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一种新型核壳结构纳米粒子及其制备方法

摘要

本发明公开了一种新型核壳结构纳米粒子,制备方法为:(1)将CTAB溶液加入到容器中,加入HAuCl4溶液,再加入NaBH4溶液,得到晶种;将CTAB溶液加入到另一容器中,依次加入HAuCl4溶液,硝酸银溶液,L‑AA溶液,晶种,制得纳米金棒;(2)纳米金棒的DNA修饰,得到巯基化DNA稳定保护的纳米金棒;(3)将纳米金棒离心,溶解于CTAB溶液中,依次加入SDS溶液,硝酸银溶液,L‑AA溶液,静置即得。本发明的纳米粒子,具有非常好的稳定性,核壳结构两端的银覆盖非常薄,所连接DNA单链会大部分裸露在外,尖端部分具有更高的表面等离子体效应,在生物光电子学、生物纳米检测等领域具有巨大的应用价值。

著录项

  • 公开/公告号CN107243629A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2017-10-13

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 山东博奥克生物科技有限公司;

    申请/专利号CN201710434566.9

  • 申请日2017-06-09

  • 分类号B22F1/00(20060101);B22F1/02(20060101);B22F9/24(20060101);B82Y40/00(20110101);

  • 代理机构37245 济南鼎信专利商标代理事务所(普通合伙);

  • 代理人彭成

  • 地址 252000 山东省聊城市高新区湖南路东首

  • 入库时间 2023-06-19 03:31:36

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2019-01-22

    授权

    授权

  • 2017-11-10

    实质审查的生效 IPC(主分类):B22F1/00 申请日:20170609

    实质审查的生效

  • 2017-10-13

    公开

    公开

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型核壳结构纳米粒子及其制备方法,属于纳米生物学和纳米药物学领域。

背景技术

金作为重金属材料在公元前5世纪首次被提取出来,当金被分成低于100nm大小的金纳米粒子金时变得更加珍贵。金纳米粒子(gold nanoparticle)即指金的微小颗粒,其直径在1~100nm,金纳米粒子具有较高的电子云密度、介电特性和催化作用,具有很好的生物相容性,能与多种生物大分子结合,且不影响其生物活性。直径在纳米级别的金纳米粒子,基本单元都是微小尺寸的粒子,具有很多宏观金所没有的物理特性,例如光学效应、表面效应、小尺寸效应、介电限域效应、宏观量子隧道效应以及一些其他的特殊效应。金纳米粒子的特殊效应使得金纳米粒子广泛应用于材料、医学检验、疾病治疗等研究领域。

金纳米粒子因其优良的诸多效应,深受研究者的热爱,目前研究最充分的是纳米金球和纳米金棒。纳米金锥作为一种新型的金纳米粒子,前期由于其合成制备方法不是很成熟,因此纳米金锥的性质研究很多还停留在理论研究阶段。目前研究者利用种子生长法,通过控制合成过程中的温度因素,得到了均一性非常好的单分散纳米金锥颗粒,为纳米金锥研究的快速推进奠定了基础。

金属纳米粒子的等离子模型取决于纳米粒子的形状、大小、组成和所处环境。拉伸的纳米粒子是光学研究的理想纳米粒子,通过改变颗粒的长径比调节它的光谱。与纳米金棒相比,纳米金锥的在两端的尖端部分有更大的曲率,尖端部分的场增强更大,纳米金锥拥有超越纳米金棒的等离子体性质。纳米金锥首次被人们发现,是作为纳米金棒合成的副产物存在的,研究人员利用FDTD等理论计算研究表明纳米金锥的表面等离子体性质要高于纳米金棒的表面等离子体性质。理论计算表明纳米金锥在表面等离子体共振、拉曼增强等领域具有重大的研究价值,将对生物成像、光电装置、癌症治疗等方面的应用起到巨大的促进作用。

目前拉曼增强机理普遍认同的主要有两种模式:物理增强模式和化学增强模式。物理增强模式又称表面等离子体共振模型;化学增强模式主要是基于技术表面吸附分子的化学性质以及分子和表面的环境的拉曼增强。物理增强模型和化学增强模型二者有区别,同时又相互补充,一般在拉曼增强中,二者同时存在。人们在研究拉曼增强的机理引导下,合成各种形态的纳米溶胶,如纳米棒、纳米线、纳米花、三角形和正方形等。核壳型纳米结构已成为研究热点,金银核壳结构是研究和应用比较多的核壳结构,它综合了金溶胶的粒径均匀、稳定、生物相容性好的特点,同时又拥有银的高拉曼增强效应,因此银包金的核壳结构具有非常大的研究价值。

