（分析化学专业论文）纳米杂化结构的dna控制自组装及功能dna纳米机器的研究.pdf

摘要 摘要 d n a 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 ) d n a 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d n a 操控，修饰和剪裁等分子生物学技术；( 3 ) d n a 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d n a 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d n a 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d n a 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d n a 碱基与碳纳米管 之间的非共价兀兀相互作用( 由杜邦研究及发展中心的z h e n g 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d n a 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d n a 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h o o g s t e e n 氢键稳定的d n a 三螺旋 结构，我们设计并构建了可模拟特定机械操作的d n a 纳米机器d n a 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d n a 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d n a 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d n a 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p h 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 摘要 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d n a 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p h 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。 关键词：d n a 纳米技术自组装杂化纳米结构纳米机械装置分子镊 金纳米粒子单壁碳纳米管乙二胺原子力显微镜荧光共振能 量转移 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em a i nt o p i co ft h i st l l e s i si sa b o u tt l l ec o l l 仃o l l a b l ea s s e m b l yo fi i l o r g a l l i c n a r l o 鳓n j c t u r e s 龇l ds u p r 锄o l e c u l a rn a n o m a c l l i n e su s 洫gd e s i g n e dd n as e q u e n c e s ， w m c hf a l l si n t 0t l l ea r e ao fd n a n a l l o t e c l l i l o l o 盱t h ea p p e a lo fd n a t on a l l o s c i e n c e a n dn a n o t e c i l n o l o g yi sm r e e f o l d ：f i r s t l y ；i ti san a 删l yo c c u r r - e dn a n o s c a l eb u i l d i n g b l o c k ，w l l i c hc a nb ec h e m i c a l l ym 砒m f i a c t u r e do nas o l i dp h a s ed n as y n t h e s i z e rw i t l l s m g l eb a s ea c c u r a c y ，a n da s s e m b l e di n as a j t c o n t a i l 血l gb u 腩rt l l r o u 曲as i n l p l e h e a t i n g u p a n dc 0 0 1 i n g - d o w n c y c l e ；s e c o n d i y ，w e l l d e v e l o p e dc h e m i s 仃y 锄d m o l e c u l a rb i o l o g ) ，t o o l k i t sa r er e a d i l ya v a i l a b l ef o ro p e r a t i n g ，m o d i f i n g ，r e p