一种螺旋桨状金纳米棒‑上转换纳米粒子的手性自组装超结构的制备方法与流程

本发明涉及一种螺旋桨状金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的制备方法，属于材料化学技术领域。

背景技术：

手性的纳米组装体是目前最为活跃的一个研究领域，广泛应用于生物传感、手性催化和光学器件等。组装基元的不同构象排布，将决定组装体的不同功能特性，尤其会产生显著不同的光学性质。手性活性的纳米组装体，按照组装基元成分，可以划分为聚合物组装体、贵金属组装体、半导体组装体、碳基纳米材料组装体及其纳米复合材料组装体。手性组装体具有不同的形态，主要表现为螺旋体、四面体、剪刀状的二聚体等。最近有研究报道指出，分子水平的螺旋浆状的有机复合物具有手性活性。然而，到目前为止，尚还没有在纳米水平上的螺旋浆状的手性组装体的研究报道。

镧系掺杂的上转换纳米材料，能够发射更高能量的磷光。与传统的下转换的荧光材料相比，上转换纳米材料具有窄发射带，长荧光寿命，无毒等优点。因此，在生物成像、癌症的诊断和治疗等领域，它们是一种前景光明的荧光材料。然而，常规的镧系掺杂的上转换荧光纳米材料的发射效率非常低，往往不超过1%；这限制了它们在生物医学和光学器件等领域的广泛应用。有研究指出，金属纳米材料的等离子共振耦合会增强荧光染料和荧光纳米粒子的荧光强度。最新的研究发现，等离子纳米粒子或纳米棒的组装体也可能实现上转换荧光强度的增强。然而，目前基于等离子的上转换荧光增强的研究都集中于刚性的固相金属基底，而不能在生物体内分散的刚性的固相金属基底，限制了其在生物医学领域的研究应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种螺旋桨状金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的制备方法，其将端面封闭的金纳米棒进行侧面核酸偶联，之后与互补核酸修饰的上转换纳米粒子杂交，自组装形成上转换纳米粒子为毂，金纳米棒为叶的“螺旋浆”状的金纳米棒-上转换纳米粒子的手性纳米组装体。该纳米组装体不仅具有强的手性吸收效应，而且在溶液状态下呈现出强的上转换荧光增强效应。

本发明的技术方案，一种螺旋浆状金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的制备方法，包括如下步骤：

（1）金纳米棒的合成：

①晶种合成：取洁净的三角烧瓶中加入含有0.25mM 的氯金酸和0.1M的十六烷基三甲基溴化铵CTAB溶液，然后加入0.6mL 新配制的 0.01M 硼氢化钠溶液快速搅拌2min，溶液颜色即由黄褐色变为浅棕色；

②金纳米棒生长：取5mL 4g/L的氯金酸溶液加入到 5mL 0.2M的CTAB溶液中，并加入4mL超纯水；另取0.125mL 0.01M硝酸银溶液和65µL的0.1M抗坏血酸溶液分别加入到上述混合体系中，28℃下搅拌反应2min，溶液由褐色变成无色；最后加入0.05mL步骤 ①所得晶种溶液搅拌20s之后30℃静置反应3h，得到金纳米棒溶液；

（2）上转换纳米粒子（NaGdF 4 :Yb，Er）的合成：将0.05-1mmol 六水合氯化钆、0.01-0.03mmol 六水合氯化镱和0.001-0.005mmol 六水合氯化铒，加入到 30mL 油酸与十八烯体积比1︰3的混合溶剂中。真空100℃加热脱水2h，反应液冷却至室温。滴加溶有 2.5 mmol NaOH 和 4 mmol氟化铵 的5mL甲醇溶液于上述反应液中。氮气氛下加热到 280-320℃，1h后停止反应。待反应液冷却至室温后，用乙醇沉淀，并洗涤三次，离心分离得到绿光发射的纳米颗粒。随后与一端为马来酰亚胺另一端为双磷酸修饰的聚乙二醇进行配体置换，获得分散在水相中的纳米颗粒；

