（材料学专业论文）以dna为模板合成氧化锌纳米链状结构.pdf

摘要 将半导体纳米颗粒按照人们的设计排列成特定结构可以使其具备独特的电 学以及光学效应，这些纳米结构可以组成如逻辑二极管、场效应晶体管以及光电 子晶体管等纳米器件。用生物模板组装纳米结构由于其高效廉价而受到人们的关 注，d n a 可以吸附离子或纳米颗粒，而且形状可设计，是一种最常用的生物模 板。 在本研究中使用d n a 做模板吸附锌离子并原位反应生成氧化锌纳米颗粒。 首先将鱼精d n a 与硝酸锌在水溶液中混合，使之充分吸附。电泳实验观察到了 迁移速度比原料d n a 慢的新电泳带，说明d n a 的负电荷减少，这是d n a 上吸 附了锌离子的证据。随后在水浴下加入二乙醇胺水溶液，在高倍透射电子显微镜 下观察反应产物，发现纳米颗粒在d n a 模板上形成链状结构。x 射线衍射实验 证明了形成的颗粒为氧化锌纳米晶。傅立叶红外吸收光谱证明了锌离子能够与 d n a 相结合，并且生成了氧化锌后没有脱离d n a 模板。 通过改变锌离子与d n a 的比例可以控制氧化锌纳米链的致密度，随着比例 的增大，粒径逐渐增大，晶粒之间会互相连接，致密度随之增加。研究中还进行 了以质粒d n a 作模板以及没有添加d n a 的对比实验，分别得到了“珍珠项链” 状的氧化锌纳米结构和分散的氧化锌纳米颗粒，这更加证明了d n a 的模板效应。 为了使d n a 模板上的氧化锌纳米链能够在平面上拉直，本文中尝试了分子梳操 作，并通过原子力显微镜观察其结果。 关键词：d n a 氧化锌透射电子显微镜纳米链傅立叶红外吸收光谱电泳 a bs t r a c t f a b r i c a t i o no fs e m i c o n d u c t o rn a n o p a r t i c l e sa r r a y sp o s e sac h a l l e n g ef o rt h e i r u n i q u eo p t i c a la n de l e c t r o n i cp r o p e r t i e s t h e yc a nb eu s e dt of a b r i c a t et h ec o m p o n e n t s o fn a n o s c a l ed e v i c e ss u c ha sd i o d el o g i cg a t e s ，b i p o l a rt r a n s i s t o r s ，o ro p t o e l e c t r o n i c t r a n s i s t o r s t h ef o r m a t i o no fn a n o s t r u c t u r e su s i n go r g a n i s mt e m p l a t e sh a sa t t r a c t e d m u c ha t t e n t i o nf o ri t se f f i c i e n c ya n dc h e a p n e s s a m o n gb i o l o g i c a lm o l e c u l et e m p l a t e s ， d n ai sr e c o g n i z e da st h em o s tf r e q u e n t l yu s e do r g a n i s md u et oi t ss t r o n gb i n d i n g e f f e c tw i t hn a n o p a r t i c l e sa n de a s i l yc o n t r o l l e ds t r u c t u r e s i nt h i sr e s e a r c h ，d n aw a su s e da st e m p l a t et oa s s e m b l yz n on a n o p a r t i c l e s f i s h s p e r md n aa n dz n 0 3 ) 2w e r em i x e di nw a t e rs o l u t i o nt om a k ec o m p l e t eb i n d i n g t h ee l e c t r o p h o r e s i se x p e r i m e n tc o n f i r m e dt h a tz n 2 + b o u n dt od n aa n dd e c r e a s e dt h e n e g a t i v ec h a r g eo fd n a t h e nt h em i x t u r ew a sh e a t e di naw a t e r - b a t h ，a n dd e a s o l u t i o nw a sa d d e dt or e a c tw i t hz n 烈0 3 ) 2 h i g hr e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ( h