目前银包金核壳结构研究比较热的主要集中在球形和棒状核壳结构,类似于纳米金锥形和星状的核壳结构相对较少。目前方法制备出来的金银核壳结构表面被一层薄薄的银覆盖,会对后续的一些生物修饰存在影响。

发明内容

针对上述现有技术,本发明提供了一种新型核壳结构纳米粒子及其制备方法。本发明的新型核壳结构纳米粒子,外形类似于纳米金锥的结构,具有极强的表面等离子体共振效果;结构表面覆盖一层银的薄膜,具有银纳米粒子极强的拉曼增强效果;为便于修饰的金银核壳结构,便于后续的应用研究;为特异性修饰的纳米粒子,实现了一维纳米粒子的特异性端部修饰,为性能优异的头对头结构(head-to-head)。本发明的方法利用带巯基的DNA单链保护的纳米金棒作为核心,在一定环境下,利用还原剂L-AA还原硝酸银生长制备银包金核壳纳米粒子,该核壳结构外形类似于纳米金锥,核壳结构周身被部分裸漏的DNA端部保护,两端银纳米层覆盖较薄,大部分裸漏在外,既可以起到保护作用,又可以利用碱基互补配对实现特殊结构的制备,核壳结构性质稳定,在生物光电子、生物纳米检测等领域具有巨大的应用价值。

本发明是通过以下技术方案实现的:

一种新型核壳结构纳米粒子,是通过以下方法制备得到的:

(1)纳米金棒的制备:室温下,将10~15ml的0.1mol·L-1的CTAB溶液加入到反应容器(20ml圆底烧瓶)中,再加入50~80ul的50mmol·L-1的HAuCl4溶液,快速搅拌1分钟;然后迅速加入0.6~1.0ml的10mmol·L-1NaBH4溶液,快速搅拌1分钟,得到晶种;

将30~40ml的0.1mol·L-1的CTAB溶液加入到另一反应容器(50ml圆底烧瓶)中,适当速度搅拌下(边搅拌边加入,以混合均匀),加入230~250ul的50mmol·L-1的HAuCl4溶液,然后加入230~250ul的10mmol·L-1的硝酸银溶液,再加入150~180ul的0.1mol·L-1的L-AA溶液(抗坏血酸溶液),此时溶液由浅黄色变为无色,最后加入90ul晶种,搅拌1分钟,静置4小时,溶液颜色由无色变为棕灰色,制得纳米金棒;

所述NaBH4溶液,需使用前配制,配制后置于-20℃冰箱中放置10分钟,待用;

(2)纳米金棒的DNA修饰:室温下,将上述制备的纳米金棒8000~10000rpm离心10~20mins,弃除上清液,溶于0.2%(质量百分数)SDS溶液中,用盐酸调节溶液pH至3±0.5,加入5×TBE缓冲液,使得其终浓度为1×TBE,然后加入NaCl溶液至NaCl终浓度为500mmol·L-1,最后加入巯基化DNA,巯基化DNA与纳米金棒的重量比为500~10000:1,混匀,静置5分钟,得到巯基化DNA稳定保护的纳米金棒;

所述巯基化DNA的序列为5’SH-AAA AAA AAA AAA AAA(5’端为巯基,核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示);

本发明所用巯基化DNA(巯基化DNA序列为5’SH-AAA AAA AAA AAA AAA),委托上海生工生物工程股份有限公司合成,经HPLC纯化,为冻干粉,使用前溶解于超纯水中,备用;

(3)将上述得到的巯基化DNA稳定保护的纳米金棒8000~10000rpm离心10~20mins,以除掉溶液中多余离散巯基化DNA,溶解于0.05M CTAB溶液中,加入1%SDS溶液使SDS终浓度为0.05~0.1%(质量分数),再加入硝酸银溶液(金、银的摩尔比在1:0.8~1:1.5),最后加入还原剂L-AA溶液(银与L-AA的摩尔比为1:12~1:18),混匀,静置3小时,即得新型核壳结构纳米粒子——银包金纳米核壳结构纳米粒子。

