专利名称：借助于非现场生产的纳米金属粒子进行核酸的敷金属的方法
技术领域：
本发明涉及一种采用自发结合到核酸上的预形成的金属纳米粒子进行核酸的敷金属的方法。然后，所附着的粒子经无电沉积增长。所述粒子和敷金属的核酸能够用于形成纳米导线，用于电子网络和电路，以便能够进行高密度布置。采用离析的核酸模板化的纳米粒子的单电子带电性能，能够进行其它应用，例如存储设备。
此外，已知核酸的“金属化作用”，其系指金属原子和核酸中某位置之间的直接结合方法，所述位置尤其是嘌呤核苷酸(G和A)的N-7原子。这类反应已得到广泛研究，因为其与抗癌药的机理有关，主要是Pt(II)或Pt(IV)络合物(“铂酸盐化作用”)。具有这种行为的其它金属络合物包括Pd、Ru、Au、Rh的络合物。络合物需要至少一个“不稳定”配体作为“离去基团”，以便以这种方式结合。
还有，作为抗癌药已经广泛研究核酸结合剂。非共价键结合剂包括“嵌加剂”和“嵌入结合剂(groove binder)”。以共价结合的试剂一般称作“烷基化剂”。已知每类试剂的许多例子，以及具有结合能力的分子。对特殊碱基对结合或序列或其它“识别部位”的选择性可调到高的程度(例如“药物目标”)。
WO 99/04440，发表于1999年1月28日，叙述了DNA的敷金属的三步法。首先，使银离子(Ag+)经Ag+/Na+离子交换沿DNA定位，在Ag+和DNA核苷酸基之间形成络合物。然后，采用碱性氢醌溶液还原所述银离子/DNA络合物，形成结合到DNA骨架上的纳米银粒子。随后采用氢醌和Ag+的酸溶液使纳米银粒子“展开”，在处于弱光条件下进行，相似于标准照相冲洗加工步骤。这种方法生产出的银导线宽约100nm，微分电阻约10MΩ。
还有，Pompe等[Pompe等，(1999)，Z.Metallkd.90，1085；Richter等，(2000)，Adv.Mater.12，507]叙述了将DNA作为敷金属模板来生产纳米金属导线。其敷金属方法包括采用Pd(CH3COO)2水溶液处理DNA两小时，然后加入作为还原剂的二甲胺硼烷(DMAB)溶液。在加入还原剂几秒钟内在DNA上生长出直径3～5nm的纳米钯粒子。在约1min之后，得到准连续覆盖，其金属聚集体尺寸为20nm。
有两份关于借助静电组合体将带正电荷的纳米金粒子附着于DNA上的近期出版物[Kumar等，(2001)，高等材料(AdvancedMateriols)，第13卷，第341页；Sastry等，(2001)，应用物理通讯(Applied Physics hetters)，第78卷，第2943页]。这些论文未讨论借助于无电镀膜法使所附着的粒子增大。Richter等发表了关于DNA敷金属的文章[Richter等，(2001)，应用物理通讯，第78卷，第536页]。另外还介绍一篇关于通过使金蒸发进行DNA敷金属的论文[Quake和Scherer，(2000)，科学(Science)，第290卷，第1536页]，还有一偏关于将DNA用于组合预形成的纳米金导线的论文[Mbindyo等，(2001)，高等材料，第13卷，第249页]。上述出版物均未呈现对本发明的直接影响。也有几篇近期论文及专利，是关于将金属纳米粒子，特别是金，结合到诊断应用的低聚核苷酸上，但是这些文献也均未涉及本发明。
EP 00126966.1叙述了借助于非现场生产的金属纳米粒子进行核酸的敷金属。该专利叙述了通过借助附着到纳米粒子上的核酸结合基团改善选择性来改善上列目前工艺方法。尽管如此，所述方法也有两个缺点。一个缺点，需要合成能够结合到核酸和纳米粒子两者上的分子(称为“连接分子”)。
EP 00125823.5中叙述的就地方法防止这些缺点之中的许多方面发生，但是又产生了其它缺点。就地法的一个缺点是，纳米成核作用位置的密度被在第一步骤中结合到核酸上的金属络合物的密度所限制。这一限制又被下述事实所加强，即，在第二步(还原)期间所形成的每个粒子可以含有数十个金属原子。另外，虽然对于在核酸上的络合物结合的位置有所控制，但是在第二步中原子的扩散则难以预计所得粒子的定位。