r t e m ) i m a g e ss h o wt h a tn a n o p a r t i c l e sf o r m e da l o n gd n at e m p l a t ea s ac h a i n x r di 曼u s e dt oc e r t i f i c a t et h a tt h ep a r t i c l e sa r eo fz n o f t i rc o n f i r m st h a t z n 2 + h a db o n dt od n a ，a n dz n on a n o p a r t i c l e sw e r es t i l lo nt h ed n at e m p l a t ea f t e r t h er e a c t i o n c o m p a c to rs p a r s ec h a i n sc a nb eo b t a i n e db yc h a n g i n gt h er a t i oo f 【z n 什】t o d n a w h e nt h er a t i oi n c r e a s e s ，t h ez n op a r t i c l e sg r o wl a r g e ra n dc l o s e r a sar e s u l tt h e c h a i n s t e n dt ob ec o m p a c t c o n t r o le x p e r i m e n t sw i t hp l a s m i dd n aa n dw i t ht h e a b s e n c eo fd n aw e r ea l s oc a r r i e do u tt oc o n f i r mt h et e m p l a t ee f f e c to fd n a n e c k l a c e l i k es t r u c t u r e sa n dd i s p e r s e dz n on a n o p a r t i c l e sw e r eo b s e r v e di n d i v i d u a l l y m o l e c u l a rc o m b i n gw a st r i e dt os t r e t c hd n a - z n os t r u c t u r e so nas u r f a c e ，a n da f m w a su s e dt oo b s e r v et h er e s u l t k e yw o r d s ：d n a ，z n o ，t e m ，n a n o c h a i n ，f t i r , e l e c t r o p h o r e s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：务、蠕诹 签亍日期：砂川7 年厂月f 铲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名房均仉 签字日期务。 年厂月f p 日 导师签名： 签字日期： l 胪 压呷f 嘻铲 第一章绪论 第一章绪论 1 1 模板法合成纳米材料概述 作为二十一世纪三大主导产业科技的纳米技术，是研究尺度在l 1 0 0 眦之 间物质组成体系的运动和变化规律以及在该特征尺度水平上对其操纵、加工制造 具有全新功能物质的科学技术。纳米技术是以许多现代先进科学技术为基础的科 学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物，纳米技术又将引发一系列新的科 学技术，例如纳电子学、纳米材料学、纳机械学等。因此被认为是世纪之交出现 的一项高科技。 纳米材料是纳米技术家族中最重要的成员之一。广义的纳米材料泛指三维空 间中至少有一维处于纳米量级的材料，例如，厚度为纳米量级的薄膜、多层膜： 直径为纳米量级的线管；三个维度均为纳米量级的微粒、微晶及其所组成的材料， 狭义的纳米材料主要是指后者【1 1 。制备纳米材料的方法很多，包括湿化学法、气 相化学法、溶胶一凝胶法、分子束外延、射线照射法等。这些方法的主要缺点是 很难控制纳米材料的结构和形貌。 为了克服这种缺点，可以采用模板法合成纳米材料【2 】。所谓模板法就是将具 有纳米结构、价廉易得、形状容易控制的物质作为模板，通过物理或化学的方法 将相关材料沉积到模板的孔中或表面，得到具有模板规范形貌与尺寸的纳米材料 的过程。其优点主要表现在：( 1 ) 多数模板不仅可以方便地合成，而且其性质可 在广泛范围内精确调控；( 2 ) 合成过程相对简单，很多方法适合批量生产；( 3 ) 可 同时解决纳米材料的尺寸与形状控制及分散稳定性问题；( 4 ) 特别适合一维纳米 材料的合成。因此模板合成是公认的合成纳米材料及纳米阵列的最理想方法。常 见的模板包括纳米孔模板、纳米结构模板、软模板和晶面台阶模板等。 