CN116285988A - 一种稀土-框架核酸纳米复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种稀土‑框架核酸纳米复合材料及其制备方法和应用，属于稀土生物材料技术领域。所述的稀土‑框架核酸纳米复合材料，包括框架核酸和沉积于框架核酸表面的稀土矿化层。本发明所述的稀土‑框架核酸纳米复合材料具有良好的生物相容性以及发光与催化特性。所述的制备方法将可自由设计纳米尺寸形状的框架核酸结构作为稀土矿化层的生长模板，引导稀土离子在其上吸附、沉积与生长形成稀土矿化层，实现了稀土生物材料的结构可设计性，对稀土生物材料在生物成像、生物治疗以及其他高技术领域中的应用和发展意义重大。
Description
技术领域
本发明涉及稀土生物材料技术领域，尤其涉及一种稀土-框架核酸纳米复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着纳米材料的发展，稀土纳米材料已经广泛应用于细胞成像、免疫分析和DNA检测等方面。其中，稀土纳米发光材料具有穿透深、背景干扰低、稳定性好等特性，常用于活体生物成像。此外，稀土元素还具有变价催化特性，可以抑制肿瘤细胞、清除机体内的自由基，使癌细胞微管结构发生转变，降低肿瘤的生长能力。因此，稀土纳米材料具有重要的研究意义和医学价值。然而，如何实现稀土上转换纳米粒子与生物识别分子的可控组装和结构精确调控仍是目前研究的难题。
传统的稀土纳米发光材料通常呈球形或对称实体形态，结构和功能的单一性限制了稀土生物纳米材料在生物成像治疗及其他高技术领域中的应用和发展。稀土与DNA多重配位以及框架核酸结构多样性引导的功能多样性有助于推动新型生物技术材料的发展。因此，研究开发基于框架核酸的稀土生物发光材料至关重要。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种稀土-框架核酸纳米复合材料及其制备方法和应用。所述的稀土-框架核酸纳米复合材料形状可控、分布均一。
为达到以上目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种稀土-框架核酸纳米复合材料，包括框架核酸和沉积于框架核酸表面的稀土矿化层。
本发明所述稀土-框架核酸纳米复合材料以框架核酸为模板，引导稀土离子在其上吸附、沉积与生长形成稀土矿化层。
上述框架核酸模板具有结构可设计性，可以通过改变DNA或RNA序列，实现框架核酸按照所设计的形状进行自组装从而形成预设结构。
本发明以框架核酸作模板，使得所述的稀土-框架核酸纳米复合材料的生物相容性大大提高。
在本发明的一些具体实施例中，所述框架核酸的形状包括但不限于棒状、三角形、方块、四面体形状中的一种或多种；更优选为棒状、三角形、四面体中的一种或多种。
本发明优选的，所述稀土矿化层选自稀土离子的无机盐、氧化物、氢氧化物中的一种或多种。
上述稀土离子的无机盐包括但不限于氯化盐、硝酸盐、硫酸盐、醋酸盐、草酸盐、磷酸盐等。
在本发明中，稀土矿化层由不同稀土离子按照不同比例进行混合掺杂，从而提供特定的发光与催化特性。
优选的，所述稀土离子选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc中的一种或多种；更优选的，所述稀土离子选自Ce、Yb、Er、Tm、Ho、Y、Sm、Dy、Tb、Eu中的一种或多种。
本发明所述的稀土-框架核酸纳米复合材料形状可控、分布均一，并且具有良好的生物相容性和特定的发光和催化特性。
本发明还提供了一种稀土-框架核酸纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：将框架核酸和矿化生长液混合均匀后，矿化生长液在框架核酸表面沉积生长形成稀土矿化层，从而制备得到稀土-框架核酸纳米复合材料。