l i c a t i n g ， c l i p p 啦锄dj o 蛐gd n a m o l e c u l e st 0 胁h e rt a i l o rt h e i rs 仃u c n e s 如d 缸l c t i o n s ； a 1 1 d “r d l y ，t h eb a s es e q u e n c e si nd n ac 锄b ee 嬲i l y 即c o d e da n de x p l o i t e df o r p r o g r a m m e ds e l f a s s e m b l y ，r e s u l t i i 坞i nv i r t 腿l l ya n yd e f i n e ds 佃| c t u r e sa n dp a t t e m s o nt 1 1 ei m l o s c a l ei nm e x 骶m e l ya c c 啪t e 锄dp r e d i c 切b l ew a y t 1 1 i st l l e s i st r i e dt oe m p l o yd n a 邪as l l p r a 加o l e c u l eh e l p e rt 0f a c i l i t a t et h ea s s e m b l y o fl i n e a rh e t e r o n a n o s 旬m c t l l r e sb e t 、 ，e e ng o l dn a n o p a n i c l e s 锄ds i n g l e w a l l e dc a r t o n r 脚1 0 t u b e si i lo r d e rt 0 嬲s o c i a c es p e c i a la n dn o v e lp r o p e r t i e sw i t l ld e s i 印e dh y b r i d n a n o s y s t e m s w ew o u l da l s oa i t e m p tt ob u i l dad n a 蛐m c t u r e dn a i l o m e c h l l i c a ld e v i c e t 1 1 a tc a l lh a v es o m ec l o s e t 0 - r e a l i t ) rm n c t i o i l ss u c ha s 伊a b b i n go rr e l e a s i n g 锄o b j e c t a t 嘶1 1 f o l l o 、) ，i n ga r cd e 协i l e dd e s c r i p t i o n so ft l l e s er e s u l t s ： w a t e r - s o l u b l e9 0 l dn a n o p a n i c l e ( a u n p ) l i n e a ra n a y s0 ns i n g l e 、v a l l e dc a r b o n n a n o t l l b e s ( s w n l s ) w e r eo b t a i n e dv i aad n a - a s s i s t e ds e l f a s s e m b l yp r o c e s s 1 1 1 i s w o r k t o o k 巅l v 锄t a g e o fn o n - c o v a l e n ti n t e r a c t i o n sb e t w e e nd n ab a s e s 锄d s i n g l e - w a l l e dc 棚b o nn a n o t u b e s ( at e c l l i l i q u ee s t a b l i s h e db yz h e n ge ta j a td u p o n t c e m r 蝴r e s e a r c h 赳l dd e v e l o p m e n t ) t oi 1 1 仰d u c em u l t i p l e l i o lg r o u p so nt l l es u r f a c e o fas w n t 州c h 恤ns e n ，e dw e ua san o v e l t 唧l a t ef o rt h e 弱s e n l b l yo fl i l l e a r g o l d 咖o p a n i c l ea r r a y s t h en a t i v er i g i d i 哆o fs w n l sm a d et l l e me s p e c i a l l ys u i t e d 船l i n e a ra s s e m b l yt e n l p l a t e s 觚dr e n d e r e dt l l er e s u l t i n gg o l dn a l l o p a r t i c l el m e 盯a 1 1 r a y s v e 珂g o o dq u a l i 够a n d 仔e eo fa n ys e l f - e n t a i l g l e m 锄陋，w m c ho r e nh a p p e nt 0as o r e r t e m p