本发明的新型核壳结构纳米粒子,具有非常好的稳定性,在溶液中加入NaCl,浓度达到1摩尔每升时,仍保持稳定存在,不发生聚集沉淀,便于后续的相关研究。Au-Ag核壳结构的透射电镜如图2所示,核壳结构两端的银覆盖非常薄,因此作为核心的纳米金棒所连接DNA单链会大部分裸露在外,一方面作为保护基团,使核壳结构性质稳定,另一方面可以利用DNA双螺旋结构的碱基配对原理,实现核壳结构两端修饰的一维特性。不同于一般的金纳米颗粒、金银核壳结构等纳米粒子,因其修饰无方向性,不能实现特异性修饰,难于实现类似于头对头(head-to-head)这种结构。研究人员利用FDTD等理论计算研究发现,尖锐的纳米粒子表面电子集中,表面等离子体共振效果强于纳米粒子的缓钝区域。头对头纳米结构是两个纳米粒子尖锐部分接近的结构,能够实现更强的纳米粒子表面等离子体共振。本发明的新型核壳结构纳米粒子,研究表明纳米粒子尖端部分具有更高的表面等离子体效应,因此纳米粒子的定向修饰在生物光电子学、生物纳米检测等领域具有巨大的应用价值。

附图说明

图1:核壳结构制备示意简图。

图2:Au-Ag核壳结构投射电镜图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

下述实施例中所涉及的仪器、试剂、材料等,若无特别说明,均为现有技术中已有的常规仪器、试剂、材料等,可通过正规商业途径获得。下述实施例中所涉及的实验方法,检测方法等,若无特别说明,均为现有技术中已有的常规实验方法,检测方法等。

实施例1 制备新型核壳结构纳米粒子

制备过程如图1所示,步骤如下:

(1)纳米金棒的制备:室温下,将10ml的0.1mol·L-1的CTAB溶液加入到容器(20ml圆底烧瓶)中,再加入50ul的50mmol·L-1的HAuCl4溶液,快速搅拌1分钟;然后迅速加入0.6ml的10mmol·L-1NaBH4溶液,快速搅拌1分钟,得到晶种;

将30ml的0.1mol·L-1的CTAB溶液加入到另一容器(50ml圆底烧瓶)中,适当速度搅拌下(边搅拌边加入,以混合均匀),加入234ul的50mmol·L-1的HAuCl4溶液,然后加入234ul的10mmol·L-1的硝酸银溶液,再加入150ul的0.1mol·L-1的L-AA溶液(抗坏血酸溶液),此时溶液由浅黄色变为无色,最后加入90ul晶种,搅拌1分钟,静置4小时,溶液颜色由无色变为棕灰色,制得纳米金棒;

所述NaBH4溶液,使用前配制,配制后置于-20℃冰箱中放置10分钟,待用;

(2)纳米金棒的DNA修饰:室温下,将上述制备的纳米金棒8000rpm离心15min,弃除上清液,溶于0.2%(质量百分数)SDS溶液中,用盐酸调节溶液pH至3,加入5×TBE缓冲液,使得其终浓度为1×TBE,然后加入NaCl溶液至NaCl终浓度为500mmol·L-1,最后加入巯基化DNA(巯基化DNA与纳米金棒的重量比为2000:1),混匀,静置5分钟,得到巯基化DNA稳定保护的纳米金棒;

本发明所用巯基化DNA,序列为5’SH-AAA AAA AAA AAA AAA,委托上海生工生物工程股份有限公司合成,经HPLC纯化,为冻干粉,使用前溶解于超纯水中,备用;

委托上海生工生物工程股份有限公司合成,经HPLC纯化,为冻干粉,使用前溶解于超纯水中,备用;

(3)将上述得到的巯基化DNA稳定保护的纳米金棒8000rpm离心15min以除掉溶液中多余离散DNA,溶解于0.05M CTAB溶液中,加入1%SDS溶液使SDS终浓度为0.05%(质量分数),再加入硝酸银溶液(金、银的摩尔比在1:1),最后加入还原剂L-AA溶液(银与L-AA的摩尔比为1:15),混匀,静置3小时,即得新型核壳结构纳米粒子——银包金纳米核壳结构纳米粒子。

本发明的新型核壳结构纳米粒子,具有非常好的稳定性,在溶液中加入NaCl,浓度达到1摩尔每升时,仍保持稳定存在,不发生聚集沉淀,便于后续的相关研究。Au-Ag核壳结构的透射电镜如图2所示,核壳结构两端的银覆盖非常薄,因此作为核心的纳米金棒所连接DNA单链会大部分裸露在外,一方面作为保护基团,使核壳结构性质稳定,另一方面可以利用DNA双螺旋结构的碱基配对原理,实现核壳结构两端修饰的一维特性。不同于一般的金纳米颗粒、金银核壳结构等纳米粒子,因其修饰无方向性,不能实现特异性修饰,难于实现类似于头对头(head-to-head)这种结构。研究人员利用FDTD等理论计算研究发现,尖锐的纳米粒子表面电子集中,表面等离子体共振效果强于纳米粒子的缓钝区域。头对头纳米结构是两个纳米粒子尖锐部分接近的结构,能够实现更强的纳米粒子表面等离子体共振。本发明的新型核壳结构纳米粒子,研究表明纳米粒子尖端部分具有更高的表面等离子体效应,因此纳米粒子的定向修饰在生物光电子学、生物纳米检测等领域具有巨大的应用价值。