本发明中所述矿化生长液为稀土离子与平衡离子的混合溶液。
本发明所述稀土离子通过静电作用、配位作用连接到框架核酸结构模板上，并在其表面沉积生长形成稀土矿化层。
优选的，所述稀土离子选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc中的一种或多种；更优选为Ce、Yb、Er、Tm、Ho、Y、Sm、Dy、Tb、Eu中的一种或多种。
在本发明中，框架核酸结构作为纳米尺寸的形状模板，引导稀土离子在其上进行沉积生长。框架核酸中核酸分子的碱基、磷酸基团与稀土离子间的静电相互作用、配位作用使稀土离子吸附在框架核酸结构模板上。然后，稀土离子无机盐(或氧化物或氢氧化物)在模板上继续沉积生长形成纳米结构。
由于稀土-框架核酸之间作用较强，过多的稀土离子会造成框架核酸模板结构的破坏，因此在矿化生长液中的平衡离子通过竞争实现稀土离子与核酸之间作用的有效减弱，既保证了稀土离子在模板上的缓慢吸附与沉积生长，又维持了框架核酸结构的稳定性，最终获得具有目标结构的稀土-框架核酸纳米复合材料。
优选的，所述平衡离子选自碱金属离子、碱土金属离子、过渡金属离子中的一种或多种。
所述碱金属离子更优选为钠离子或钾离子。
所述碱土金属离子更优选为镁离子或钙离子。
所述过渡金属离子更优选为铜离子或锌离子。
在本发明的一些具体实施例中，所述平衡离子选自镁离子或钙离子。
本发明优选的，所述框架核酸的浓度为1～100nmol/L；更优选为2～50nmol/L；进一步优选为4～25nmol/L。
在本发明中，矿化生长液中的稀土离子和平衡离子的比例需要控制在一定范围内，以保证稀土离子缓慢地在框架核酸模板上进行吸附沉积，且保证框架核酸模板的形貌能够稳定存在。
优选的，所述稀土离子的浓度为0.1～50mmol/L；更优选为0.5～10mmol/L。
优选的，所述平衡离子的浓度为1～100mmol/L；更优选为2～50mmol/L；进一步优选为4～25mmol/L。
优选的，所述稀土离子和平衡离子的摩尔比为(0.001～50)：1；更优选为(0.005～10)：1。
在本发明中，采用了三种形状的框架核酸模板、六种稀土元素组合、两种平衡盐。具体的，采用了棒状、三角形、四面体三种形状的框架核酸模板，Y/Yb/Er、Y/Yb/Tm、Y/Yb/Ho、Ce/Yb/Er、Ce/Yb/Tm、Ce/Yb/Ho六种稀土元素组合，氯化镁、乙酸镁两种平衡盐。
上述稀土-框架核酸纳米复合材料的制备方法中，试剂用量与比例、反应温度、反应时间、pH等条件都会对纳米复合材料的形貌产生影响。
优选的，所述反应温度为4℃～40℃。
优选的，所述反应时间为10min～30d。
优选的，所述pH为4～10。
制备稀土框架纳米结构的原料——稀土的用量不足，则在框架核酸模板上吸附生长过少，导致发光及催化效果较差；用量过大，则会破坏框架核酸结构导致模板形状丢失，并且矿化层会随机生长形成无序结构，最终导致无法形成预设形状的稀土框架纳米材料。
各种稀土元素的掺杂比例也会影响发光及催化效果。不同稀土元素具有不同的能级跃迁特性，因而能发出不同波长的光。不同稀土元素相互组合则引入了更多的能量传递模式，从而产生更优异的发光特性。因此，最终制备的稀土框架纳米结构的发光与催化性质主要取决于所采用的各种稀土元素的掺杂比例。
在本发明中的一些具体实施例中，选用Y/Yb/Er、Y/Yb/Tm、Y/Yb/Ho、Ce/Yb/Er、Ce/Yb/Tm、Ce/Yb/Ho六种稀土元素组合作为制备稀土框架纳米结构的原料，使得所述稀土-框架核酸纳米复合材料具有良好的发光与催化性质。
上述制备方法通过稀土离子沉积生长在结构可设计的框架核酸模板上制备得到所述的稀土-框架核酸纳米复合材料。
优选的，所述沉积生长的方法选自界面反应法或溶液反应法。