关于核酸合成技术及改善已成为许多出版物的主题。特别是，这些方法叙述在下列书籍中生物有机化学核酸(BioorganicchemistryNucleic Acids)(S.M.Hecht编，Oxford University出版，1996)和生物共轭技术(Bioconjugate Techniques)(G.T.Hermanson编，Academic Press出版，1996)。更具体地说，在《生物有机化学核酸》中由M.Van Cleve所编的章(第3章，第75～104页)叙述自较小单元组合双股链核酸的“热处理”和“络合物形成”技术。同书中M.J.O’Donnell和L.W.McLaughlin所编的章(第8章，第216～243页)和《生物共轭技术》中的一章(第17章，第639～671页)叙述了核酸和低聚核苷酸的化学改性步骤以及信息基团(荧光团、顺磁标记等)的共价连接。这些技术也应用于附着用作例如氧化还原-活性剂的金属络合物，以及应用于附着键裂催化剂，但是未用于敷金属之目的。
化学改性的一个实例是“溴活化”。与N-溴丁二酰亚胺的反应，例如，引起鸟嘌呤残基的C-8位和胞嘧啶的C-5位的溴化。然后，胺亲核体通过亲核取代偶合到这些位置，将各种官能基团引入到核酸上。采用这些方法的衍生位置与碱基配对期间的氢键合无关，因此没有显著干忧杂化能力。
自例如US 5,503,877和US 5,560,960已知“两步”无电镀膜法。首先将待镀基材暴露在含有金属离子的溶液中，然后暴露在还原剂溶液中，还原剂将金属离子还原成金属催化剂。催化剂金属通常是Pd，但是也可以至少是Pd、Cu、Ag、Au、Ni、Pt、Ru、Rh、Os和Ir之一，其通常与含有至少一个氮原子的有机配本相结合。所沉积的金属能够是磁性的，例如Co、Ni、Fe和合金，其可以含有B或P，它们由还原剂(如氢硼化物或次磷酸盐，参见US 3,986,901，US 4,177,253)引入。
按照Duff等的步骤制造的纳米金粒子在结构上涉及Schmid的专利膦稳定的M55粒子[US 4,454,070(1984)]，其中M是过渡金属，包括Au、Rh、Ru、Pd、Ni和Co。其同样地涉及Hainfeld等的专利水溶性的、膦稳定的金粒子[US 5,360,895(1994)和US 5,521,289(1996)]，其中膦是三苯基膦衍生物。尚无与核酸相结合的或者采用关于合成其它纳米金属或金属合金粒子的路线、按照Duff等的步骤制备金粒子的报告。但是，后者是可行的，因为已知三(羟甲基)膦(THP)与几种金属的稳定水溶性络合物，所述金属如Ni(O)、Pd(O)、Pt(O)[Ellis等，(1992)，无机化学(Inorganic Chemistry)，第31卷，第3026页]，此外还有Au(I)[Berning等，(1998)，核医学和生物学(NuclearMedicine&Biology)，第25卷，第577页]。
在按照Duff等进行合成粒子期间，可能发生下述反应。
(1)氢氧化钠中和氯化四(羟甲基)鏻，生成三(羟甲基)膦(THP)和甲醛
(2a)在氢氧化钠存在下用THP还原四氯金酸(III)氢，生成金属金和氧化膦(2)(2b)反应(1)中生成的甲醛也能用作还原剂(2c)THP还原H[AuCl4]也能生成THP-Au(I)络合物，例如Duff等在将其渗析除去副产物和盐之后，对其干燥制剂进行了元素分析，测得含有7％P。
三(羟甲基)膦(THP)的氨甲基衍生物THP(P(CH2OH)3)是膦(PH3)和甲醛(3×H2CO)的衍生物。就这点而论，其以曼尼希反应与伯胺(RNH2)和仲胺(R1R2NH)进行缩合形成氨甲基膦衍生物(GB842,593(1969)；Daigle等，(1974)，杂环化学杂志(Journal ofHeterocyclic Chemistry)，第11卷，第407页；Henderson等，(1994)，化学会志(Journal of the Chemical Society)化学通讯(Chemical Communications)，第1863页；U.S.5,948,386(1999)；Berning等，(1999)，美国化学会志(Journal of the AmeficalChemical Society)，第121卷，第1658页；Krauter和Beller，(2000)，四面体(Tetrahedron)，第56卷，第771页]。