1 2 以生物模板合成纳米材料的研究概况 一般来说，纳米材料的尺寸在1 1 0 0n m 范围内，而大多数重要的生物分子， 如蛋白质、核酸等的尺寸都在这一尺度内。因此，在寻找纳米材料自组装的模板 时，人们自然会想到生物分子。某些生物分子天然就是高水平的自组装系统【3 1 。 例如，在生命系统自组装的构建过程中，生物体利用胶原蛋白，生长羟基磷灰石， 第一章绪论 从而形成硬组织( 如骨骼) ：蛋白质能精确地折叠并团聚成预定的三维空间结构： 抗体与抗原结合时有高度的针对性和唯一性：核酸可以通过分子识别能力自组装 成双螺旋结构等。生物分子独有的识别能力与天然的纳米尺寸使其成为非常有发 展前景的纳米材料自组装模板。目前可以应用到纳米材料合成的生物模扳包括细 菌、蛋白质、病毒、r n a 、细胞结构、d n a 等。 s w e e n e y 等a 川利用大肠杆菌作为模板合成出c d s 纳米晶。他们把氯化镉与硫 化钠在大肠杆菌存在的条件下混合，在大肠杆苗的细胞内合成了硫化镉纳米晶， 合成出的纳米颗粒是纤维锌矿相，尺寸在2 n m 至5n m 问( 图1 1 ) 。 图l - i 以大肠杆菌为模板合成的c d s 纳米品 f i g1 - 1c d s n a n o c r y s t a l s t e m p l a t e d b y ec o i l 美国加利福尼亚太学的c h a 等人口1 报道，为了模仿一种硅酸盐蛋白质( s i l i c a t e i n 的性质，他们合成了一类半胱氨酸一赖氨酸嵌段共聚多肽，这类共壤多肽自身装 配成具有一定结构的聚集物，在p h - 7 时它们能水解四乙氧基硅烷同时指导一种 有序硅形态的形成。若使用这种共聚物的全还原或全氧化的形式，能产生硬的硅 球或圆柱形的无定型硅( 见图1 - 2 ) 。 m a o 等人1 6 使用m 1 3 细菌噬菊体高度组织化的结构作为成核和定向的一种牛 物学模板，合成了可生成半导体纳米线的z n s 纳米单晶( 见图1 - 3 ) 。这种病毒的 螺旋主体包衣蛋白通过基因工程被大量地表达为能自动装配成具有高度定向的 病毒包表结构的融合蛋白。为了能用作合成纳米晶体的模板，这些多肽顺序要以 对z n s 的亲合性和以合成期问影响纳米晶体的成核和生k 的能力为基础进行大 量的筛选。他们已经发现了一种叫做a 7 f 氨基酸顺序为：c y s a s h - a s h p r o m e t - h i s g i n a s i a c y s ) 的构型上受限制的多肽。这种多肚都能专门地识别和控制 第一章绪论 z n s 的生长。这种可以形成二硫键的a 7 多肽能结合4 个锌离子，并且与锌离子 的结合力比硫离子至少强三个数量级。以它为模扳合成的a 7 - z n s 病毒半导体复 台物能装配成自身支持的薄膜。他们在病毒的农壳上制得了六方的纤维锌矿( 血s ) 或立方的内锌矿结构的硫化锌纳米单晶。 圈i - 2 蛋白质模板形成的硅结构 f i gi - 2s i l i 自u t 唧l b y p r o k - i n 僵建 嚣器= ：盘忡喇喇 _ m 卜： h _ n d 晴 - q z 雌 陌巨d l 二： 圈i - 3 病毒为模扳合成z g s 纳米晶 f i 4 z n s n a u o c f y s t a l s t e m p 捌b yv 哪 鄹 到 第一章绪论 2 0 0 4 年美国北卡罗来纳大学化学系的o i i g l i o 时等人1 1 ，使用经过修饰的具有 较好的金属亲和性的r n a 作模扳合成了钯的六方纳米晶粒。他们采用循环筛选的 方法，先从d n a 得到r n a ，对p n a _ 进行化学修饰，修饰后的r n a 与带有钯离子 的配合物反应生产钯晶体，将能得到六方晶体的r n a 再还原成d n a ，如此循环 反复，得到最佳的r n a 序列。他们用这种方法挑选出的r n a 作模板合成了厚度 大致在2 0 皿左右的钯的六方纳米晶粒( 见图1 _ 4 ) 。目前这种纳米晶粒还没有其 它已知的方法可以合成。 图i - 4 r n a 为模板合成钯纳米晶粒 f 嘻1 4 p d 脚。廿y s t a l s k o p l 缸耐b y r n a 1 3 以d n a 为模扳合成纳米材料的研究现状 1 3 i 什么是d n a d n a ( i ) e o x y r i b o n u c l e i c m d ) 即脱氧核糖核酸，是一种生物大分子存在 于生物细胞核中，由核小体包装成染色体。1 9 5 3 年美国人w a t s o n 、英国人c r i c k 提出t d n a 双螺旋结构。d n a 由脱氧核糖核苷组成，一分子脱氧核糖核苷含有 一分子五碳糖、一分子磷酸、一分子碱基。五碳糖和磷酸是亲水基团，依靠3 - 5 磷酸二酯键相互连接成位于取链结构外侧的骨架结构。碱基一共有四种：鸟嘌呤 g 、腺嘌呤a 、胞嘧啶c 、胸腺嘧啶t 。碱基是疏水基团严格按照碱基互补配对 原则( a 和tc 和g 配对) 借助氢键结合在一起，两两配对排列在双链结构的 内侧l “。 d n a 的物理尺寸和分子识别特性使它在纳米技术领域非常有用途。