本发明所述的稀土-框架核酸纳米复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：
A)制备不同形状的框架核酸纳米结构。如：棒状、三角形、方块、四面体等形状的框架核酸。
B)界面反应法：在界面上吸附步骤A)所得的框架核酸纳米结构，然后进行稀土矿化生长。
采用的界面可以是硅片、玻璃片、云母片等平面介质。通过调节助吸附离子，诸如镁离子、钙离子、镍离子等的种类及浓度，辅助框架核酸纳米结构固定到介质平面上。随后将固定有框架核酸的平面浸泡到矿化生长液中。通过调控矿化生长液中稀土、平衡离子的浓度与溶液的pH、反应的时间、温度，使得稀土元素在框架核酸模板上沉积生长，形成目标稀土-框架核酸纳米复合材料。
采用上述界面吸附反应，可以将框架核酸模板以一定间隔排布在界面上，从而有效避免产物的聚集，且大大缩小了反应体系，有利于初始反应条件的摸索。但其产物的量低，难以大量制备，且产物固定在界面上，难以实现产物与界面的分离，因而一定程度上限制了产物的应用。
C)溶液反应法：直接将步骤A)所得的框架核酸纳米结构模板分散在溶液中，在溶液状态下进行稀土矿化生长。通过调控溶液中框架核酸、稀土离子、平衡离子的浓度与溶液的pH、反应的时间、温度，使得稀土离子以框架核酸纳米结构为模板进行沉积生长，最终形成继承了模板纳米结构的稀土-框架核酸复合材料。
采用上述溶液吸附反应，溶液中进行稀土-框架核酸纳米复合材料的制备，能够大批量获得目标产物，并易于拓展应用。但稀土矿化层易在溶液中随机成核生长，并且稀土矿化层生长速度不易控制从而导致过度生长，最终导致产物聚集，导致稀土-框架核酸纳米复合材料制备失败。但是，平衡离子的引入可有效改善这一问题，减缓稀土矿化层的沉积生长速度，保证稀土矿化层按照框架核酸模板进行生长。
本发明还提供了上述的稀土-框架核酸纳米复合材料或上述的制备方法制备的稀土-框架核酸纳米复合材料在高分辨率单颗粒荧光成像或纳米催化中的应用。
与现有技术相比，本发明提供的稀土-框架核酸纳米复合材料，包括框架核酸和沉积于框架核酸表面的稀土矿化层。本发明所述的稀土-框架核酸纳米复合材料具有良好的生物相容性以及发光与催化特性。所述的制备方法将可自由设计纳米尺寸形状的框架核酸结构作为稀土矿化层的生长模板，引导稀土离子在其上吸附、沉积与生长形成稀土矿化层，实现了稀土纳米材料的结构可设计性，对稀土纳米材料在生物成像及治疗中的应用和发展意义重大。
附图说明
图1为实施例1中的稀土-框架核酸纳米复合材料的合成示意图及透射电子显微镜图与高分辨荧光显微镜表征图；
图2为实施例1中不同形貌(棒状、三角和四面体)稀土-核酸纳米复合材料的原子力显微镜图；
图3为实施例2中稀土-框架核酸纳米复合材料的透射电子显微镜图；
图4为实施例2中的稀土-核酸纳米复合材料的荧光光谱及偏振荧光图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的稀土-框架核酸纳米复合材料及其制备方法和应用进行详细描述。
本发明通过将框架核酸纳米结构和稀土元素结合得到兼具良好的生物相容性和特殊的发光催化性能的稀土-框架核酸纳米复合材料。
在本发明中，所述框架核酸纳米结构可以由核酸分子(DNA或RNA)通过碱基互补配对自组装形成。
例如，常用的框架核酸纳米结构的组装基元为一条环形长单链DNA，以及约100-300条线状短单链DNA。环形长单链DNA为骨架链，线状短单链DNA为订书钉链。订书钉链与骨架链上的相应互补序列段落进行配对，并使得骨架链按照设计进行弯曲折叠并固定。多条订书钉链共同作用，将骨架链固定成预设形状，最终形成目标框架核酸纳米结构。
通过改变订书钉链的序列，可以自由设计最终组装形成的纳米形状。框架核酸具有纳米级精确的结构，由于组装元件核酸的序列、以及其在最终构成的框架核酸纳米结构中的位置完全已知，框架核酸具有优异的纳米尺度精确寻址特性。此外，由于其成分完全是生物大分子核酸，框架核酸纳米结构具有良好的生物相容性。
