DNA和聚合物核壳胶束的自组装及其应用

摘要

自组装用非共价力把小分子、大分子或纳米粒子组织成规则有序的组装体。纳米粒子的自组装以纳米粒子为组装单元，制造尺寸在几十纳米到几微米（甚至更大）的有复杂结构、规整形貌和特定功能的组装体，该尺度范围是化学合成和微加工难以达到的。本文第一章综述了纳米粒子的自组装并着重探讨了柔性对组装的调控作用。文献中，各向异性的纳米粒子的自组装最先开展。理论预测各向异性粒子的组装可形成各种各样的超结构。实验发现，和刚性的各向异性粒子相比，柔性的各向异性粒子更容易组装成规整的超结构，因为柔性粒子的溶剂化可以抵消粒子间各向同性的范德华作用对于组装的不利影响，且柔性粒子可通过调整形状和组分分布而组装得到能量最低的稳定的超结构。各向同性柔性粒子也可组装，组装时，粒子通过变形和组分重新分布，组装成各种规整的超结构。在超结构中，初级粒子是各向异性状的，柔性粒子在变形和组分重新分布时损失的熵由疏溶剂部分之间的相互作用来弥补。
　　向生命学习是纳米粒子自组装进展的动力之一。真核细胞的染色质是DNA和组蛋白粒子多级组装形成的，染色质的第一级结构是绳珠结构即DNA缠绕在组蛋白粒子上形成的线性结构，理论计算表明，绳珠结构是聚电解质和相反电荷纳米球相互作用体系的热力学稳定的结构。然而，DNA和正电纳米球体系的实验得到的是不规则的动力学受限的亚稳态产物。本文第二章选择聚乙二醇-嵌段，聚4-乙烯基毗啶（PEG-b-P4VP）核壳胶束和DNA相互作用，通过调控体系的静电作用强度，实现了DNA和聚合物核壳胶束的高度有序的自组装。自组装先形成和10 nm染色质纤维非常相似的DNA/胶束的绳珠结构，该绳珠结构是该阶段热力学稳定的结构;接着DNA和胶束进一步作用，绳珠缩短，绳珠上的胶束彼此靠近，然后胶束之间发生融合，形成规整的聚合物核壳纳米线，在纳米线上，DNA以螺线管状的构象缠绕在纳米线的圆柱状的核表面。绳珠的形成是DNA和胶束之间静电相互作用的结果，绳珠的形貌与结构和10 nm染色质纤维相似。胶束的融合是胶束核之间的疏水相互作用和新融合区域与连接处DNA的静电相互作用共同驱动的。绳珠上DNA对胶束的预组织是胶束融合的基础，这和10nm染色质丝折叠成30 nm染色质丝的物理化学是相似的。
　　DNA和聚合物核壳胶束的自组装被用作聚合物纳米线的制备（第二章的后半部分）。用单分散的线性DNA可制备单分散的聚合物纳米线，纳米线的长度由DNA的长度调控。用核较大的胶束和DNA组装，得到的纳米线较粗。纳米线的壳的组分由胶束的成壳嵌段决定。两种胶束和DNA组装得到二元纳米结构。以纳米线为模板可制备有机/无机杂化纳米线。克级的纳米线的制备可以通过提高原料的浓度和体积来实现。
　　用环形的质粒DNA和聚合物核-壳胶束的自组装，在第三章，我们制备了水溶性的单分散聚合物纳米环，纳米环的尺寸在很大的范围内可调，经化学交联后，纳米环可长期稳定。聚合物纳米环的尺寸可以通过原料（质粒大小和胶束大小）和组装条件（温度和pH）来控制。质粒越大，纳米环越大;胶束直径越大，纳米环越小。组装时的温度越高，DNA和胶束的静电作用越弱，DNA在胶束上缠绕的就越少，得到的纳米环越大;pH越高，静电作用越弱，得到的纳米环越大。
　　在第四章中，我们发展了用DNA和嵌段共聚物制备聚合物纳米线的新途径。在嵌段共聚物胶束化的临界含水量之前，先混合两嵌段共聚物溶液和DNA溶液，再加入选择性溶剂水使嵌段共聚物发生胶束化，组装得到了规整的聚合物纳米线。我们用几万个碱基对的线性DNA为原料制备了长度微米级的聚合物纳米线，并用光散射和透射电镜跟踪了聚合物纳米线的形成过程，在胶束化之前，先形成以DNA为骨架、两嵌段共聚物为臂的非共价接枝物;胶束化时，两嵌段共聚物在DNA上发生聚集形成纳米线，胶束化的临界含水量比单纯的两嵌段共聚物的要低，说明纳米线的形成是疏水相互作用和静电相互作用共同驱动的。第四章的新途径（后胶束化途径）和第二章的DNA和胶束自组装（先胶束化途径）使用的原料是相同的，选择的制备途径不同，结果都得到聚合物纳米线，这说明聚合物纳米线是该体系热力学稳定的产物。后胶束化途径制备纳米线的速度比先胶束化途径要快。碘掺杂的季铵化的P4VP是导电的，碘被还原后，聚合物变绝缘，我们据此构筑了基于纳米导线的微器件，利用碘和SO2的氧化还原反应，用电流-电压曲线测试来检测SO2气体，可以检测到0.4 mg/L的气体浓度。检测完后，微器件上的碘离子在空气中被氧化成碘，纳米线导电性恢复，器件可重复使用。
　　以聚合物纳米线为模板，进行有机/无机杂化可以得到功能纳米材料。第五章中，我们在带正电的交联的聚合物纳米线上进行介孔二氧化硅的杂化，得到了三维网络状的杂化纳米线的超结构，超结构是杂化过程中静电中和导致纳米线团聚而成的。超结构内部有几十纳米的线堆积孔，有利于分子在超结构内的扩散，杂化纳米线上的介孔二氧化硅可以吸附有机染料，而且杂化纳米线上有PEG高分子刷，可抵抗蛋白质的非特异性吸附。利用这三点性质，我们把超粒子用于蛋白-染料连接物的纯化，即去除蛋白-染料连接物反应液中游离的染料。在蛋白-罗丹明B的模型体系中，罗丹明B被完全去除的情况下，牛血清白蛋白和人免疫球蛋白的收率分别为98％和97％，纯化所需时间少于10 min。和现有的葡聚糖凝胶柱分离、透析、高效液相色谱和沉淀再溶解等方法相比，我们的方法是简单、高效、快速而且廉价的。
　　第六章中，我们制备了三种类型的无机粒子/聚合物杂化纳米线。1.以DNA和核中含超顺磁性Fe3O4粒子的胶束的自组装，我们制备了磁性的杂化纳米线，杂化纳米线含有上百个磁性纳米粒子，组装体仍保持超顺磁性，与组装单元相比，组装体在磁场下有更好的可操控性。2.在聚合物核壳纳米线上进行氯金酸的原位还原，制备了金纳米粒子/聚合物杂化纳米线。3.以DNA-金纳米粒子连接物和聚合物核壳胶束的自组装，制备了金粒子封端的聚合物纳米线和金粒子为核的多臂纳米结构。
　　第七章中，改变聚合物核壳胶束的成壳嵌段的成分，我们制备了杂壳聚合物纳米线、温度敏感聚合物纳米线和壳层含环糊精的聚合物纳米线。

