用于制备基于生物分子的金属纳米结构的方法
【专利说明】用于制备基于生物分子的金属纳米结构的方法发明领域
[0001]本发明涉及用于制备基于生物分子的金属纳米结构的方法，并且更具体涉及这样的制备金属纳米结构的方法，通过使用自我组装的生物分子，所述金属纳米结构的取向、形状和尺寸是可控的。
[0002]发明背景
[0003]纳米颗粒具有与大物质特性(bulkproperties)完全不同的独特特性(例如光学的、电磁的和催化的特性等等)。纳米颗粒具有这些特性的原因在于纳米颗粒具有增加的特定表面区域，其导致特性的变化。在金属纳米颗粒中，观察到了局域表面等离子体共振(LSPR)现象。金属纳米颗粒的吸收谱带的强度或频率取决于金属纳米颗粒的种类和放置纳米颗粒的金属种类而不同。进一步地，金属纳米颗粒的表面等离子体频率取决于所述颗粒的尺寸、形状和尺寸分布而不同。
[0004]用于制备此类纳米颗粒的方法可以分为自上而下(top-down)方法和自下而上(bottom-up)方法。自上而下方法是塑形成聚团(sculpts a mass)使其变小的工艺。该方法具有小型化的限制，因为其不能制备尺寸为50nm或更低的材料。自下而上方法是通过如垛砖块一样结合原子或分子来制备新的纳米材料的工艺。自下而上方法的典型实例包括自我组装技术。可逆性的弱相互作用如氢键、疏水作用和范德华力在生物分子如DNA、RNA和蛋白质之间起作用。此类可逆的相互作用允许生物分子自发经历自我组装成为复合结构，此现象成为“自我组装现象”。换言之，可以通过组装生物分子用这种自我组装现象来制备具有数纳米至数十纳米尺寸的纳米结构。然而，由于自我组装现象在特定条件下自发地发生，所以自我组装过程非常难于精确控制。
[0005]为了解决这一问题，韩国专利公开出版号N0.10-2012-0096120公开了改变反应条件(即温度、pH或盐浓度)来控制自我组装现象的方法的用途。然而，该方法有一个问题，在于生物分子难于快速控制，这是由于变化是应用于所述生物分子的水溶液的。
[0006]因此，需要继续对制备具有相同模式的纳米材料的方法进行研究，所述模式能自起始反应阶段制造想要的形状。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目标是提供用于制备金属纳米结构的方法，其基于生物分子的自我组装而不使用表面活性剂，并且其使得纳米结构的形状和大小能够自制备工艺的起始阶段容易地进行控制。
[0008]本发明的另一个目标是提供通过上述方法制备的金属纳米结构。
[0009]本发明的又一个方面是提供包含所述金属纳米结构的局域表面等离子体共振传感器。
[0010]为了达到上述目标，本发明提供了用于制备基于生物分子的金属纳米结构的方法，该方法包括如下步骤:
[0011](a)在金属纳米种子(nanoseed)表面形成自我组装的生物分子单分子层，由此形成金属纳米种子-生物分子复合物;和
[0012](b)使金属离子在所述复合物表面生长，同时用还原剂来还原所述金属离子。
[0013]在一个本发明的实施方案中，所述金属纳米种子-生物分子复合物可以通过如下步骤制备:
[0014](i)将脱硫生物素修饰的DNA结合至链霉亲和素修饰的磁性粒子以形成磁性粒子-DNA复合物；
[0015](ii)将金属纳米种子结合至所述复合物的DNA以形成磁性粒子-DNA-金属纳米种子复合物;和
[0016](iii)将生物素溶液添加至所述磁性粒子-DNA-金属纳米种子复合物以分开磁性粒子和DNA之间的键，并从复合物去除磁性粒子，由此获得金属纳米种子-DNA复合物，其中步骤(i)至(i i i)重复进行。
[0017]在本发明的另一个实施方案中，步骤(i)可以进一步包括在形成所述磁性粒子-DNA复合物后，将磁性粒子-DNA复合物添加至EDC和NHS的混合溶液的步骤，以激活DNA。
[0018]在本发明的又一个实施方案中，所述金属纳米种子-生物分子复合物可以通过如下步骤制备:(i)用具有末端二硫化物基团的寡核苷酸和具有羟基基团的低聚(乙二醇)(0EG-0H)处理所述金属纳米种子表面以形成自我组装的单分子层，由此修饰金属纳米种子表面；(ii)向金属纳米种子添加末端硫醇化的DNA，并通过配体交换反应从所述金属纳米种子分离和去除寡核苷酸，由此制备金属纳米种子-DNA复合物;和(iii)通过电泳回收所述金属纳米种子-DNA复合物。此处的寡核苷酸可以是脱氧三磷酸腺苷(dATP)。