d n a 是 天然的合成纳米材料的模板。伸直的d n a 双链宽2n m ，每个核苷单元长o3 4n m ( 见图1 - 5 ) 。通过特定的分子生物技术，如d n a 捆绑、酶催化、聚合酶连锁反 第一章绪论 应等，可以实现从纳米到微米及范围内的d n a 长度。d n a 分子有两类结合位置： 带负电荷的磷酸根与不带电荷的芳香基( 见图1 5 ) 。聚阴离子骨架和磷酸根可以 通过静电作用吸附金属阳离子和带正电的纳米颗粒。一些过渡金属离子可以通过 形成金属一d n a 络合物吸附到n 原子上。例如，鸟嘌呤和腺嘌吟上的n 7 原子可 以与铂、钯二价阳离子形成强络合物1 1 。两种结合位置都可以用来制备纳米材 料。 卜一2 n m _ - 图1 5 d n a 结构示意图 f i g 1 - 5s c h e m a t i cv i e wo f d n as t r u c t u r e 1 3 2d n a 模板的结构可设计性 由于d n a 的碱基互补配对原则，长度的可控性，以及d n a 链的柔性，使得 d n a 有可能按照人们的设计组装成空间立体结构。只要事先设计好结构以及 d n a 的序列，就可以按照碱基互补配对原则以及适当的化学修饰，得到期望的 微观结构。 例如，通过设计适当的序列，合成分枝d n a 是可能的12 1 。d n a 的双螺旋在 tiec寸c-o，o，-叶 量蕾ac宅击 第一章绪论 整体上看是线性分子，从拓扑学的角度看其中心轴是不分枝的。然而，染色体 配对时两条成对的染色体缠绕形成霍利迪连接体，两条链具有同样的序列，这种 序列的对称使得分枝点的位置不固定是可以移动的。通过选择合适的序列可以 消除这种对称性，从而形成稳定的分枝d n a 分子( 分柱点被固定) ，同时使其形成 粘性末端，能够与其它合适的分枝d n a 分子通过粘性末端的结合形成网格状的 环连体结构，见图l 一6 a 。通过对金纳米颗粒进行修饰，使其带有特定碱基序列的 d n a 单链片段，可以使其特异地吸附j u d n a 网格结构上，见图1 6 b 。 f f ， l 墨型l 7 jj 图l 正分岔结构的d n a f i g1 - 6 b r a n c hs u c m no f d n a 同样根据d n a 的基本原则，英国的一组科学家合成了金字塔状的d n a 结构 0 3 。把浸泡在盐溶液中的d n a 双螺旋线加热到刚刚在沸点以下的温度。当螺旋 线快速冷却时，它们会组合构建成一种四面体。于是研究小组可以使用单螺旋 d n a 把不同的四面体连接在一起。使用显微镜的尖端挤压金字塔结构，可以承 受1 0 0 兆分之一牛顿的力。这种挤压测试也可以让研究小组在第一时问测量d n a 的弹性。h 前研究小组计划使用连接好的四面体措建分子设备，如电子电路的骨 架。“d n a 金字塔”也可以用作投送药物的容器。科学家们期望最终能使用“d n a 金字塔”作为纳米材料的构建单元，成为更复杂d n a 纳米结构的模版。 目一 jj 寸“ 第一章绪论 1 4d n a 为横板合成金属纳米线 未作更改的d n a 虽然有着纳米级的线状结构但是电导率报低，限制它在电 子学中的用途 0 4 , t q 。而把d n a 分子作金属化处理可以使它具有良好的电学性能。 一般的做法是用金属阳离子吸附到d n a 上，通过还骧剂把金属离子还原，得到 金属纳米线。d n a 模扳法制各金属纳米线在过去的几年里得到了很大的发展。 文献有报道一些种类的金属通过以上方法可以生成纳米线材料，这些金属包括： 铂、钯、金、铜、钴等。金属离子吸附到d n a 后，形成金属一d n a 复合体，然 后被化学还原成金属单质，在d n a 上形成1 7n m 直径范围的金属团簇，这些团 簇作为形核点促使金属连续生长成为纳米线。 b r a u n 等人【1 q 成功的用银实现了上述目的，电导率很大程度上得到了提高。 在他们的方法中，银二价阳离子通过银与钠的离子交换，吸附到d n a 上。对苯 二酚被用来把d n a i 的银离子还原成银单质，这也自动催化溶液里银离子的减 少。要测量纳米线的导电性能对纳米线采取拉直措施与固定是必不可少的。研 究者通过水力流动和金一硫醇的络合作用实现了d n a 的拉伸与定位。从图i - 8 中 可以看出，银纳米线在两个金电极之间拉伸井固定。纳米线的直径在1 0 0 皿左 右( 见图i - 7 a ) 。从i v 曲线( 见图i - 7 b ) 可以得知，34 1 0 吗衄的电阻系数， 比块体的银材料高。尽管有这些缺点，但是他们的方法已经成为了用d n a 分子 作模板合成金属纳米线的典范。 _ 、巳_ i 泰一： 图1 - 7 d n a 模扳合成锃纳米线( a ) 及其电学特性( b ) f l 吕l - 7 a g m m o w i r e t e m p l a t o d o l l d n a ( a ) “t h ec l c c t z i c a l p r o l z r t y 0 3 ) 第一章绪论 摊。 e 爿 e ；。