稀土元素具有独特的4f5d电子结构、丰富的能级，因而表现出特殊的电磁性质，特别在发光性能方面表现优异。当按照特定的稀土元素种类、比例进行掺杂，稀土纳米材料经过激发态吸收、能量传递及合作敏化作用可以表现出优异的上转换发光特性。
下述所用反应原料和溶剂均为普通市售产品。
实施例1
(1)框架核酸纳米结构的合成
将特定序列的订书钉单链DNA与骨架单链DNA溶解于pH＝7.4的TAE缓冲液中，并按照摩尔浓度10:1充分混合。通过程序性控温，在高温95℃时DNA双链变性解旋，低温25℃时单链互补链杂交形成双链，即可获得棒状(一维)，三角形(二维)和四面体(三维)的纳米框架核酸。最后通过100kDa分子量截留超滤，去除过量的订书钉链。利用吸光度测试计算出最终的框架核酸浓度，由于骨架浓度过高会导致聚集，通过调控骨架浓度，实现框架核酸浓度在1～100nmol/L。
(2)稀土-框架核酸纳米结构的溶液法制备
第一步：配置矿化生长液。矿化生长液为稀土离子与平衡离子的混合溶液，其中稀土离子选用稀土硝酸盐且Ce:Yb:Er＝89:10:1(摩尔比)，浓度为1mmol/L；平衡离子选用镁离子，浓度为10mmol/L。
第二步：在溶液中制备稀土-框架核酸纳米结构。将三种形状的框架核酸分别加入到矿化生长液中，37℃振荡孵育1～7天。通过超滤实现对稀土-框架核酸纳米结构的浓缩以及对分散液中的各种离子的去除，随后通过原子力显微镜、透射电子显微镜等手段进行表征。
图1为实施例1中的稀土-框架核酸纳米复合材料的合成示意图及透射电子显微镜图与高分辨荧光显微镜表征图；
所述框架核酸有三种形貌，分别为棒状(一维)，三角形(二维)和四面体(三维)。本发明以可自由设计的纳米尺寸形状的框架核酸作为稀土材料的生长模板，提高了稀土纳米材料的生物相容性。
图2为实施例1中不同形貌(棒状，三角形和四面体)的稀土-框架核酸纳米复合材料的原子力显微镜图，表明稀土-核酸纳米复合材料形状可控、分布均一。
实施例2
(1)框架核酸纳米结构的合成
将特定序列的订书钉单链DNA与骨架单链DNA溶解于pH＝7.4的TAE缓冲液中，并按照摩尔浓度10:1充分混合。通过程序性控温，在高温95℃时DNA双链变性解旋，低温25℃时单链互补链杂交形成双链，即可获得四面体结构的纳米框架核酸。最后通过100kDa分子量截留超滤，去除过量的订书钉链。利用吸光度测试计算出最终的框架核酸浓度，由于骨架浓度过高会导致聚集，通过调控骨架浓度，实现框架核酸浓度在1～100nmol/L。
(2)稀土-框架核酸纳米结构的界面辅助法制备
第一步：对平面介质进行清洁处理。对于云母片，只需要用胶带将表层云母揭去，暴露出下层洁净的云母平面即可。对于硅片、玻璃片等介质，将其浸泡在食人鱼洗液(Piranha Solution)(浓硫酸(95％-98％)与浓过氧化氢溶液(30％)按照体积比3:1混合)中10～30分钟，再用大量超净水冲洗，用氮气吹干。
第二步：将框架核酸纳米结构固定到介质平面上。在平面介质上滴一滴助吸附离子(镁离子、钙离子、镍离子等)的盐溶液，放置2min后，再将框架核酸纳米结构分散液滴在界面上。通过加入助吸附离子，提升了带有负电的核酸纳米结构与界面之间的吸附作用。
第三步：在界面上制备稀土-框架核酸纳米结构。矿化生长液为稀土离子与平衡离子的混合溶液，其中稀土离子选用稀土氯化物且Ce:Yb:Er＝89:10:1(摩尔比)，浓度为1mmol/L，其中，稀土氯化物在溶液中形成氯离子与稀土离子，稀土离子与DNA的磷酸基团结合形成稀土磷酸化物；平衡离子选用镁离子，浓度为10mmol/L。将介质上固定有框架核酸的一面浸泡在矿化生长液中，37℃振荡孵育1～7天。取出介质平面，用超纯水缓慢冲洗，晾干，随后通过原子力显微镜、扫描电子显微镜等手段进行表征。图3为实施例2中稀土-框架核酸纳米复合材料的透射电子显微镜图，所述纳米材料完全复制了框架核酸四面体的结构，Ce、Yb、Er元素均匀的分布在四面体上。