[0019]在本发明的又一个实施方案中，所述金属纳米种子-生物分子复合物可以通过如下步骤制备:(i)将DNA嵌入分子插入到质粒DNA中然后脱盐，以获得质粒DNA溶液；(ii)向所述质粒DNA溶液添加金属纳米种子水溶液，以形成金属纳米种子-质粒DNA复合物;和(iii)用缓冲液(pH 10-14)处理所述金属纳米种子-质粒DNA复合物。
[0020]在本发明的又一个实施方案中，所述DNA嵌入分子可以是1-芘丁酸(PBA)或S-(2-[[4-(2-菲基)丁基]氨基]乙基)硫代硫酸氢酯(S-(2-[ [4-(2-phenanthryl)butyl]amino]ethyl)hydrogen sulfuroth1ate))。
[0021]在本发明的又一个实施方案中，所述金属离子的来源可以选自下组之一:四氯金
(III)酸(hydrogen tetrachloroaurate(III)) (HAuCU)、四氯金(III)酸钠(NaAuCl4)、氯化金(III)(AuC13)、和四氯金(III)酸钾(KAuCl4)。
[0022]在本发明的又一个实施方案中，所述还原剂可以是选自下组的一项或多项:羟胺(NH20H)、二苯胺磺酸钠、抗坏血酸、和聚(稀丙基胺)盐酸盐(ρο 1 y ( a 11 y 1 am i n e )hydrochloride)。
[0023]在本发明的又一个实施方案中，所述方法还可以进一步包括在步骤(b)之后，向所述复合物添加MPA以终止生长的步骤。
[0024]在本发明的又一个实施方案中，所述金属纳米种子可以是选自下组的任一者:纳米球(nanosphere)、纳米棒(nanorod)、纳米棱柱(nanoprism)和纳米片(nanosheet)，并具有l-100nm的尺寸。
[0025]在本发明的又一个实施方案中，所述金属纳米种子可以由选自下组的任一者制成:金(Au)、银(Ag)、铀(Pt)、钯(Pd)、铜(Cu)、娃(Si)、锗(Ge)、招(A1)、和金属氧化物。
[0026]在本发明的又一个实施方案中，所述生物分子可以是选自下组的任一者:单链DNA、双链DNA、DNA寡聚物、RNA寡聚物、质粒DNA、多肽、和蛋白质，其中所述单链DNA、双链DNA、DNA寡聚物和RNA寡聚物长度为5-5000bp，而所述质粒DNA长度为800-10000bp。
[0027]本发明还提供通过所述方法制备的基于生物分子的金属纳米结构。此处的金属纳米结构可以是选自下组的任一项:纳米球、纳米棒、纳米棱柱和纳米片，并可具有5_500nm的尺寸。
[0028]本发明还提供包含所述金属纳米结构的局部表面等离子体共振传感器。
[0029]附图简述
[0030]图1是显示通过逐个(one-after-another)法来形成金属纳米种子-DNA复合物的工艺的示意图。
[0031]图2是显示沉积于金属纳米种子-DNA复合物上的金属离子的示意图。
[0032]图3是显示获取自金属纳米种子-DNA复合物的琼脂糖凝胶电泳的条带的示意图。
[0033]图4A是显示沉积于金属纳米种子-DNA复合物上的金属离子的HR-TEM图像。
[0034]图4B是照片，其显示由将金属离子沉积于金属纳米种子-DNA表面上导致的生长溶液颜色变化。
[0035]图5是HR-TEM图像，其显示金属离子和MPA之间的结合作为时间的函数。
[0036]图6描绘了根据本发明的一个实施方案的金属纳米结构的HR-TEM图像和示意图。
[0037]图7是根据本发明的一个实施方案的纳米结构的X射线衍射光谱；图7六是HR-TEM图像;图7B是FFT图像。
[0038]图8是根据本发明的一个实施方案的纳米结构的X射线能量色散光谱。
[0039]图9是根据本发明的一个实施方案的纳米结构的示意图。图9A是金属纳米种子的TEM图像，而图9B和9C是根据本发明的实施方案的纳米结构的TEM图像。
[0040]图10描绘了显示质粒DNA的沉降系数作为pH的函数的图，以及显示超螺旋状态变化的示意图。
[0041 ]图11A是根据本发明的一个实施方案的纳米卷曲(nanocoil)的HR-TEM图像，而图11B是根据本发明的一个实施方案的纳米盘(nanodisk)的HR-TEM图像。
[0042]图12是显示实施例1和2中制备的金属纳米种子和金属纳米结构的局域表面等离子体共振(LSPR)的强度的图。
[0043]实施发明的最佳方式
[0044]下文对本发明进行具体描述。
[0045]本发明涉及用于制备基于生物分子的金属纳米结构的方法，并且其特征在于可以从制备工艺的起始阶段制备具有想要的尺寸和形状