爿 i m 幽 ”+ 再 h 日+ h q2 0 m 2 ” ! - 4 图1 - 8 d n a 模板合成银纳米线示意图 f i g1 - 8 s c h e m a t i cv i e wo f f o t i o no f a gn a n o w i r e t e m p l a t e d o n d n a r i c h t e r 等人i i 7 1 ”用抗菌素一相d n a 为模板制备了导电的铂纳米线。导线平均 直径5 0 砌，电导率2 x 1 0 4s c m ，只比块体的铂材料小十倍。在活化过程中， 二价铂离子吸附到d n a 的骨架上。用一种常见的还原剂二甲胺硼烷把铂离子还 原成为直径2 - 4n r n 的团簇。在此预先形核的条件下，用铂电镀槽进行第二次处理 得到了连续的纳米线。在近期的更多工作中，r i c h t e r 等通过在把6 0n m 的铂纳 米线固定在两个5l l 血距离的电极之间，测得了随温度变化的电阻。他们发现了 铂纳米线有趣的电学特性。在3 0 k 的低温下，铂纳米线呈现了欧姆特性，电阻随 温度的降低线性降低。在3 0 k 咀下，电阻随温度的降低而升高( 见图l 一9 ) ，这种 行为与大部分的块体金属大相径庭。研究者们把这种行为归咎于量子效应。低温 下电阻的增加可能归因于纳米尺度下若的电子束缚和电子与电子之间的相互作 用1 2 0 - 2 2 】。对铂纳米线退火后发现电导率提高了，这与降低了结构中的无序程度有 关。退火温度2 0 0 下，发现电阻降低九到十倍。 第一章绪论 砸融 图1 4 d n a 模板台成铂纳米线( a ) 及其电阻随温度的变化( b ) f i g1 - 9s c 皿m 雌e l e c m m m k 。伽耳p h o f a 6 0 衄触i d n a n o w i m 蜘p l a c e d o n d n a ( a ) s a d k a 口* m l n d 科 n d e n ! 嗍d 衄o f t h r e e p d w i r e s ( b ) 图1 1 0 d n a 为模板合成钴纳米线的原子力显微国 f i gi - 1 0 a y m l m c o f a c o n a n o w i m t e i l “d n a 金属催化纳米团簇不一定从沉积相同类型金属开始，第二种类型的金属也可 以用来催化生长。这被叫做异相形核生长。f 0 r d 等人洲采取这种方法对d n a 书 金元素处理。被二价铂离子吸附的d n a 通过硼氢化钠还原成ln m 左右的铂团簇。 随后金电镀在d n a 模板上产生了4 6 咖的金纳米颗粒沉积。最近，o u 等人m 1 报 道了通过异相形核生长法在d n a 模板上组装钴纳米线。他们通过使用铂纳米团 簇合成了直径1 0 - 2 0 n m 的钴纳米线。图1 1 0 中给出了钴纳米线的原子力显微图， 纳米线的高度在1 4 皿左右。 形核与生长金属团簇是d n a 为模板组装金属纳米线的主要途径。然而，d n a 第一章绪论 直接组装金属纳米颗粒也受到了人们很大关注。幻皿盯等人嘲和s a s 竹等人8 6 墩 道了用赖氨酸包覆金颗粒( 4a m ) ，通过静电吸附作用把带正电的金纳米颗粒与 聚阴离子的d n a 骨架连接，形成了线状的阵列。p 咖h k y 等人口1 还实现了把金纳 米颗粒直接吸附在d n a 核苷的方法。 1 5d n a 为模板合成半导体纳米线 半导体纳米线由于它的光学和电学特性受到了科学研究人员的极大注意。生 物模板可以精确的控制半导体材料的结构、尺寸、形状等，从而影响材料的光学 与电学特性。在用生物分子为模板合成半导体纳米结构中，d n a 由于它的吸附 能力和容易操纵的结构，被人们使用地更为频繁。 c o f f 鹕人i ”l 使用环形的质粒d n a 做模板，合成了纳米c d s 晶体的环状排列。 首先，他们把d n a 与c d 的二价阳离子混合，形成c d 2 + i ) n a 鳍合物，然后把质粒 d n a 固定在已经功能化的平面上最后通入硫化氢气体，使生成c d s 纳米晶，并 且按照d n a 模板的形状、尺寸，排列成纳米结构。透射电子显微镜下环的大小 与d n a 完全一致( 见图1 1 1 ) ，纳米晶的尺寸在5 且m 左右( 见图1 - 1 2 ) 。 圈1 - 1 1 质粒d n a 为模扳台成c d s 纳米环 “5 “1 ”“。”甚：蓦僦鉴；：裟蒜黜警“”却“ 第一章绪论 图l 一1 2 c a s 纳米环的截面高倍透射电镜田 f l i - 1 2 h r t e m i m a g e o f o n es 硎叩o f a c d s d n ar i n g 硫化铜作为一种直接带隙半导体，也通过相似的方法，在d n a 模板上成功生 长。d i t u n e r 等人鲫通过把二价铜离子与d n a 吸附生成络合体，然后加入硫化 钠( 在水溶液中) 或硫化氢气体( 在固体表面) ，最后生成c u s 纳米晶的准一维 线状结构( 见图卜1 3 ) 。 鼬“”“。