捕捉链以质量比1:(5-10):(5-10)混合，以85～98℃为起始温度进行降温退火至20～30℃，采用超滤柱纯化，得到所述DNA杂化模板；
利用晶种诱导生长法制备金属纳米颗粒，使用氯化十六烷基三甲基铵作为表面活性剂活化；使用合成的硫代DNA单链替代氯化十六烷基三甲基铵，得到DNA单链修饰的金属纳米颗粒；
将所述DNA杂化模板与DNA单链修饰的金属纳米颗粒以质量比为1:5的比例混合，以40-50℃为起始温度进行降温退火至20～30℃，循环6次或7次，使用琼脂糖凝胶电泳进行纯化，得到所述等离子体激元激子杂化结构。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的等离子体激元激子杂化结构在人工捕光、无阈值激光或量子信息处理方面的应用。
本发明中，术语“脚手架链”是指长的DNA或RNA序列，尤其是指单链DNA序列，其是形成核酸纳米结构的主体原料，在订书钉链的辅助折叠作用下自组装形成特定二维和/或三维结构。
本发明中，所述“订书钉链”指通过碱基互补配对原则对脚手架链起到辅助折叠作用以使其自组装形成特定二维和/或三维结构的短的核苷酸序列。“订书钉链”是一种形象的表达，意指其像订书钉一样将脚手架链的不同位点钉在一起。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有列举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明提供的等离子体激元激子杂化结构可以精确调控金属纳米颗粒与激子分子的相对位置和距离，从而使金属纳米颗粒按照预期设计与不同数目、不同位置的激子分子实现耦合强度变化，真正实现精密组装，按需调控；且本发明中当激子分子分别分布于金三角片的三个顶点附近，且与顶点的距离不超过5nm时，所述等离激元激子杂化结构的散射光谱劈裂现象最为明显；
(2)本发明提供的等离子体激元激子杂化结构不需要从根本上调节激子分子种类和等离子体激元尺寸等参数，只需改变设计中激子分子的数目和订书钉链序列位置即可实现对杂化结构的调控，此方法较为简单，易于控制，能够得到不同耦合强度的等离激元激子杂化结构，大大简化了实验过程。
附图说明
图1是实施例1提供的等离子体激元激子杂化结构的原子力显微镜表征。(标尺100nm)
图2为实施例1得到的等离子体激元激子杂化结构示意图，其中1为DNA杂化模板，2为金三角片，3为订书钉链，4为激子分子。
图3为实施例1得到的等离子体激元激子杂化结构的暗场散射光谱图。
图4为实施例1得到的等离子体激元激子杂化结构在扫描电子显微镜下的形貌图。(标尺500nm)
图5为实施例1得到的等离子体激元激子杂化结构在暗场下的形貌图。(标尺500nm)
图6为实施例2提供的等离子体激元激子杂化结构示意图，其中1为DNA杂化模板，2为金三角片，3为订书钉链，4为激子分子。
图7为实施例2提供的等离子体激元激子杂化结构的暗场散射光谱图。
图8为实施例3提供的等离子体激元激子杂化结构示意图，其中1为DNA杂化模板，2为金三角片，3为订书钉链，4为激子分子。
图9为实施例3提供的等离子体激元激子杂化结构的暗场散射光谱图。
图10为实施例4提供的等离子体激元激子杂化结构示意图，其中1为DNA杂化模板，2为金三角片，3为订书钉链，4为激子分子。
图11为实施例4提供的等离子体激元激子杂化结构的暗场散射光谱图。
图12为实施例5提供的等离子体激元激子杂化结构示意图，其中1为DNA杂化模板，2为金三角片，3为订书钉链，4为激子分子。
图13为实施例5提供的等离子体激元激子杂化结构的暗场散射光谱图。
图14为实施例6提供的等离子体激元激子杂化结构的暗场散射光谱图。
图15为实施例7提供的等离子体激元激子杂化结构的暗场散射光谱图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
以下实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所用的实验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂厂商购买得到的；所用原子力显微镜为Bruker Multimode-8，扫描电子显微镜为Hitachi-SU8220。