实施例2 制备新型核壳结构纳米粒子

步骤如下:

(1)纳米金棒的制备:室温下,将15ml的0.1mol·L-1的CTAB溶液加入到反应容器(20ml圆底烧瓶)中,再加入80ul的50mmol·L-1的HAuCl4溶液,快速搅拌1分钟;然后迅速加入1.0ml的10mmol·L-1NaBH4溶液,快速搅拌1分钟,得到晶种;

将40ml的0.1mol·L-1的CTAB溶液加入到另一反应容器(50ml圆底烧瓶)中,适当速度搅拌下(边搅拌边加入,以混合均匀),加入250ul的50mmol·L-1的HAuCl4溶液,然后加入250ul的10mmol·L-1的硝酸银溶液,再加入180ul的0.1mol·L-1的L-AA溶液(抗坏血酸溶液),此时溶液由浅黄色变为无色,最后加入90ul晶种,搅拌1分钟,静置4小时,溶液颜色由无色变为棕灰色,制得纳米金棒;

所述NaBH4溶液,需使用前配制,配制后置于-20℃冰箱中放置10分钟,待用;

(2)纳米金棒的DNA修饰:室温下,将上述制备的纳米金棒10000rpm离心20mins,弃除上清液,溶于0.2%(质量百分数)SDS溶液中,用盐酸调节溶液pH至3,加入5×TBE缓冲液,使得其终浓度为1×TBE,然后加入NaCl溶液至NaCl终浓度为500mmol·L-1,最后加入巯基化DNA,巯基化DNA与纳米金棒的重量比为10000:1,混匀,静置5分钟,得到巯基化DNA稳定保护的纳米金棒;

(3)将上述得到的巯基化DNA稳定保护的纳米金棒10000rpm离心20mins,以除掉溶液中多余离散巯基化DNA,溶解于0.05M CTAB溶液中,加入1%SDS溶液使SDS终浓度为0.1%(质量分数),再加入硝酸银溶液(金、银的摩尔比在1:1.5),最后加入还原剂L-AA溶液(银与L-AA的摩尔比为1:18),混匀,静置3小时,即得新型核壳结构纳米粒子——银包金纳米核壳结构纳米粒子。

实施例3 制备新型核壳结构纳米粒子

步骤如下:

(1)纳米金棒的制备:室温下,将12ml的0.1mol·L-1的CTAB溶液加入到反应容器(20ml圆底烧瓶)中,再加入60ul的50mmol·L-1的HAuCl4溶液,快速搅拌1分钟;然后迅速加入0.8ml的10mmol·L-1NaBH4溶液,快速搅拌1分钟,得到晶种;

将35ml的0.1mol·L-1的CTAB溶液加入到另一反应容器(50ml圆底烧瓶)中,适当速度搅拌下(边搅拌边加入,以混合均匀),加入240ul的50mmol·L-1的HAuCl4溶液,然后加入240ul的10mmol·L-1的硝酸银溶液,再加入170ul的0.1mol·L-1的L-AA溶液(抗坏血酸溶液),此时溶液由浅黄色变为无色,最后加入90ul晶种,搅拌1分钟,静置4小时,溶液颜色由无色变为棕灰色,制得纳米金棒;

所述NaBH4溶液,需使用前配制,配制后置于-20℃冰箱中放置10分钟,待用;

(3)纳米金棒的DNA修饰:室温下,将上述制备的纳米金棒8000rpm离心20mins,弃除上清液,溶于0.2%(质量百分数)SDS溶液中,用盐酸调节溶液pH至3,加入5×TBE缓冲液,使得其终浓度为1×TBE,然后加入NaCl溶液至NaCl终浓度为500mmol·L-1,最后加入巯基化DNA,巯基化DNA与纳米金棒的重量比为5000:1,混匀,静置5分钟,得到巯基化DNA稳定保护的纳米金棒;

(3)将上述得到的巯基化DNA稳定保护的纳米金棒8000rpm离心20mins,以除掉溶液中多余离散巯基化DNA,溶解于0.05M CTAB溶液中,加入1%SDS溶液使SDS终浓度为0.08%(质量分数),再加入硝酸银溶液(金、银的摩尔比在1:0.8),最后加入还原剂L-AA溶液(银与L-AA的摩尔比为1:12),混匀,静置3小时,即得新型核壳结构纳米粒子——银包金纳米核壳结构纳米粒子。

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