案裟翟裟黜船i 挈一“一s t 眦j b e 删e h f e 呻衄 鉴于半导体纳米颗粒的光学特性，s b j a p u m 等人哪地具有良好光学性质的 c d s e z n s 核壳结构纳米颗粒通过修饰带电后吸附到d n a 上，得到了线状的纳米 结构。在结构的表征上，他们充分利用了纳米颗粒的发光性能使用了荧光显微 镜代替了透射电子显微镜或者原子力显微镜。核壳结构的c d s e z n s 纳米晶通过用 虢基乙酸与巯基丁二酸的混合液修饰，使其带有正电荷，然后通过与d n a 的充 分混合并在疏水表面进行分子梳1 3 1 操作，使得发光的纳米晶按照d n a 的结构 第一章绪论 排列成平行的纳米线状结构。不同的d n a 与纳米颗粒的摩尔比，使得形貌有所 不同( 见图1 1 4 ) 。 除了先用阳离于活化d n a 再形核生成纳米晶的方法外。先合成纳米晶- 通 过化学修饰，使其带有正电荷，然后吸附到d n a 模板上的方法也被广泛尝试。 t o i _ i m o t o 等人用这种方法得到t c d s 纳米晶体的准一维密排结构。他们用反胶 柬的方法制备t c d s 纳米晶，通过修饰硫代胆碱，使纳米晶带有正电荷。然后， 在水溶液袁层形成一种能吸附d n a 的膜，使d n a 吸附到膜上。最后把修饰好的 纳米颗粒释放到溶液中，纳米颗粒便吸附到j d n a 模板上，形成d n a 模板上单 列排列的纳米晶结构( 见图i - 1 5 ) 。 圈1 1 4c d s 删纳米晶吸附到d n a 上的荧光显微圈。按照不同的p n a ( b p ) 】：【c 越瑚州摩尔比例- 分为a ( 7 6 ：1 ) 卫( 3 81 ) ，c ( h25 ) d ( 1 lo ) 圈中标尺2 5 a m f 培i 一1 4 f l u o r c s c c m i 衄g o f q u a j - 咖o w i r = o b t s i n c d f r o m d n ac o m p l e x e s 州m c 曲c ，z n s n p s a td i f f e r e n t d n a 】： c a s e z n s n p s m o l 虹r a t i o sr d n a ( b p ) ：【c d s c z m s n p s 】m o l a rr a t i o s ：7 6 ：1 ( a ) ，3 8 ：l ( b ) ，l ：2 5 ( c 】，l ：1 0 ( d ) ，s e v i l l e b 2 5 m 第一章绪论 图h 1 5 c 西纳米晶吸附到d n a 模扳上的髓m 田。宙a 为没有吸附d n a 的纳米晶 图b 为吸附到d n a 上的纳米晶，图c 为圈b 的高倍佃m 圈 f i g l 1 5 t i l m 血昭o f c a s 啦o p a 删c l 嚣c d s 聃n o p 删c l ( a ) a n d b o l h d n a d o i i b k 曲锄d sa n d c d s 血a 口碰c k 暑oa n dc ) ap i c l u m ( c ) i sa h i 曲m a g m 缸m i o s j 啦o f c d s o a n o p a f t i c l e s i n t h e m t o ys h o w d i n t h e m c n i r c 彻 第一章绪论 1 6 d n a 拉直技术 线性的d n a 在自然状态下是无规律地卷曲的分子梳技术m3 3 * 卅可以使 d n a 在平面上被拉直。要使金属或半导体纳米线能够应用到未来的微纳米器件 中，对其的拉直以及微观操作是非常有必要的。 分子梳技术拉直d n a 的过程一般是先将d l q a 的一端特异性地结合到基底表 面，然后在一个移动的气一渡界面的作用下，整个d n a 分子被均匀拉直，该过 程是不可逆的。其中，d n a 末端与基底表面的特异性结合是分子梳技术的关键 研究发现，在多种基底表面，如疏水硅烷化修饰玻璃、氨基硅烷化修饰玻璃、聚 四氟乙烯、聚苯乙烯、石墨、聚甲基丙烯酸甲酯、聚赖氨酸或某些蛋白修饰表面 都可以用分子梳技术拉直d n a i ”o 刈。 最初的分子梳是将敷微升d n a 溶液滴在基底上再盖上盖玻片，在表面张力 作用下，会产生弯月形“气一液”界面随着溶液的挥发，弯月面缓慢移动，将 d n a 分子拉直( 见图1 - 1 6 ) 。这被称为“滴液分子梳”唧。这种方法的缺点是d n a 拉直的方向不能确定。为了实现方向可控的分子梳人们采用了新的方法，如动 态分子梳口7 矧、旋转法、气流法叭虬4 1 增。 a c o h s | p 。一l i b 一 镟。 曩 第一章绪论 目前，大部分以d n a 为模板合成的纳米线的分子梳操作都是先在平面上拉 直d n a ，然后吸附金属离子，最后形成金属或者半导体纳米线。仅有一篇文 献【3 0 】里提到了长有c d s e z n s 纳米颗粒的d n a 在平面上被拉直。 对分子梳的结果可以采用原子力显微镜观察( 见图1 1 7 ) 。