（3）金纳米棒的核酸修饰：制备NR-DNA1复合体；取步骤（1）合成的200μL的金纳米棒8500 rpm 离心 15min，去上清后，沉淀重悬在 200μL的5mM CTAB 溶液中。然后，按摩尔浓度比金纳米棒（NR）︰DNA13为1︰80 的偶联比进行偶联，静置12h，离心，重悬于200μL 含5mM CTAB 的10mM Tris-HCl缓冲溶液中，然后加入1μL的DNA1，室温孵育2h，之后按摩尔浓度比金纳米棒︰聚乙二醇（PEG）为 1︰200 的偶联比，进行孵育偶联，最后，两次离心，去除多余的PEG，重悬于200μL的10mM Tris-HCl溶液中，得到NR-DNA1复合体。

（4）上转换纳米粒子的核酸修饰：制备UCNP-DNA2 复合体；取步骤（2）合成的100μL的上转换纳米粒子（UCNP），离心，重悬于100μL 10mM Tris-HCl溶液中，加入1μL的DNA2，并按摩尔浓度比上转换纳米粒子︰DNA2为1︰3的偶联比进行偶联，4h后，溶液转移至10kD的超滤管中，10000rpm超滤离心20min，去上清后，沉淀重悬在 100μL的10mM Tris-HCl溶液中，得到UCNP-DNA2复合体；

（5）金纳米棒-上转换纳米粒子手性自组装超结构的制备：将步骤（3）和步骤（4）得到200μL 的NR-DNA1 复合体及 5μL 的UCNP-DNA2复合体进行混合，室温下孵育2.5h，之后溶液8000rpm离心15min，去上清，重悬于100μL的10mM Tris-HCl溶液中，即得到螺旋桨状金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构。

所述螺旋桨状金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的圆二色信号强度可控调节，最大强度高达80.9 mdeg，各项异性因子高达2.1×10^-2。

所述螺旋桨状金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的荧光增强效应，能够在生物相容性的水溶液中可控增强，上转换荧光增强因子高达21.3。

本发明的有益效果：本发明在溶液体系中制备了手性的金纳米棒-上转换纳米粒子组装体超结构，调控特定组装基元的尺寸（金纳米棒的长径比，上转换纳米粒子的粒径，核酸序列的碱基长度），制备的纳米水平的四聚体，在可见光区域表现出非常强的可调的手性活性。此外，控制上转换纳米粒子与金纳米棒的间距，还能够在水溶液体系中实现上转换荧光增强，增强幅度高达21.3倍。

附图说明

图1 螺旋桨状的金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的透射电镜图。

图2 不同间距（金纳米棒与上转换粒子间距）的螺旋桨状的金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的圆二色图谱。

（1、NR750：纵向吸收为750nm的金纳米棒；2、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为11bp；3、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为24bp；4、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为36bp；5、UCNP20：20nm的上转换纳米粒子；6、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为18bp；7、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为30bp；8、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为45bp。）

图3 不同长径比金纳米棒的“螺旋桨”状的金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的圆二色图谱。

（1、UCNP20：20nm的上转换纳米粒子；2、NR700：纵向吸收为700nm的金纳米棒；3、AUT750：750nm的金纳米棒组装的四聚体；4、NR800：纵向吸收为800nm的金纳米棒；5、AUT800：800nm的金纳米棒组装的四聚体；6、AUT700：700nm的金纳米棒组装的四聚体；7、NR750：纵向吸收为750nm的金纳米棒。）

图4 不同间距（金纳米棒与上转换纳米粒子间距）的“螺旋桨”状的金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的荧光图谱。

（1、NR900：纵向吸收为900nm的金纳米棒；2、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为11bp；3、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为24bp；4、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为36bp；5、UCNP20：20nm的上转换纳米粒子；6、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为18bp；7、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为30bp；8、金纳米棒与上转换纳米粒子的间距为45bp。）

图5 不同长径比金纳米棒的“螺旋桨”状的金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构的荧光图谱。