l a t es u c ha sad n a d o u b l eh e l i x 1 1 1 ea s - f 0 彻e da u n p s w n th y b r i d sw e r e i s o l a t e db ya g a r o s eg e le l e c 臼o p h o r e s i s 锄dt l l e i rs m j c t u r e sw e r e d i d a t e d 也r o u g h l i l a b s t r a c t a t o m i cf o r c ei i l i c r o s c o p ym )i m a g i n g s v a r i o u sc o n t r o le x p e r i m e i i t s 、e r e d e s i g n e dt 0 向n h e rv e r i 分o u rp r o p o s e da l s s e m b l y s c h e m e t h ed n a 。w r a p p e d s i l l g l e w a l l e dc a r b o nn 锄o t u b e s ，嬲an e wt y p eo fn a n o s c a l eb u i l d i n gb l o c k sf o rd n a d i r e c t e dm a t e r i a la s s e m b l y ，s h o u l da l s ob eu s a b i ef o rm e 嬲s e m b l yo fv a r i o u so t h e r n a n o m a t e r i a l s 诵md i s t 协c tp r o p e r t i e s t h en e x tg o a lo fo u rr e s e a r c hi s t 0s e e k p o s s i b l ea p p l i c a t i o n s o ft h e s eh y “d 姗m s t r 咖si nb i o d e t e c t i o n s ， n 趾o e l e c t r o m c s p h o t o e l e c t r o i l i c sa n dr 姗。一c a t a l y s e s t h en e x tp u r s u i to ft 1 1 i st h e s i sw a l st ob u i l dap a i ro fd n am m o m e c h a i l i c a lt 、v e e z e r s t 1 1 a tc a nb ee a l s i l yo p e r a t e dt 0r e c o g m z e ，c 印t u r e ，h o i d 觚dr e l e a s e 觚o b j e c to n d e m a l l d t h em o s td i 佑c m tp a r to f “s 、o r k 、v a st of i n das u i t a b l e 、v a yf o rt 1 1 ev e 巧 t i l l yt 、e e z e r st 0f i r n l l yh o l d 锄o b j e c tb e t w e e ni t st 、v om e c h a l l i c a l 黝s w em a d e u s e o fan o n c a l l o i l i c a lb a s e - p a i r i n gm o d ec a l l e dh o o g s t e e nh y d r o g e nb o n d i n gt 0m 1 1 c i u t l l i sc h a l l e n g i n gr e q u i r e m e n t t h ed n am o l e c u l a u rt 、v e e z e r sc o u l dt l l e nb eo p e r a t e dt o n e r a c tw i t l lad n as t r u c t u r e do b j e c ta tl o w e r e dp h t h ed n ao b j e c th e l i c a l l y w r a p p e da r o u i l dt h e 协，e e z e r s 舢sa n dw 硒m e nf i m l l yh e l da r e rm e t 、e e z e r sb e i i l g z i p p e dc l o s e o p e l l i n gt h e 似e e z e r sv i aa 【 n as 仃a m d - d i s p l a c e m e n tp r o c e s sw o u l d t h e nr e l e 嬲e 坨o b j e c tt os 0 1 u t i o n 、) ，：h e r et l l eh o o g s t e e nb o n d i n gw 舔m u c hw e a k e n e d a ti n c r e a s e dp h an a t i v ep o l y a c