纳米杂化结构的DNA控制自组装及功能DNA纳米机器的研究

摘要

DNA在纳米自组装研究中日益受到重视，这主要得益于其所具有的三个最主要特性：(1) DNA是一种可以自动化人工合成的天然纳米尺度材料；(2)现已积累了大量关于DNA操控，修饰和剪裁等分子生物学技术；(3) DNA具有可编程的碱基互补配对杂交与自组装的能力。本论文工作正是充分利用DNA的以上一些特性实现了纳米金和单壁碳纳米管之间的可控自组装，同时设计并构造了能行使接近实际操作功能的DNA纳米镊装置。具体来说，本博士论文主要进行了三方面的研究。 (1)成功地在DNA缠绕的单壁碳纳米管上组装了能在水中稳定分散的纳米金/碳纳米管一维杂化阵列结构。这项工作巧妙地应用了DNA碱基与碳纳米管之间的非共价π-π相互作用(由杜邦研究及发展中心的Zheng等人先前建立)和巯基分子在金纳米粒子表面的键合能力，以DNA缠绕的单壁碳纳米管作为一种新型的自组装模板，构筑出金纳米粒子与碳纳米管之间的线性杂化阵列结构。得益于碳纳米管模板的良好刚性，我们得到的金纳米粒子一维线性阵列保持了优良的结构与形状，很好地克服了以软模板，如双螺旋DNA等，组装纳米粒子阵列时容易发生的自缠绕和自交联等问题。研究中通过琼脂糖凝胶电泳对组装产物进行了纯化和初步确认。所得纯化样品进一步通过原子力显微镜进行详细表征，得到了关于组装正确性和组装效率的直接证据。由于金纳米粒子和单壁碳纳米管优异的化学和结构稳定性以及丰富的物理和化学性质，这种新颖的线性纳米杂化阵列可望进一步用于新型生物传感器、纳米电子/光电子器件以及纳米催化等研究。 (2)通过一种特殊的碱基配对模式，即Hoogsteen氢键稳定的DNA三螺旋结构，我们设计并构建了可模拟特定机械操作的DNA纳米机器--DNA纳米镊。优于以往构建的各种类似器件，我们得到的这种新型的纳米镊可以在纳米尺度上实现对特定目标物的识别、捕获、夹持和释放等一系列操作。我们应用非变性聚丙烯酰胺凝胶电泳结合荧光共振能量转移效应，对上述纳米镊的功能成功地进行了演示。本工作为将DNA纳米镊从纯粹概念的演示推进到开发接近实际功能的应用这一DNA纳米机器研究的长远目标迈出了重要的一步。接下来的研究将会尝试对该DNA分子镊进一步集成并利用现场成像技术对其操作过程进行直接监控。 (3)利用一种非常简单易得的小分子，乙二胺，通过改变溶液的pH来调控乙二胺分子的质子化过程，从而对其与纳米粒子间的静电相互作用进行简单而有效的控制。基于此，我们分别实现了金纳米粒子和单壁碳纳米管在聚集和分散两种状态间的可逆切换。通过测量分散和聚集态的纳米金溶液在可见光区的特征吸收对这一过程进行了实时监测，利用透射电子显微镜，动态光散射以及凝胶电泳等方法对聚集和分散过程中纳米金的状态变化进行了表征。对于DNA缠绕修饰的单壁碳纳米管，我们采用离心加速沉降法直接观察其分散状态随pH控制而发生的变化。这种调控纳米粒子聚集-分散状态的方法无需对纳米粒子进行特殊的表面修饰，主要依赖于乙二胺分子的质子化过程和纳米粒子表面的电荷属性，因此是一种极其简单而且通用的方法。该体系的深入研究将为进一步构筑具备分子传感功能的智能纳米结构提供了一种非常便捷有效的新策略。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、缩写表