图4为实施例2中的稀土-核酸纳米复合材料的荧光光谱及偏振荧光，随发射偏振角的变化，单颗粒上转换发光强度发生周期性改变，利用高度偏振的晶体场跃迁谱线，实现了对单颗粒空间取向的动态分析，获得了单颗粒偏振荧光新特性。
综上表明，本发明所述的稀土-框架核酸纳米复合材料以不同形貌的框架核酸为模板，使稀土元素通过静电相互作用、配位作用连接到框架核酸结构模板上，进而通过沉积生长形成稀土矿化层，最终形成具有形状可控、分布均一，生物相容性、发光与催化特性较强的稀土-框架核酸纳米复合材料，可将其应用于细胞相关成像与治疗。本发明所述制备方法实现了稀土-框架核酸纳米复合材料的制备，与现有合成稀土纳米材料的手段相比(如传统溶剂热法、共沉淀法、热分解法等)，本发明在纳米尺寸稀土复杂结构的制备上具有明显突破。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种稀土-框架核酸纳米复合材料，其特征在于，包括框架核酸和沉积于框架核酸表面的稀土矿化层。
2.根据权利要求1所述的稀土-框架核酸纳米复合材料，其特征在于，所述稀土矿化层选自稀土离子的无机盐、氧化物、氢氧化物中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的稀土-框架核酸纳米复合材料，其特征在于，所述稀土离子选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc中的一种或多种。
4.一种稀土-框架核酸纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将框架核酸和矿化生长液混合均匀后，矿化生长液在框架核酸表面沉积生长形成稀土矿化层，从而制备得到稀土-框架核酸纳米复合材料；
所述矿化生长液为稀土离子与平衡离子的混合溶液。
5.根据权利要求4所述的稀土-框架核酸纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述稀土离子选自La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y、Sc中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的稀土-框架核酸纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述平衡离子选自碱金属离子、碱土金属离子、过渡金属离子中的一种或多种。
7.根据权利要求4所述的稀土-框架核酸纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述框架核酸的浓度为1～100nmol/L。
8.根据权利要求4所述的稀土-框架核酸纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述稀土离子的浓度为0.1～50mmol/L；
所述平衡离子的浓度为1～100mmol/L；
所述稀土离子和平衡离子的摩尔比为(0.001～50)：1。
9.根据权利要求4所述的稀土-框架核酸纳米复合材料的制备方法，其特征在于，所述沉积生长的方法选自界面反应法或溶液反应法。
10.权利要求1～3任一项所述的稀土-框架核酸纳米复合材料或权利要求4～9任一项所述的制备方法制备的稀土-框架核酸纳米复合材料在高分辨率单颗粒荧光成像或纳米催化中的应用。
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