r y l 锄i d eg e le l e c t r o p h o r e s i s ( p a g e ) i nc o m b i n a t i o n 讪t 1 1an u o r e s c e n tr e s o n a n c ee n e r g yn 觚s f e r ( f r f r ) t e c h i l i q u e 、v 嬲u s e dt 0 d e m o n s 仃a t et l l em n c t i o m n go f 山ec a t c ha n dr e l e 舔ec y c l e so ft 1 1 e 铆e e z e r s f u r t l l e r r e s e a r c hc a l lb ec a 玎i e do u tt oi n t e 伊a t et l l et i l l y 觚e e z e r si m ol a 唱ed n aa r r a y sm a t w i l la l l o wu st 0m o m t o rt l l ef u n c t i o m n go f “sn e wd e v i c emr e a lt i r l l ew i t l lt h eh e l p o fm o d e mi m a 百n gt e c l l l l i q u e s ，s u c h 舔a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a f m ) w 色a l s ot r i e dt 0u s eav e d ，s i m p l em o l e c u l e ，e t l l y l e n e d i 删1 1 e ，t os 、析t c h t h e e l e c 仃0 嘲t i c 舔s e m b l y 锄dd i s a s s e l b l yo f9 0 1 dn a n o p a n i c l e s 觚dd n a 一、) v r a p p e d s i n 9 1 e w a l l e dc a r b o nn 锄o t i j b e sb a s e do np hc o n 缸d l l e dp r o t o n a t i o n d e p r o t o n a t i o n p r o c e s s e s o fe m y l e n e d i a m i n e w b u s e d o p t i c a l a b s o r b a n c ea n d c e 枷m g a t i o n f a c i l i t a t e dp r e c i p i t a t i o nt om o l l i t o rm ea b o v ea g g r e g a t i o n d i s p e r s i o n c y c l e s t r a n s m i s s i o ne l e c 仃o nm i c r o s c o p y ( t e m ) ，d y n a 耐cl i g l l ts c a n e 血g ( d l s ) ， 龇l dg e le l e c 仃i ) p h o r e s i s 、v e r e 甜s oe m p l o y e dt 0 舢m l e rc h e c km ed i s p e r s i o n 疏a t e so f t l l eg o l dn a n o p a n i c l e sb e f 0 r e ，d u 血ga 1 1 da r e rt l l ec y c l i n ge x p e r i m e n t s t m ss 仃a t e g ) ， d i d1 1 0 tr e l yo na n ys p e c i 丘cs u 血c e - m o d i f i e dc h e 血c a lg r o u p s 柚ds h o u l d ，嘶t l lo i d y s l i g h tm o d i f i c a t i o n s ，b ee a s i l ye x t e n d e d t 0o m e ri n t e r e s t i n gs y s t e m s t h em o s t a b s t r a c t p r o m i n e ma i l d a t t r a c t i v ef e a _ c u r eo fm i sm e m o dl i e di i lm ef a c tt l l a ti tw a sa n e x t r e m e l ys i m p l e ，e f r e c t i v ea n dg e n e r a lp r o c e s sa sc o m p a r e dt oo t h e rd e v e l o p e d s 仃a t e g i e sf o rt l l es 锄ep u r p o s ei nl i t e r a t u r e k e yw o r d s ：d n a ，i m o t e c h n o l o g y ， s e l f - a s s e m b l y ，h y b r i d