声明

第一章绪论

1.1 DNA纳米技术

1.1.1 DNA纳米技术概述

1.1.2 DNA自组装周期性纳米阵列

1.1.3 DNA折纸术

1.1.4其它重要DNA自组装纳米结构

1.1.5 DNA纳米电子学

1.1.6 DNA辅助的纳米制造

1.1.7 DNA纳米技术展望

1.2 DNA的纳米杂化自组装

1.2.1 以DNA纳米阵列为模板组装纳米粒子的有序结构

1.2.2以DNA分子为组装“助手”引导纳米粒子可控自组装

1.3 DNA分子纳米机器

1.3.1 扭转式DNA纳米机器

1.3.2伸缩式DNA纳米机器

1.3.3 DNA行走机器

1.3.4 DNA纳米镊的研究

1.4本论文课题的提出和主要研究内容

参考文献

第二章纳米金在单壁碳纳米管上一维可控自组装

2.1 引言

2.1.1 DNA分子导向的纳米金自组装

2.1.2 DNA缠绕分散的碳纳米管用于纳米自组装的可行性

2.1.3碳纳米管为模板组装纳米金的一些已有手段

2.1.4纳米金与碳纳米管组装复合物的潜在应用

2.2实验部分

2.2.1仪器与装置

2.2.2实验材料和试剂

2.2.3组装原理

2.2.4 SWNT模板的制备与纯化

2.2.5纳米金在SWNTs上的组装及相应产物的纯化

2.2.6 AuNPs-SWNT线性组装结构的原子力显微镜观察

2.3 结果与讨论

2.3.1 第一次离心所得SWNT-L模板的AFM分析

2.3.2 AuNPs-SWNT组装结构的电泳纯化结果

2.3.3 AuNPs-SWNT组装结构的原子力显微镜证据

2.3.4 18 nm直径的AuNPs在SWNT-L上的组装实验

2.3.5 AuNPs在碳纳米管上的组装密度研究

2.3.6基于DNA杂交过程在SWNT上组装纳米金的可行性

2.3.7 DNA-SWNT离心分离过程的进一步讨论

2.3.8本实验发展的组装结构的纯化及分离方法

2.4本章小结

参考文献

第三章 功能DNA纳米镊的自组装构造

3.1 引言

3.2实验部分

3.2.1仪器与装置

3.2.2药品与试剂

3.2.3 DNA纳米镊的结构、功能及操控原理

3.2.4实验方法

3.3结果与讨论

3.3.1 DNA纳米镊组装温度的选定

3.3.2 DNA纳米镊结构的逐步组装实验

3.3.3 DNA纳米镊成功捕捉目标物的实验证据

3.3.4 DNA纳米镊的开关过程对捕获目标物构象变化的控制

3.3.5 DNA纳米镊对目标物进行可控夹持和释放的pH选择

3.3.6 DNA纳米镊对目标物实施多次夹持与释放过程的实验演示

3.3.7 DNA纳米镊对目标物识别的特异性

3.4本章小结

参考文献

第四章pH控制纳米金及单壁碳纳米管三维可逆自组装

4.1 引言

4.2实验部分

4.2.1仪器与装置

4.2.2实验材料和试剂

4.2.3组装原理

4.2.4表征与测试

4.3结果与讨论

4.3.1 pH控制金纳米粒子聚集状态的光学吸收表征

4.3.2 乙二胺存在时金纳米粒子的水力学半径及吸收峰波长

4.3.3聚集及分散状态金纳米粒子的透射电子显微镜分析

4.3.4金纳米粒子多次聚集-分散循环后的稳定性

4.3.5纳米金配体对pH控制可逆聚集的影响

4.3.6氯化钠对金纳米粒子聚集-分散循环的影响

4.3.7单壁碳纳米管聚集-分散状态的pH调控

4.4本章小结

参考文献

附录：纳米金与单壁碳纳米管可逆自组装缓冲液

致谢

在读期间发表的学术论文与其它研究成果