目录

摘要

第一章 纳米粒子的自组装的任务

1．1 什么是自组装?

1．2 自组装的任务

1．3 纳米粒子的自组装-介绍

1．4 纳米粒子的自组装的分类

1．5 各向同性刚性粒子的自组装

1．6 各向异性刚性粒子的自组装

1．6．1 刚性的补丁粒子的制备和自组装

1．6．2 刚性的不对称粒子的制备和自组装

1．6．3 强的作用诱导的各向异性刚性粒子的自组装

1．7 各向异性柔性粒子的自组装

1．7．1 柔性的不对称粒子的自组装

1．7．2 柔性的补丁粒子的制备和自组装

1．8 各向同性柔性粒子的自组装

1．8．1 核-核偶合驱动的自组装

1．8．2 壳-壳作用诱导的自组装

1．9 小结和展望

参考文献

第二章 DNA和聚合物胶束的自组装

2．1 生命体中的粒子的自组装

2．2 染色质形成中涉及的物理化学

2．2．1 聚电解质和纳米球的相互作用

2．2．2 预组织(preorganization)

2．3 我们的体系-DNA和聚合物核壳胶束的自组装

2．4 聚乙二醇-嵌段-聚4-乙烯基吡啶(PEG-b-P4VP)在甲醇／水混合溶剂中的核壳胶束

2．5 DNA和PEG-b-P4VP胶束的静电相互作用

2．6 DNA和PEG-b-P4VP胶束的自组装

2．7 DNA和胶束的自组装的物理化学(和染色质形成的比较)