与THP一样，氨甲基膦衍生物的络合物形成稳定的水溶性金属络合物[Joó等，(1996)，有机金属化学杂志(Journal of OrganometallicChemistry)，第512卷，第45页；Otto等，(1998)，无机化学通讯(Inorganic Chemistry Communications)，第1卷，第415页；Kovács等，(2000)，Comptes Rendus de l’Académie desSciences-Series IIC-Chemistry，第3卷，第601页]。因此，通过这些改善能够使DNA结合剂附着到金属纳米粒子上。虽然THP-Au粒子已经具有DNA-结合趋势，但是附着结合部分能够，例如，用于增强结合或者产生更大的专一性。
含有多个OH基团的分子(“多元醇”)，如糖，结合到DNA上[DelVecchio等，(1999)，国际生物大分子杂志(International Journalof Biological Macromolecules)，第24卷，第361页；Hayashida等，(2001)，化学通讯(Chemistry Letters，第272页)]，有人已经提出，一些抗菌素和抗癌药的糖残基可以起DNA槽的一般结合要素的作用[Nicolaou等，(1992)，美国化学会志，第114卷，第7555页]。对于这种相互结合作用而言，氢键合大概是重要的。已知某些水溶性化合物增强氢键合。这些化合物一般称作“kosmotropic”剂(即结构形成剂)或“渗透质(osmolytes)”[Arakawa和Timasheff，(1985)，生物物理杂志(Biophysical Journal)第47卷，第411页；Galinski等，(1997)，综合生物化学和生理学(ComprehensiveBiochemistry and Physiology)，第117A卷，第357页]。结构形成剂的实例有甜菜碱、脯氨酸和二甲基亚砜。
进行核酸的敷金属的本发明方法解决了所提出的问题，其中提供三(羟甲基)膦-Au(THP-Au)粒子或其衍生物，使所述粒子结合到核酸上形成金属纳米粒子-核酸复合材料，在需要纳米导线的情况下，采用无电镀膜溶液处理金属纳米粒子-核酸复合材料。
在关于核酸的敷金属的研究工作期间，我们令人惊异地发现[通过AFM]在THP-Au粒子在溶液中培育时，或者在核酸暴露到基材上的粒子上时，在核酸上的THP-Au粒子显示非常好的模板化。我们还发现，模板化的粒子对无电镀金膜溶液和无电镀银膜溶液是相当活泼的。我们知道，所述粒子主要带负电。因为核酸也是带负电的，结合机理不是静电相互作用的结果。因此，该机理不同于先有技术所述的核酸的敷金属的机理。
按照本发明，在核酸游离在溶液中时，能够进行所述THP-Au粒子结合到核酸上，固定在其端部的一端或两端上，例如电极上，固定在基材上或者以半固态进行，例如凝胶态。
另外，优选按照本发明的方法，其中所述THP-Au粒子结合到核酸上在水溶液中进行，或者在水-有机溶剂的混合溶剂的溶液中进行。
敷金属的核酸能够选自脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、戊糖核酸(PNA)、CAN、低聚核苷酸、DNA的低聚核苷酸、RNA的低聚核苷酸、primers、A-DNA、B-DNA、Z-DNA、DNA的聚核苷酸、RNA的聚核苷酸、核酸的T-联结、核酸的三聚物(triplexe)和四聚物(quadruplexe)、非核酸聚合物-核酸嵌段共聚物相区以及上述的组合。用于嵌段共聚物的适宜非核酸聚合物能够是聚肽、多糖如右旋糖，或人造聚合物如聚乙二醇(PEG)，这一般已为本领域技术人员所知。核酸能是或者双链的或者单链的。