以下实施例中，修饰缓冲液的配方为：5×TBE(Tris，硼酸，EDTA，pH8.0)300μL，去离子水2370μL，1％(w/v)十二烷基磺酸钠30μL，5M氯化钠300μL组成的修饰缓冲液3mL，并用盐酸调节缓冲液pH至7；组装缓冲液为含有12.5mM Mg2+的TAE(Tris，冰乙酸，EDTA，pH8.3)缓冲液。
实施例1
本实施例提供一种等离子体激元激子杂化结构，具体制备方法如下：
(1)金片的合成
取16mL浓度为100mM的氯化十六烷基三甲基铵(Cetyl trimethylammoniumchloride，CTAC)加入烧杯中。向其中依次加入80mL浓度去离子水，75μL浓度为100mM的碘化钠，800μL浓度为25.4mM的氯金酸水溶液，20.3μL浓度为1M的NaOH溶液，900μL浓度为64mM的抗坏血酸溶液，10μL浓度为1M的NaOH溶液。以上每次加入反应物后均需要手动震荡烧杯5s，所有反应物加入完毕震荡烧杯2s后静置10min，分装在15mL离心管中用台式高速离心机5000rpm离心8min，弃去上清液。沉淀用9mL去离子水重悬后再用台式高速离心机3500rpm离心8min，弃去上清液。
(2)金片上的DNA单链修饰
用浓度为200mM的三(2-羧基)盐酸膦(TCEP)将硫代单链DNA中的二硫键还原为单硫醇，还原时间6h。利用G-25排除柱对还原后的单链DNA进行纯化以去除过量的TCEP等小分子。
将单链DNA和金片在震荡的同时依次快速加入修饰缓冲液中，并在30℃水浴的环境下孵育过夜。之后台式高速离心机5000rpm离心8min，弃去上清液，以去除多余单链DNA。
(3)带有Cy5分子的矩形DNA折纸结构组装
将矩形折纸结构组装所需的M13噬菌体环状单链DNA、订书钉链和金片捕捉链以1:10:10的摩尔比混合，其中一种订书钉链上组装有激子分子Cy5，所述订书钉链的核苷酸序列为SEQ ID NO.1：AATGCCCCGTAACAGTGCCCGTATCTCCCTCA；
该订书钉链组装后位于金三角片的顶点5nm处，而后加入组装缓冲液，在热循环仪中经程序控温以10min/℃的速度从95℃退火至25℃，得到带有Cy5分子的矩形DNA折纸结构，退火后的组装产物用100kD过滤柱纯化，以去除过量的订书钉链和金片捕捉链。
(4)金片与DNA杂化模板的组装
将纯化后的金片与纯化后的矩形DNA折纸结构模板分别通过紫外-可见吸收光谱确定浓度后按浓度比5:1混合，并在混合溶液中加入终浓度200mM的氯化钠，在热循环仪中经程序控温以8min/℃的速度从45℃退火至25℃循环7次。退火后的组装产物用1％的琼脂糖凝胶电泳进行分离纯化，得到所述等离子体激元激子杂化结构。
使用原子力显微镜对所述等离子体激元激子杂化结构进行表征(如图1所示)，可以明显观察到在90nm×60nm尺寸的矩形DNA结构上连接有一边长为80nm的纳米三角片，金片与矩形模板的相对位置符合预期设计，其结构可由图2表示，激子分子分别位于金三角片的顶点处，并测定其暗场下的单结构散射光谱(如图3所示)，其散射光谱观察到较小劈裂，所述等离激元激子杂化结构在大范围扫描的电子显微镜下(如图4)和在暗场光镜下(如图5)得到的照片对比可以发现，在衬底ITO玻璃上设计制作的标记保证了在暗场光镜和扫描电镜下寻找结构的一致性，从而使得我们可以准确得到同一结构在暗场下的散射光谱及在扫描电镜下的形貌像。
实施例2
本实施例提供一种等离子体激元激子杂化结构，与实施例1的区别在于，其中两种订书钉链上组装有激子分子Cy5，所述订书钉链组装后位于金三角片的两个顶点处，其余条件及制备方法同实施例1。
所得等离子体激元激子杂化结构可由图6表示，激子分子分别位于金三角片的两个顶点，其暗场散射光谱图如图7所示，其散射光谱观察到明显的劈裂现象。
实施例3
本实施例提供一种等离子体激元激子杂化结构，与实施例1的区别在于，其中三种订书钉链上组装有激子分子Cy5，所述订书钉链组装后位于金三角片的三个顶点处，其余条件及制备方法同实施例1。
所得等离子体激元激子杂化结构可由图8表示，激子分子分别位于金三角片的三个顶点，其暗场散射光谱图如图9所示，其散射光谱观察到较大劈裂现象。
实施例4
本实施例提供一种等离子体激元激子杂化结构，与实施例1的区别在于，其中两种订书钉链上组装有激子分子Cy5，所述订书钉链组装后位于金三角片的一个顶点处，其余条件及制备方法同实施例1，