原子力显微镜已 经在d n a 的观察【4 h 5 】以及操作【4 6 ，4 7 1 上得到了广泛的应用，在以d n a 为模板的纳 米结构的观察 2 9 , 4 8 , 4 9 】上也有着不可替代的作用。 1 7 本研究的创新之处及意义 1 在已知的报道中，以d n a 为模板组装金属纳米结构居多，组装半导体纳米结 构的相对比较少。而以d n a 模板组装氧化锌纳米结构却从未报道过。氧化锌是 未来极具应用前景的半导体材料，能实现以d n a 模板组装成特定的氧化锌纳米 结构，必将为纳米光电子器件的发展起到推动作用。 2 在本研究中，采用原位合成方法制备d n a 模板上的氧化锌纳米链状结构。首 先，使二价锌离子吸附到d n a 模板上，通过恒温水浴并加入弱碱溶液的水热法， 制备得到了准一维排列的氧化锌纳米晶。该方法原理简单，所用设备少，反应时 间短，产率高，无毒无害，为大量制备氧化锌纳米链提供了可能性。 3 本研究对反应的机理进行了大量研究，通过红外吸收与电泳方法证明了锌离 子与d n a 的吸附不是简单的静电吸附，而是形成了稳固的化学连接。研究中还 通过改变反应物的浓度等参数，实现了氧化锌纳米晶尺寸的控制，进而实现了纳 米链的致密程度的控制，这为改变氧化锌纳米链的导电性能提供了依据。 4 对d n a 模板合成的半导体纳米链进行拉直操作在报道中非常少见，本文中采 用分子梳方法进行了初步尝试。 第二章实验原料及方法 2 1 实验原料 第二章实验原料及方法 1 化学试剂 本实验采用的化学试剂信息如表2 1 所示。 表2 1 化学试剂的规格及用途 试剂名称规格用途 实验中所采用的水均为经过高温灭菌的去离子水。 2 生化试剂 g o l dv i e w n ai 型核酸电泳染料j 购于b i od e v 公司。 琼脂糖( a g a r o s ei ) ，购于上海生工( b i o t e e h ) 公司。 3 d n a 鱼精d n a 购于鼎国公司，s i g m a 分装。 质粒d n a 购于鼎国公司。 九d n a e c o ri + h i n di i i 购于鼎国公司。 2 2 实验装置 2 2 1 恒温水浴装置 三口瓶置于水浴槽中，恒温加热装置为上海司乐仪器有限公司生产的8 5 2 型恒温磁力搅拌装置。为了达到更均匀的搅拌效果，没有使用该仪器的磁力搅拌。 而是使用天津华兴科学仪器厂生产的d 8 4 0 1 型搅拌棒装置，装置图见图2 1 。 1 6 第二章实验原料及方法 2 2 2 超声波清洗器 图2 - 1 恒温水浴装置 h g2 - 1w a t e r - b a t h w i t h t e m p e r a t u r e c o n t z o l l e r 为了使实验产物更好的分散以便制备均匀的透射电镜样品，采用超声分散装 置。仪器由上海科导超声仪器有限公司生产，型号s k 2 2 0 0 l h 。设有4 0 1 c 1 。i z 、 5 9 k h z 两种频率，最大功率9 0 w ，功率可调7 0 ，1 0 0 两档。 2 2 3 高温灭菌装置 为了防止细菌对d n a 的影响，对所用去离子水采取灭菌。简易的灭菌装置 是高温加热装置，所采用仪器为北京中兴伟业仪器有限公司生产的调温电热套。 型号z d h w ，最高可调温度3 8 0 。 2 2 4 离心装置 用聚甲基丙稀酸甲酯修饰载波片时，需采用旋转镀膜法。采用仪器为上海安 亭科学仪器厂生产的t g l - 1 6 0 c 型号台式高速离心机。所配转子为8 孔转子。 第二章实验原料及方法 2 2 5 电泳装置 为了研究d n a 与锌离子的吸附程度，实验中采用电泳装置。所用仪器为北 京市六一仪器厂生产的d y y - 4 c 型电泳仪。 2 2 6 冷冻干燥装置 为了从溶液中提取固体粉末，实验中采用冷冻干燥装置。所用仪器为北京四 环科学仪器厂生产的型号为l g j 1 0 的台式冷冻干燥机，冷冻温度为- - 4 5 。 2 2 7 紫外照射装置 在进行胶电泳后，需要对凝胶进行紫外照射，以观察d n a 染料所产生的电 泳带。所用仪器为北京市六仪器厂生产的w d 9 4 0 3 a 型荧光一紫外分析仪。 2 3 实验表征手段 2 3 1 透射电子显微镜( t e m l ) 样品的微观形貌观察采用f e i 公司生产的t e c n a ig 2f 2 0 型场发射透射电子显 微镜。该仪器采用2 0 0 k v 场发射电子枪，点分辨率0 2 4 8i l l l l ，线分辨率0 1 0 2n l l l 。 同时，该仪器配有x 射线能谱仪( e d x ) ，可以对材料的微区进行成分分析。 由于本文里涉及的实验产物均为纳米颗粒，故采用超薄碳膜支撑铜网( 购于 北京新兴百瑞技术有限公司) 制备透射电镜样品。可将含有样品的水溶液经过超 声分散后直接滴到铜网上，自然蒸干。 2 3 2 原子力显微镜( a f m ) 进行分子梳操作后要对盖波片表面进行微观形貌观察。本文中采用d i g i t a l i n s t r u m e n t 公司生产的型号为d 3 1 0 0 mm m a f m s t m 原子力显微镜。采用轻敲 模式( t a p p i n gm o d e ) 对样品进行扫描。