在本发明方法的另一个优选实施方案中，初级粒子尺寸(芯直径)为0.5～5nm，优选为1～3nm。在结合到核酸上期间的所述THP-Au粒子的浓度为1μM～1mM，优选为10μM～0.1mM。结合在0～80℃下进行，优选在20～50℃下进行。反应的pH为2～10，优选为4～8。在应用水可溶混的有机溶剂的情况下，其浓度(Vol％)为0.1～95％，优选为1～90％。在Au(I)-THP络合物的情况下，应用[Au(THP)x]+(其中x代表1、2、3或4)，浓度为1μM～0.1M，优选为0.1mM～10mM。在应用盐的情况下，其浓度为1μM～10M，优选为0.1mM～1M。最后，在应用结构形成剂的情况下，其浓度为1mM～10M，优选为10mM～1M。
在本发明方法的再一个实施方案中，THP-Au粒子的Au能够被选自Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Pt、Au的其它金属或这些金属的组合(如合金)所取代。另外，THP-Au粒子的THP能够被改性，例如以曼尼希反应采用伯胺(RNH2)和仲胺(R1R2NH)来进行，形成氨甲基膦衍生物[GB 842,593(1969)；Daigle等，(1974)，杂环化学杂志，第11卷，第407页；Henderson等，(1994)，化学会志，化学通讯，第1863页；U.S.5,948,386，(1999)；Berning等，(1999)，美国化学会志，第121卷，第1658页；Krauter和Beller，(2000)，四面体，第56卷，第771页]。在本发明范围中术语THP-Au粒子的“衍生物”包括所有这些改性物。
在按照本发明方法的再一个优选实施方案中，金属纳米粒子经无电镀膜溶液处理，所述溶液含有选自Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Ag、Pt、Au的金属的混合物或这些金属的组合(如合金)或者磁性和/或磁化的Fe、Co、Ni或这些金属的组合(如合金)或者这些金属与B或P的组合(如合金)。
下述本发明的问题通过能够按照本发明方法之一得到的敷金属的核酸而进一步解决。
在本发明的另一方面中，所述问题通过可按照本发明方法得到的金属纳米粒子或纳米导线的线性排列而解决。在另一方面中，所述问题通过可自本发明方法之一得到的纳米导线而解决。本发明的纳米导线能够形成包含至少一个纳米导线的电子网络或者包含至少一个按照本发明的电子网络的电子电路。另外，本发明纳米导线能够以其不完全敷金属的形式用作电子零件，其中在沿核酸链配置的各个纳米粒子之间存在或多或少绝缘空间，如此纳米导线由单个导电的岛组成。这种发明结构能够形成或者能够是包含至少一根纳米导线的电子网络或电子电路的部分。在这样的电子网络或电子电路中，可以形成在两根或多根导线之间的接点，其中，每根导线均有邻近构成纳米导线的接点的连接部分。再者，包含纳米导线的网络可以是混合电子结构的一部分。
本发明是我们的按照文献步骤制备的水溶性纳米金粒子自发结合到核酸上这一发现的成果。我们还测定出粒子在结合之后能够通过无电镀金或银得到增大。另外已发现所得结构是导电的。
本发明所提出的解决方法函盖的优点有(1)对核酸有选择性和(2)简单且通用。
下述敷金属方法为先有技术领域所述的方法的重要可替代方法。
本发明的实施方案包括三步(1)提供THP-Au粒子，(2)将THP-Au粒子结合到核酸上，和(3)用无电镀膜溶液处理粒子-核酸复合材料。变量包括步骤(2)是核酸在溶液内形式下进行还是在表面上进行，在粒子合成期间所用的反应物的确切比例、粒子浓度、所用溶剂(水或混合的水-有机溶剂)、pH、温度、粒子抗衡离子的性质以及粒子溶液中添加剂(盐、有机化合物等)的存在。
下文较详细地叙述这些步骤步骤(1)合成THP-Au粒子粒子合成我们使用的纳米金粒子按照Duff等，(1993)，Langmuir，第9卷，第2310页所述的步骤来制备。所以，“通过碱性氯化四(羟甲基)鏻还原四氯金酸(III)氢生成平均金属-芯直径1～2nm的含磷金溶胶”。作者报告了在确切条件下的几个变化(如浓度和化学计量)以及它们如何影响粒子尺寸。后来，将通过这些一般步骤制备的纳米粒子用来以金涂布氧化硅粒子[Wescott等，(1998)，Langmuir，第14卷，第5936页]和用于制备低温CO氧化用的在载体上的金催化剂[Grunwaldt等，(1999)，催化剂杂志(Journal ofcatalysis，第181卷，第223页]。尚无这些粒子与核酸相结合的报告，也没有应用这种方法合成其它金属或金属合金的纳米粒子的报告。