n a i l o s n l j c t i 鹏s ， m n o m e c h a n j c a ld e v i c e s ，m o l e c u l a r僦e e z e r s ， 9 0 1 dn a n o p 矾i c l e s ， s i n g l e 一、a i l e dc a r b o nn 锄o t u b e s ，e t l l y l e n e d i 锄i n e ，a f m ，f i 也t v 图目录 图目录 图1 1带有粘性末端的四臂交叉结d n a 组装成二维平面阵列3 图1 2由三个四臂交叉结组成的三角形模块及其用于二维周期性阵列结构的组装4 图1 3三种d n a 组装模块一4 图1 4 用d x 模块组装2 d 周期性阵列。5 图1 5 应用“序列对称性”原理设计组装模块大大减少了所用d n a 链的数目。6 图1 6 采用d n a 折纸术设计组装出的各种图形8 图1 7d n a 计算自组装产生的s i e r p i l l s l c i 三角分形图案9 图1 8制造d n a 导线1l 图1 9d n a 分子刻蚀法制造纳米图案1 2 图1 1 0以一维或二维d n a 结构为模板实现金粒子和蛋白分子的纳米阵列1 5 图1 1 l利用d n a 作为助手可控组装金纳米粒子1 6 图1 1 2金纳米粒子通过d n a 杂交在特定条件下堆砌成三维有序结晶体1 7 图1 1 3 利用d n a 为助手实现单壁碳管及与纳米金之间的可控自组装( 文献【9 3 】) 1 8 图1 1 4b z 切换型分子转动机器( 文献【9 4 】) 2 0 图1 1 5一种基于p x 2 构象变化的d n a 转动装置2 l 图1 1 6 利用i m o t i f 结构设计的伸缩型d n a 分子机器2 2 图1 1 7 利用i m o t i f 分子开关驱动a f m 悬臂发生弯曲( 文献【1 0 2 】) 2 3 图1 1 8 通过链交换实现d n a 行走( 文献【1 0 5 】) 2 4 图1 1 9d n a 分子齿轮转动原理示意图( 文献【1 2 0 】) 。2 5 图1 2 0d n a 纳米镊构造的演变2 6 图1 2 1p h 引发d n a 三螺旋与双螺旋结构间的转换2 7 图1 2 2d n a 纳米镊开关控制的演变2 9 图1 2 3多个d n a 纳米镊集成为可控伸缩的线性阵列( 文献【1 3 0 】) 3 0 图1 2 4y a n 等使用的具有d a e 结构的第三代d n a 纳米镊31 图1 2 5 刚性增强的第三代d n a 纳米镊集成为可寻址的线性阵列( 文献【1 3 l 】) 3 2 图1 2 6d n a 纳米镊与基因转录相结合( 文献【1 3 2 】) 3 3 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 单链d n a 超声分散s 、孙t 4 7 设计碳纳米管模板的常用方法。4 9 碳纳米管的非共价修饰及用于纳米金组装的一些典型方法5 0 碳纳米管共价型模板组装纳米金。5 2 纳米金在单壁碳纳米管模板上形成线性组装阵列的原理示意图5 4 s w n t 模板制备与离心纯化流程图。5 5 巯基d n a 分散的s w n t - l 模板5 8 a u n p s s w n t 组装结构的凝胶电泳纯化5 8 a 心沪( 6 哪) s w n t - l 组装产物的a f m 图像5 9 a u n p ( 6 硼) 一s w n t l 组装产物的a f m 剖面高度分析6 0 不含巯基的d n a 分散的s 、州t l 模板与a 心口s 相互作用后的a f m 图像6 1 a u n p ( 18n n i ) 一s 、州t l 组装物a f m 图像6 2 a 心咿( 1 8 衄) s w n t l 组装结构的a f m 高度分析6 2 x i 图目录 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图屯7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 图4 1 7 图4 1 8 图4 1 9 图4 2 0 图4 2 1 用变性p a g e 法分析超声过程对d n a 的降解作用一6 3 s w n t - s 及其与6 砌a u n p s 形成的组装产物一6 4 调控纳米金在s w n t 模板上组装密度的示意图6 5 a 讣咿s 在s 、v n t 上实施组装的不同策略6 6 通过d n a 杂交反应实现s w n t 之间的组装6 7 用d n a 组装出的纳米镊结构7 8 d n a 纳米镊的结构及开关原理示意图7 9 d n a 纳米镊对目标物识别捕捉一夹持释放的工作原理示意图8 l d n a 纳米镊开关循环实验操作流程图。8 4 d n a 纳米镊夹持与释放循环实验的操作流程8 5 不同温度下组装打开状态d n a 纳米镊的非变性p a g e 结果8 6 d n a 纳米镊逐步组装过程的非变性p ! a g e 结果。8 7 纳米镊在p h5 0 条件下组装及捕捉目标物的非变性p ：a g e 结果。8 8 d n a 纳米镊的开关过程所伴随的被捕获目标物的构象变化9 0 不同p h 下d n a 纳米镊对目标物的夹持和释放效果9 2 d n a 纳米镊对目标物进行夹持释放循环操作的示意图。