（1、UCNP20：20nm的上转换纳米粒子；2、NR850：纵向吸收为850nm的金纳米棒；3、NR750：纵向吸收为750nm的金纳米棒；4。AUT900：900nm的金纳米棒组装的四聚体；5、AUT850：850nm的金纳米棒组装的四聚体；6、AUT800：800nm的金纳米棒组装的四聚体；7、AUT750：750nm的金纳米棒组装的四聚体；8、AUT700：700nm的金纳米棒组装的四聚体；9、NR900：纵向吸收为900nm的金纳米棒；10、NR800：纵向吸收为800nm的金纳米棒；11、NR700：纵向吸收为700nm的金纳米棒。）。

具体实施方式

所有的玻璃仪器都用王水浸泡24h，并用双蒸水清洗，晾干备用。实验中使用的水均为18.2 MΩ的Milli-Q 超纯水。

（1）金纳米棒的合成：

①晶种合成：取洁净的三角烧瓶中加入含有0.25 mM 的氯金酸和0.1M的十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）溶液，然后加入0.6 mL 新配制的 0.01M 硼氢化钠溶液快速搅拌 2min，溶液颜色即由黄褐色变为浅棕色。

②金纳米棒生长：取 5mL的 4g/L 氯金酸溶液加入到 5mL的 0.2 M的 CTAB溶液中，并加入4mL超纯水；另取0.125mL的0.01M 硝酸银溶液和 65µL的 0.1M 抗坏血酸溶液分别加入到上述混合体系中，28℃下搅拌反应 2min，溶液由褐色变成无色；最后加入0.05mL 步骤 ①所得晶种溶液搅拌20s之后 30℃静置反应 3h，得到金纳米棒溶液。

（2）上转换纳米粒子（NaGdF 4 :Yb，Er）的合成：将 0.05-1mmol六水合氯化钆、0.01-0.03mmol 六水合氯化镱和0.001-0.005mmol 六水合氯化铒，加入到30mL油酸与十八烯体积比1︰3的混合溶剂中。真空100℃加热脱水2h，反应液冷却至室温。滴加溶有 2.5 mmol NaOH 和 4 mmol氟化铵 的5mL甲醇溶液于上述反应液中。氮气氛下加热到 280-320℃，1h后停止反应。待反应液冷却至室温后，用乙醇沉淀，并洗涤三次，离心分离得到绿光发射的纳米颗粒。随后与一端为马来酰亚胺另一端为双磷酸修饰的聚乙二醇进行配体置换，获得分散在水相中的纳米颗粒。

（3）金纳米棒的核酸修饰：取步骤（1）合成的200μL的金纳米棒8500rpm 离心15min，去上清后，沉淀重悬在200μL 5mM CTAB 溶液中。然后，按摩尔浓度比金纳米棒（NR）︰DNA13 为 1︰80 的偶联比进行偶联，静置12h，离心，重悬于200μL含5mM CTAB 的10mM Tris-HCl缓冲溶液中，然后加入1μL的DNA1，室温孵育2h，之后按摩尔浓度比金纳米棒︰聚乙二醇（PEG）为 1︰200 的偶联比，进行孵育偶联，最后，两次离心，去除多余的PEG，重悬于200μL的10mM Tris-HCl溶液中，得到NR-DNA1复合体。

（4）上转换纳米粒子的核酸修饰：取步骤（2）合成的100μL的上转换纳米粒子（UCNP），离心，重悬于100μL 10mM Tris-HCl溶液中，加入1μL的DNA2，并按摩尔浓度比上转换纳米粒子︰DNA2 为 1︰3的偶联比进行偶联，4h后，溶液转移至10kD的超滤管中，10000rpm超滤离心20min，去上清后，沉淀重悬在 100μL 的10mM Tris-HCl溶液中，得到UCNP-DNA2 复合体；

DNA1: 5′-SH-GCT GCT GCT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT -3′；

DNA2: 5′-SH-TCG TCG TCG AAA AAA AAA AAA AAA AAA AAA -3′；

DNA13: 5′-SH-CCC CCC CCC CCC -3′。

（5）螺旋桨状的金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构：将步骤（3）和步骤（4）得到200μL 的NR-DNA1 复合体及 5μL 的UCNP-DNA2 复合体进行混合，室温下孵育2.5h，之后溶液8000 rpm离心15min，去上清，重悬于100μL 的10mM Tris-HCl溶液中，即得到螺旋桨状的金纳米棒-上转换纳米粒子的手性自组装超结构。