所得等离子体激元激子杂化结构可由图10表示，两个激子分子位于金三角片的同一个顶点，其暗场散射光谱图如图11所示其散射光谱出现较明显劈裂现象。
实施例5
本实施例提供一种等离子体激元激子杂化结构，与实施例1的区别在于，其中三种订书钉链上组装有激子分子Cy5，所述订书钉链组装后位于金三角片的一个顶点处，其余条件及制备方法同实施例1，
所得等离子体激元激子杂化结构可由图12表示，两个激子分子位于金三角片的同一个顶点，其暗场散射光谱图如图13所示，其散射光谱出现较大劈裂。
实施例6
本实施例提供一种等离子体激元激子杂化结构，与实施例1的区别在于，所述激子分子位于距离金三角片顶点2nm处，其余条件及制备方法同实施例1，
所得等离子体激元激子杂化结构的暗场散射光谱图如图14所示，其散射光谱出现劈裂较实施例1更大。
实施例7
本实施例提供一种等离子体激元激子杂化结构，与实施例1的区别在于，所述激子分子位于距离金三角片顶点10nm处，其余条件及制备方法同实施例1，
所得等离子体激元激子杂化结构的暗场散射光谱图如图15所示，其散射光谱几乎没有明显劈裂现象。
综上所述，无论是将多个Cy5分子置于金三角片同一顶点的共振增强场处还是将金三角片多个顶点均安置有Cy5分子，随着分子数目增多，其与等离激元的耦合作用逐步增强。且随着分子与金三角片尖端之间距离的变化，耦合强度可受到明显调控。本发明提供的等离子体激元激子杂化结构只需改变设计中激子分子的数目和订书钉链序列位置即可实现对杂化结构的调控，得到不同耦合强度的等离激元激子杂化结构，大大简化了实验过程。
由实施例3和实施例5比较可知，相比于将三个Cy5分子安放于金三角片的同一顶点，金片三个顶点每一处均安放一个分子的结构明显可以获得更强的耦合作用。这是因为金片顶点处的共振增强场范围很小，在一个顶点的狭窄范围内安放三个分子很难使每个分子都得到充分的场增强作用。而将三个分子精确置于金三角片三个顶点，可以保证每个Cy5分子都与等离激元共振增强场实现最大程度的重合，从而明显提高杂化结构的耦合强度。
由实施例1、6和7比较可知，激子分子与金三角片顶点的距离为0-5nm时可出现明显的二者之间耦合作用。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
SEQUENCE LISTING
<110> 国家纳米科学中心
<120> 一种等离子体激元激子杂化结构及其制备方法和应用
<130> 20200313
<160> 1
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 1
aatgccccgt aacagtgccc gtatctccct ca 32
Claims (18)
1.一种等离子体激元激子杂化结构，其特征在于，所述等离子体激元激子杂化结构包括金属纳米颗粒和组装有至少一个激子分子的DNA杂化模板；
所述金属纳米颗粒通过修饰DNA单链与所述DNA杂化模板以碱基互补配对原则进行杂交，所述激子分子处于金属纳米颗粒的等离子体共振增强场内；
所述金属纳米颗粒选自金片、银片或金棒中的任意一种或至少两种的组合；
所述DNA杂化模板选自矩形DNA折纸结构或三角形DNA折纸结构；
所述金属纳米颗粒为金片，所述金片为金三角片；
所述激子分子与金三角片尖端的距离为0-5nm；
所述激子分子选自Cy3分子、Cy5分子、Cy5.5分子或Cy7分子中的任意一种或至少两种的花青素染料；
所述DNA杂化模板包括通过碱基互补配对原则进行杂交的脚手架链、订书钉链和金属纳米颗粒捕捉链，其中选取至少一个订书钉链连接激子分子；
所述激子分子直接连接在订书钉链上或通过碱基互补配对的原则杂交在订书钉链延伸出的寡核苷酸链上；
所述订书钉链选取5-20个位点延伸出金片捕捉链。
2.根据权利要求1所述的等离子体激元激子杂化结构，其特征在于，所述DNA杂化模板为矩形DNA折纸结构。
3.根据权利要求1所述的等离子体激元激子杂化结构，其特征在于，所述DNA杂化模板中的订书钉链为人工合成的寡核苷酸序列。
4.根据权利要求1所述的等离子体激元激子杂化结构，其特征在于，所述金属纳米颗粒捕捉链与金属纳米颗粒上修饰的DNA单链互补配对。