步骤(2)将THP-Au粒子结合到核酸上DNA和多元醇的相互作用没有成熟的资料提供这些相互作用，如插层反应和槽结合，但是认为这些相互作用可以与本发明有关，因为在纳米金粒子表面上的THP配体每个均有3个羟基(OH)。因为THP可能通过磷原子结合到金上，OH基可能面向外。另外，因为每个金芯均被约10～15个THP配体构成的壳所围绕，所以粒子基本上用OH基团所包围。多种物理测试证明诸如糖等多元醇与DNA的相互作用[DelVecchio等，(1999)，国际生物大分子杂志，第24卷，第361页；Hayashida等，(2001)，化学通讯，第272页]，已经提出一些抗菌素和抗癌药的糖残基可以起DNA槽的一般结合要素的作用[Nicolaou等，(1992)，美国化学会志，第114卷，第7555页]。在粒子溶液中存在添加剂(盐、结构形成剂等)能够改变结合强度。
步骤(3)用无电镀膜溶液处理粒子核酸复合材料借助于无电镀膜法进行金属纳米粒子的控制增长近几年有许多出版物和专利涉及这方面的内容。最值得注意的是M.J.Natan小组的工作[例如U.S.6,025,202，(2000)；Brown等，(2000)，材料化学(Chemistry of Materials)，第12卷，第306页]。该工作主要目标是用于分析目的的，特别是提高表面的拉曼散射(SERS)和电化学的控制尺寸、形状和密度的金属纳米粒子的应用。
现通过举例说明的实施例及参照附图
对本发明作进一步叙述。
图2示出按照实施例1生产的、在用Gold Enhance溶液处理之后的THP-Au DNA复合材料的AFM图象。
图3示出按照实施例1生产的、在用Gold Enhance溶液处理之后的THP-Au DNA复合材料的SEM图象。
图4示出按照实施例2生产的THP-Au DNA复合材料的AFM图象。
图5示出按照实施例3生产的THP-Au DNA复合材料的AFM图象。
实施例2将自实施例1的THP-Au粒子溶液采用含有70mg/l DNA(得自小牛胸腺)和0.01M磷酸钠的溶液(pH7.0)稀释6倍。所得溶液在50℃水浴中加热1hr，然后在4℃下保持24hr。将所得溶液加到云母基材上，并用MgCl2进行处理。在1min之后，用水漂洗所得基材，并进行干燥。AFM图象展现了用单个粒子模板化的DNA分子(图4)。
实施例3含有0.065[Au(THP)4]Cl的水溶液采用1∶6摩尔比的NaAuCl4与THP进行反应来制备[Berning等(1997)，ChemischeBerichte/Recueil，第130卷，第907页]。THP采用THPC与一当量NaOH进行反应来制备(方程1)。所得溶液用水稀释得到Au(I)络合物的1mM溶液。使部分存一个月的THP-Au制剂[采用Duff等(1993)叙述的大量金溶液变形进行合成的]通过与所得1mM溶液平衡的SephadexG-50柱。从柱流出的溶液含约6μM THP-Au粒子和1mM[Au(THP)4]Cl。将足够遮盖具有固定DNA的硅基材(如实施例1所述制备)的所得溶液加到基材上，保持10min。此后，用水漂洗基材并进行干燥。AFM图象展现了大部分用1～3nm尺寸的THP-Au粒子复盖的DNA分子，在硅表面上则相对很少(图5)。
权利要求