9 3 d n a 纳米镊循环夹持和释放目标物的非变性p a g e 胶图9 4 正常目标物与两种对照目标物的结构与序列9 5 对照目标物i 与d n a 纳米镊在p h5 o 下相互作用的非变性p a g e 结果。9 6 对照目标物i i 与d n a 纳米镊在p h5 o 下相互作用的非变性p a g e 结果9 7 对照目标物i i 和纳米镊竞争链3 的非变性p ：a g e 胶图9 8 乙二胺分子的化学结构( c a s n o 1 0 7 1 5 - 3 ) 1 0 4 不同p h 下乙二胺不同质子化形式的计算含量分布1 0 5 p h 控制荷负电胶体可逆聚集和分散的过程示意图1 0 6 乙二胺溶液中通过调节p h 实现a u n p s 的可逆聚集1 0 9 不同浓度e n 中a u n p s 在p h8 6 ( a ) 和p h5 0 ( b ) 条件下的吸收光谱图1 1 0 乙二胺( 1 5m m ) 溶液中a u n p s 分别在p h5 0 和8 6 的吸收光谱l ll 光学吸收监测a 心一s 聚集与分散的多次循环过程。 不含乙二胺的a u n p s 水溶液在p h 循环改变l o 次前后的吸收光谱图1 1 3 e n 溶液中a 心一s 吸收峰波长( a ) 与水力学半径( b ) 随p h 的变化1 1 4 a u n p s e n 体系中舶，z 嗍，【e n h 2 2 + 】对p h 的归一化图1 1 5 利用a 小一s e n 可逆聚集体系设计均相传感器。1 1 6 聚集和分散状态a u n p s 的透射电子显微镜( t e m ) 图像1 1 7 聚集程度稍低的a 心巾s 的t e m 图像1 18 a 心咿s 循环组装1 0 次( 图4 7 ) 前后的吸收光谱比较。1 1 9 经多次反复聚集与分散循环( 图4 7 ) 前后样品的a g e 图。1 2 0 没有e n 存在时a u n p s 的p h 循环实验1 2 l a u m ) s 水溶液中不断加入微量等体积蒸馏水时所对应的a t 曲线1 2 2 磺化三笨基膦化学结构式( c a s n o 1518 8 8 2 0 9 ) 12 3 不含e n 的a u n p s 溶液分别在p h5 0 和8 6 下的吸收光谱一1 2 3 没有乙二胺存在时n a c l 对a u n p s 溶液( p h5 0 ) 的影响1 2 4 不同n a c l 浓度对聚集态a u n p s e n 体系( p h5 0 ) 的解散作用1 2 5 图目录 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图4 2 6 图4 2 7 n a c l 对e n 聚集纳米金的影响1 2 6 加入更高浓度n a c l 对a u n p s e n 体系( p h5 o ) 的吸收光谱影响1 2 7 异或门及其真值表1 2 8 a u n p s 在1 5m m 乙二胺中循环组装2 0 次的吸收时间曲线1 2 9 【) n a 分散的s w n t 在1 a g e 中电泳胶图1 3 0 p h 控制s w n t 聚集和分散循环的照片1 3 1 x i i i 缩写表 d n a s s d n a d s d n a b s b p d x r n a a i i n p s c n t s 、v n t m 、 仓i t e n e n h + e n h 2 2 + d d h 2 0 a g e f a g e u v 二s d l s s p r f r e t a f m t e m 缩写表 d e o x 州b o n u c l e i ca c i d ，脱氧核糖核酸 s i n g j e s t r 卸d e dd n a ，单链d 1 忧 d o u b i e - s t r 觚d e di ) n a ，双链d n a b a s e s ，碱基 b a s ep a i r ，碱基对 d o u b l e c r o s s o v e r ，d n a 双重交叉结 剐b o n u c l e i ca c i d ，核糖核酸 g o l dn 锄o p a r t i c l e s ，金纳米粒子 c a r b o nn 锄o t u b e s ，碳纳米管 s i n 酉e - w 钏e dc a r b o nn 锄t u b e s ，单壁碳纳米管 m u l t i w a l l e dc a r b o nn 柚o t u b e s ，多壁碳纳米管 e t h y l e n e d i 锄i n e ，乙二胺 s i n g l yp r o t o n 锄e de t h y l e n e d i 锄i n e ，单质子化乙二胺 d o u b l yp r o t o n a t e de t h y l e n e d i 锄i n e ，双重质子化乙二胺 d o u b l e 司i s t i l l e d 帆船r ，双重蒸馏水 a g a r o 驼g e le l e c 仃0 p h o r e s i s ，琼脂糖凝胶电泳 p o l y 巧l 锄i d eg e le l e c 仃0 p h o r e s i s ，聚丙烯酰胺凝胶电泳 u l t r a v i