2．8 聚合物纳米线的可控合成

2．9 和其他的聚合物纳米线的合成方法相比较

2．10 本章小结

2．11 实验部分

参考文献

第三章 聚合物纳米环的可控合成

3．1 纳米环的制备

3．1．1 线性物体关环法

3．1．2 刚性或半刚性物体的盘绕法

3．1．3 扩环法

3．1．4 模板法

3．1．5 其他方法

3．2 各种制备纳米环的方法的优缺点

3．3 我们的方法-环形DNA和聚合物核壳胶束的自组装

3．4 单分散的纳米环的制备和表征

3．5 胶束直径的大小调控环的大小

3．6 质粒的大小调控环的大小

3．7 温度调控环的大小

3．8 pH调控环的大小

3．9 项链状中间体和质粒的环内张力

3．10 本章小结和进一步工作

参考文献

第四章 长的聚合物纳米线的制备及其在SO2气体检测上的应用

4．1 长的聚合物纳米线的用处

4．2 长的聚合物纳米线的制备

4．3 SO2的检测

4．4 我们的方法-DNA模板胶束化

4．5 制备方法

4．6 混合物的散射光强随含水量增加的变化-光散射法跟踪

4．7 不同含水量下的物体形貌-冻干制样的透射电镜跟踪

4．8 DNA模板胶柬化的机制的讨论

4．9 长的聚合物纳米线的表征

4．10 碘掺杂赋予交联的聚合物纳米线导电性

4．11 基于氧化还原反应的SO2的检测

4．12 本章小结

4．13 实验部分

参考文献

第五章 PEG覆盖的介孔／大孔两套孔的多孔材料的制备及其在蛋白-染料连接物纯化上的应用

5．1 蛋白-染料连接物的应用和纯化方法

5．2 多孔吸附剂除染料

5．3 PEG刷抗非特异性蛋白吸附

5．4 我们的工作-PEG覆盖的介孔／大孔两套孔的吸附剂的制各和使用

5．5 模板的制备-聚合物纳米线的制备和交联

5．6 超结构的形成-浊度和电镜的跟踪

5．7 超结构的结构表征

5．8 超结构的形成机制

5．9 超结构的性能表征

5．10 在模型体系的应用

5．11 本章小结

5．12 实验部分

参考文献

第六章 无机粒子／聚合物杂化纳米线的制备

6．1 DNA和磁性胶束的自组装

6．1．1 纳米粒子的自组装-性质的保持和增强

6．1．2 超顺磁性的无机纳米粒子

6．1．3 我们的方法-DNA和磁性胶束的组装

6．1．4 四氧化三铁纳米粒子的制备

6．1．5 配体交换法制备PDMA-b-P4VP稳定的Fe3O4粒子

6．1．6 磁性粒子的杂化胶束的制备

6．1．7 DNA和磁性胶束的自组装

6．1．8 实验部分

6．2 聚合物纳米线上的原位反应制备无机粒子／聚合物杂化纳米线

6．2．1 原位反应制备杂化体的背景

6．2．2 以聚合物纳米线为模板的原位反应

6．2．3 实验部分

6．3 DNA-金粒子连接物与聚合物核壳胶束的自组装

6．3．1 PCR技术

6．3．2 DNA折纸术

6．3．3 复杂形貌DNA和胶束发生规整组装的可行性

6．3．4 我们的工作

6．3．5 实验部分

参考文献

第七章 聚合物纳米线的壳层的调变

7．1 杂壳聚合物纳米线

7．1．1 PEG／PDMA为壳P4VP为核的球形杂壳胶束的制备和表征

7．1．2 PEG／PDMA杂壳聚合物纳米线的制备及其性质

7．2 LCST高分子为壳的纳米线

7．2．1 PNIPAM-b-P4VP的RAFT合成

7．2．2 PNIPAM为壳、P4VP为核的聚合物纳米线的制备

7．3 壳层含环糊精的聚合物纳米线

7．3．1 P(DMA-co-tBA)-b-P4VP的RAFT合成

7．3．2 P(DMA-CO-CD)-b-P4VP的制备

7．3．3 壳层含环糊精的聚合物纳米线的制备

参考文献

全文总结和展望

博士期间发表论文

致谢

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