1.一种进行核酸的敷金属的方法，包括-提供三(羟甲基)膦-Au(THP-Au)粒子或其衍生物，-使所述THP-Au粒子结合到核酸上，生产金属纳米粒子-核酸复合材料，和-用无电镀膜溶液处理金属纳米粒子-核酸复合材料。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于所述THP-Au粒子结合到核酸上在溶液中进行，附着在其端部的一端或两端上，固定在基材上或者以半固态进行，例如凝胶态。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于核酸选自脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)、戊糖核酸(PNA)、CAN、低聚核苷酸、DNA的低聚核苷酸、RNA的低聚核苷酸、primers、A-DNA、B-DNA、Z-DNA、DNA的聚核苷酸、RNA的聚核苷酸、核酸的T-联结、核酸的三聚物和四聚物、非核酸聚合物-核酸嵌段共聚物相区以及上述的组合。
4.按照权利要求1～3中任何一项的方法，其特征在于核酸是双链的或单链的。
5.按权利要求1～4中任何一项的方法，其特征在于所述THP-Au粒子结合到DNA上在水的溶液中进行，或者在水-有机溶剂混合溶剂的溶液中进行。
6.按权利要求1～5中任何一项的方法，其特征在于初级粒子尺寸(芯直径)为0.5～5nm，优选为1～3nm。
7.按权利要求1～6中任何一项的方法，其特征在于所述THP-Au粒子在结合到核酸上时的浓度为1μM-1mM，优选为10μM～0.1mM。
8.按照权利要求1～7中任何一项的方法，其特征在于结合在0～80℃下进行，优选为20～50℃。
9.按照权利要求1～8中任何一项的方法，其特征在于反应的pH为2～10，优选为4～8。
10.按照权利要求1～9中任何一项的方法，其特征在于使用水可溶混的有机溶剂添加剂，其浓度(Vol％)为0.1～95％，优选为1～90％。
11.按照权利要求1～10中任何一项的方法，其特征在于使用Au(I)-络合物添加剂，其浓度为1μM～0.1M，优选为0.1mM～10mM。
12.按照权利要求1～11中任何一项的方法，其特征在于使用盐添加剂，其浓度为1μM～10M，优选0.1mM～1M。
13.按照权利要求1～12中任何一项的方法，其特征在于使用结构形成添加剂，其浓度为1mM～10M，优选为10mM～1M。
14.按照权利要求1～13中任何一项的方法，其特征在于金属纳米粒子核酸复合材料在溶解在溶液中时用无电镀膜溶液进行处理，附着在其端部的一端或两端，固定在基材上，或者以半固态进行，特别是凝胶态。
15.按照权利要求1～14中任何一项的方法，其特征在于在纳米粒子的芯中的金属选自Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Ag、Pt、Au或这些金属的组合，特别是合金。
16.按照权利要求1～15中任何一项的方法，其特征在于在THP-Au粒子中的THP与伯胺或仲胺缩合。
17.按照权利要求1～16中任何一项的方法，其特征在于金属纳米粒子采用无电镀膜溶液进行处理，所述溶液包含至少一种选自Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Ag、Pt、Au的金属或者这些金属的组合，特别是合金。
18.可按照权利要求1～17中任何一项的方法得到的敷金属的核酸。
19.一种制造纳米导线的方法，包括按照权利要求1～17中任何一项进行核酸的敷金属。
20.可按照权利要求19的方法得到的纳米导线。
21.按照权利要求20的、具有包含THP-Au/核酸复合材料的结构的纳米导线。
22.包含至少一根按照权利要求20或21的纳米导线的小型网络或电子电路。
23.按照权利要求1～17中任何一项进行核酸敷金属的方法的应用。
全文摘要
本发明涉及一种进行核酸的敷金属的方法，包括提供三(羟甲基)膦－Au(THP－Au)粒子或其衍生物；将所述THP－Au粒子结合到核酸上，生产金属纳米粒子－核酸复合材料；和用无电镀膜溶液处理金属纳米粒子－核酸复合材料。本发明还涉及可按照所述方法得到的敷金属的核酸以及纳米导线，其包括制造纳米导线的方法。
文档编号H01L51/30GK1402363SQ02127468
公开日2003年3月12日 申请日期2002年8月2日 优先权日2001年8月3日
发明者W·E·福德, J·维塞尔斯, O·哈纳克, A·雅舒达 申请人:索尼国际(欧洲)股份有限公司