非“金”纳米材料的核酸功能化方法研究及小分子在自组装中的应用

【摘要】利用DNA分子修饰各种纳米材料,并实现其程序化自组装是DNA纳米技术的重要研究内容之一。碳纳米管具有优良的电学、光学等性质,但是由于其疏水难溶,限制了生物、传感等方面的应用。使用单链DNA能够有效地分散碳纳米管,因此,研究碳纳米管表面DNA粘性末端的杂交性能,将为后续的应用提供很好的基础。金属铂是一种良好的催化材料,尝试铂纳米粒子的DNA修饰,将为探索和开发基于铂纳米材料的各种应用奠定坚实的基础。另外,利用常见的小分子、离子对纳米材料的聚集状态进行有效调控,将为发展新型化学逻辑运算以及构建纳米粒子离散型组装结构提供新的思路和技术途径。本博士论文围绕以上几个方面开展研究工作,具体如下：利用单链DNA缠绕分散得到稳定的单壁碳纳米管水溶液,以此为基础我们重点研究了提高碳管表面DNA粘性末端杂交活性的有效方法。通常情况下,单链DNA由于吸附在碳纳米管表面,其杂交活性受到明显的抑制。通过在单链DNA和碳纳米管表面插入一段间隔双链,能够大大提高其杂交活性。在此基础上利用DNA序列互补配对杂交和DNA链置换反应实现了单壁碳纳米管分散与聚集态的可逆调控。我们还进一步尝试了这种新型自组装模块在各方面的应用：(1)基于DNA碱基互补配对原理,成功实现了金纳米粒子在单壁碳纳米管表面的一维线性组装,构建得到AuNP-SWNT一维杂化材料；(2)基于SWNT-DNA在聚集状态下不能进入凝胶的实验现象,初步设计了简单的DNA检测探针；(3)以DNA多功能化单壁碳管作为组装过程的交联剂,制备出含有碳纳米管的杂化型DNA水凝胶。这种新型的DNA功能化单壁碳纳米管自组装模块可用于设计制备各种基于SWNT的杂化组装材料以及分子探针等。通过硼氢化钠还原以及BSPP配体交换,制得了粒径均匀分布且具有良好稳定性的铂纳米粒子。利用巯基作用,实现了铂纳米粒子的DNA分子修饰。结合琼脂糖凝胶电泳和电洗脱技术,成功实现了不同“价态”Pt-DNA复合物的分离与纯化。利用这些具有单一稳定“价态”的纯化产物Pt-xDNA(x=1,2,3)以及相应金纳米粒子的特定价态修饰产物,构建了多种离散型Au-Pt异质组装体以及Au-Pt核-卫星结构。本工作首次实现了金以外的其他金属纳米粒子的DNA”价态”控制修饰与分离纯化,并成功实现Au-Pt异质结构的价态控制组装,为基于DNA纳米技术发展结构、组成和性能可控的纳米杂化材料迈出了重要的一步。基于二硫苏糖醇(DTT)、锌离子(Zn2+)和金纳米粒子之间的配位、静电以及金-巯基相互作用,实现了金纳米粒子分散与聚集态的新型化学逻辑调控(XOR、INHIBIT),构建了可视化的二进制半减法器,并且通过引入阳离子染料替代金纳米粒子得到AND逻辑门,进一步实现了可视化的二进制半加法器。该方法为发展简便的化学逻辑器件以及构建多响应的均相化学传感器提供了新的思路。利用银离子和BSPP分子的配位连接作用,构建得到BSPP-AuNP的离散型组装结构,采用琼脂糖凝胶电泳对特定结构的产物进行了有效的分离和纯化。这些组装结构具有良好的稳定性以及极高的组装正确率,非常适合进一步用于DNA修饰以及多层次纳米结构的组装。该方法具有简单、方便、成本低、正确率高,以及产物稳定性好和粒子间光学偶联作用强等一系列优点,从而可望在等离激子共振耦合、表面增强拉曼散射以及纳米催化等方面获得重要用途。
【作者】李育林；
【导师】邓兆祥；
【作者基本信息】中国科学技术大学，分析化学，2012，博士
【关键词】DNA；单壁碳纳米管；自组装；价态控制；铂纳米粒子；金纳米粒子；杂化结构；离散型；银离子；可视化；逻辑门；

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