o l e t s i b l es p e c 仃o s c o p y ，紫外可见光谱 脚n 锄j cl i g h ts c a n e r i n g ，动态光散射 s ur ：ep l 部m o nr e s o n 柚c e ，表面等离激子共振 f l u o r e s c e n tr e s o n 锄c ee n e r g ) r1 b 1 1 s f e r ，荧光共振能量转移 a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ，原子力显微镜 1 r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c m s c o p y ，透射电子显微镜 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：主逊i 2 。d ? 年6 只i fb 第一章绪论 1 1d n a 纳米技术 1 1 1d n a 纳米技术概述 第一章绪论 物质在纳米尺度上( 1 0 0m ) 由于尺寸效应和量子效应，往往会表现出许 多不同于宏观样品的优良性能，包括光，电，磁，催化等等。因此，自上世纪 8 0 年代初纳米科学和纳米技术的概念出现以来，已在物理、化学、生物以及材 料和工程科学等诸多领域受到密切的关注。纳米技术在信息存储，医疗器械，靶 向药物输运以及疾病诊断等方面均有着重要的应用前景【l 以0 1 。 目前，制造或加工纳米材料的方法大致有两种策略：自上而下( t o p d 0 、1 1 ) 和自下而上( b o t t o m u p ) 。t o p d o w l l 策略是指将宏观物质精确细分直至微纳米 尺度。最典型的t o p d o w n 策略是光刻技术( p h o t o l i t h o 赠r a p h y ) ，其在半导体工 业集成电路的制造领域已经取得并仍继续发挥着极为重要的应用，采用x 光作 为刻蚀光源可将分辨率提高到l5 姗。 b o m u p 策略则是基于另一种截然相反的思路，通过合适的手段将原子、 分子和超分子组装成具有特定纳米尺度结构的介观或宏观物质。采用这种策略的 纳米构筑方法包括各种纳米合成化学反应，化学气相沉积法以及分子自组装 ( s e l f a l s s e m b l y ) 等等。b o t t o m u p 与t o p d o w n 技术相比具有一些明显的优势： 1 ) 前者在纳米尺度上( 二维或三维) 可以制造出具有高密集度、高有序性的不 同化学成份组成的纳米结构，如利用复杂的表面( 生物膜，d n a 二维阵列) 作 为模板组装多种化学或生物超分子等纳米模块合成纳米材料，而t 0 p d o w l l 技术 在纳米尺度上则几乎只能得到单一的化学组成的纳米结构；2 ) 由于组装的单元 是原子或分子，在纳米尺度上可自由设计的空间很大，而t o p d o 、v n 则完全依赖 于向下的细分能力。因此，b o t t o m u p 策略可使纳米材料在性能上更具多样性， 在结构设计上也可以更加巧妙和复杂【1 1 1 。 d n a 作为生命信息的遗传物质，其分子由脱氧核糖和磷酸二酯键作为骨架， 并在骨架上连有四种不同的碱基( a ，t ，g ，c ) 。互补的两条d n a 单链根据 w 缸s o n c r i c k 碱基配对原则通过氢键相互作用而结合成为一体，形成稳定的d n a 双螺旋结构。d n a 分子间这种特异性结合的性质非常符合b o t t o m u p 策略组装 纳米结构的要求。s e e m a n 教授早年提出将分支的d n a 结构和d n a 粘性末端相 第一章绪论 结合可以组装出规整的阵列结构【1 2 】，这是首次公开阐明作为生命密码载体的 d n a 可以当作一种化学物质来构建纳米材料和纳米结构。随后，1 9 9 1 年，s e e m a l l 等人【1 3 】在实验上用d n a 组装出了立方体几何结构。s e e m a l l 教授研究组早期的 这些标志性工作开创了d n a 纳米技术这一新兴的研究领域，即利用d n a ( 或 r n a ) 的独特物理、化学性质设计各种d n a 结构模块( 一条或多条d n a 链的 复合物) ，并进一步通过分子间识别作用精确组装形成各种特定纳米结构和功能 分子纳米器件。 d n a 纳米技术之所以日益受到关注并在纳米结构的精确自组装构造方面取 得重要进展，与d n a 所具有的许多独特性质是分不开的，这包括： 1 d n a 分子是天然的纳米自组装模块：对于b 构型双螺旋d n a ，其直径 约2i l i i l ，一个螺旋周期对应1 0 5 个碱基对并沿螺旋轴方向前进3 4m ； 2 d n a 分子的碱基配对原则简单明确( a t ，c g ) ，可预测，可编程，并 具有高度专一性。 3 d n a 双螺旋结构既具有一定的刚性也具有一定的韧性，其刚性长度 ( p e r s i s t e n c el e n 甜h ) 为5 0 姗，这在d n a 纳米结构的设计中可充分加 以利用； 4 d n a 分子容易合成，目前1 0 0 个碱基以内的d n a 链可以方便地在d n a 自动合成仪上合成，长达2 0 0 个碱基的d n a 链( u l t r 锄e r ) 目前己能 够准确合成，这些人工合成的d n a