5.根据权利要求1所述的等离子体激元激子杂化结构，其特征在于，所述脚手架链选自M13噬菌体基因组DNA、基于M13噬菌体基因组DNA进行改造的单链环状DNA、Lambda噬菌体基因组DNA、利用点突变技术和位点-延伸非依赖克隆技术从给定质粒大规模生产长度可调的单链环状DNA链、通过PCR得到的M13噬菌体基因组DNA片段、Lambda噬菌体基因组DNA片段或利用体外转录得到的RNA片段中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的等离子体激元激子杂化结构，其特征在于，所述脚手架链为M13噬菌体基因组DNA。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的等离子体激元激子杂化结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
制备DNA杂化模板，制备金属纳米颗粒并使用DNA单链进行修饰；
将所述DNA杂化模板与DNA单链修饰的金属纳米颗粒混合，降温退火，纯化后得到所述等离子体激元激子杂化结构。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述DNA杂化模板与DNA单链修饰的金属纳米颗粒的质量比为1:(3～5)。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述混合步骤之后还包括加入终浓度为100-200mM的氯化钠的操作。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述降温退火的起始温度为40～50℃。
11.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述降温退火的降温速度为5～8min/℃。
12.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述降温退火的终止温度为20～30℃。
13.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述降温退火的循环次数为6次或7次。
14.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述纯化方法为使用琼脂糖凝胶电泳进行纯化。
15.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述DNA杂化模板的制备方法包括如下步骤：
将脚手架链、订书钉链和金属纳米颗粒捕捉链以质量比1:(5-10):(5-10)混合，以85～98℃为起始温度，以8-10min/℃的速度进行降温退火至20～30℃，采用超滤柱纯化，得到所述DNA杂化模板。
16.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备金属纳米颗粒并使用DNA单链进行修饰的方法包括如下步骤：
利用晶种诱导生长法制备金属纳米颗粒，使用氯化十六烷基三甲基铵作为表面活性剂活化；使用合成的硫代DNA单链替代氯化十六烷基三甲基铵，得到DNA单链修饰的金属纳米颗粒。
17.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
将脚手架链、订书钉链和金属纳米颗粒捕捉链以质量比1:(5-10):(5-10)混合，以85～98℃为起始温度进行降温退火至20～30℃，采用超滤柱纯化，得到所述DNA杂化模板；
利用晶种诱导生长法制备金属纳米颗粒，使用氯化十六烷基三甲基铵作为表面活性剂活化；使用合成的硫代DNA单链替代氯化十六烷基三甲基铵，得到DNA单链修饰的金属纳米颗粒；
将所述DNA杂化模板与DNA单链修饰的金属纳米颗粒以质量比为1:(3～5)的比例混合，以40-50℃为起始温度进行降温退火至20～30℃，循环5-10次，使用琼脂糖凝胶电泳进行纯化，得到所述等离子体激元激子杂化结构。
18.如权利要求1-6中任一项所述的等离子体激元激子杂化结构在人工捕光、无阈值激光或量子信息处理方面的应用。
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| CN111366998A (zh) | 2020-07-03 |
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