探针采用n s g 2 0 型硅探针。 2 3 3x 射线粉末衍射分析( x r d ) 为了分析产物的物相，证明氧化锌的存在，本文中采用日本岛津理学电机公 司生产的d m a x 2 5 0 0 型x 射线粉末衍射仪进行测试。扫描角度为1 0 。一8 0 0 ，扫 第二章实验原料及方法 描速度为1 0 0 m i n 。x 射线由铜靶产生。 2 3 4 红外吸收光谱分析( f t i r ) 为了研究d n a 与锌离子吸附后化学键的变化，本研究中采用傅立叶变化红外 光谱分析仪。该仪器由美国尼高力公司生产，型号为4 7 0 。测试时将液体样品冻 干制成粉末，在反射模式下，4 0 0 - 4 0 0 0c m 1 范围内扫描。 2 3 5 光致发光性能分析( p l ) 光致发光性能是采用日立( h i t a c h i ) 公司生产的f 4 5 0 0 荧光分光光度计来测 试的。该仪器采用1 5 0w 的氙灯做光源，能发射2 0 0 9 0 0n m 波长的高强度光源。 该仪器可发射出指定的单波长激发光源。该仪器亦可用连续波长做激发光源，测 试样品的激发光谱。该仪器配有两个样品台，可分别测量液体与固体样品。本文 中所有样品为液体，液体样品由比色皿盛装。 2 4 实验方法 2 4 1 锌离子在d n a 模板下生成氧化锌 先把2 5m l 浓度为3 3 6m g m l 的d n a 水溶液与2 5m l 浓度为2 5m m 的 硝酸锌水溶液混合，静置2 4 小时，使带正电的锌离子与d n a 上的带负电的磷 酸根以及碱基上的n 原子充分吸附。将混合物置于三口瓶中对其水浴加热，到 4 0 时滴加( o 3m l s ) 加入5 0m l 浓度为5m m 的二乙醇胺( d e a ) 水溶液， 并采取低速搅拌，加热到7 0 保温1 5 分钟。之后停止加热，并将三口瓶在常 温水浴中冷却，之后将产物在冷藏条件下保存，以防止晶粒长大。 2 4 2 电泳实验 实验采取对比的方法，比较了d n a 溶液、d n a 与硝酸锌的混合溶液以及 m a r k e rd n a ( 一种在电泳中使用的标定d n a ，如果能在紫外灯下看见它的电泳 带，说明电泳实验是成功的，且能通过m a r k e r 电泳带标定d n a 分子的大小) 。 实验中采用了琼脂糖( a g a r o s ei ) 凝胶，将琼脂糖溶于t a i e 缓冲液，并高温搅 拌使其成为溶胶，在琼脂糖融化时加入了g o l d v i e w n ai 型核酸电泳染料( 可以 代替溴乙锭的染色剂，且没有溴乙锭等染色剂的致癌作用) 。融化了的琼脂糖在 模具中定型出有进样孔的片状凝胶，将凝胶放入电泳槽中。电泳槽中加入能盖过 1 9 第二章娈验原料及方法 凝胶的电泳缓冲液。取等量( 1 0 止) 的d n a 水溶液、d n a 与硝酸锌混合液、 m a r k e rd n a 分别与微量( 2l i l ) 上样缓冲液混合，分别滴加到电泳胶的三个进 样孔中，在7 0 v ，5 0 m a 的电场作用下进行电泳实验。经过2 0 分钟的电泳后， 取出琼脂糖凝胶，放八荧光一紫外分析仪中观察，采用波长为2 6 5n m 紫外光源 照射。采用o l y m p u s 数码相机在全自动模式下在取景窗内照相。 2 4 3 分子梳尝试实验 本研究采用气流法来进行分子梳尝试。将聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 溶于 氯苯溶液( 浓度1 0 0m g m l ) ，滴少量于洁净的盖波片上t 以3 0 0 0e p m 的转速旋 涂，形成一层p m m a 薄膜。将盏波片在1 6 0 下退火3 0 分钟。将样品滴1 0 止 于盖波片的p m m a 膜上，用稳定的氮气气流吹动液滴，使液滴在膜上缓慢移动 直到膜的外部。见示意图2 - 2 。 图2 - 2 气流法的示意图 f i g2 - 2s k e t c h m a p o f g f l o w i n g m e t h o d 本实验中将盛有样品的盖波片切为1 0 1 0 m m 的形状粘贴于原子力显撒镜 的样品台上。采用轻敲模式( t a p p i n gm o d e ) 进行扫描观察。 第三章实验结果与讨论 3 1 反应机理研究 第三章实验结果与讨论 为了在d n a 模板上得到氧化锌纳米链状结构，借鉴了制备纳米氧化锌的实验 原理及方法【5 0 1 。该实验方法可以简单描述为：在水浴加热条件下，在一定温度下 将二乙醇胺( d e a ) 水溶液加入到硝酸锌溶液中，加入d e a 后发生了如下的反应： z n ( n 0 3 ) 2jz n 2 + + 2 n 0 3 一 历2 + + 4 d e a 一 z n ( d e a ) 4 】2 + 与历2 + + 4 d 尉 d e a ( n h ( c h 2 c h 2 0 h ) 2 ) 马m 2 ( c h 2 c h 2 0 h ) 2 + + o h z n 2 + + 2 0 h 一+ 2 h 2 0 = z n ( o h ) 2