构建纳米颗粒和纳米棒组合结构的方法及构建的组合结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供了构建纳米颗粒和纳米棒组合结构的方法及构建的组合结构。该方法包括以下步骤：a、构建二维DNA基底；b、用单链DNA对纳米颗粒进行修饰，并用与修饰纳米颗粒的单链DNA不同的单链DNA对纳米棒进行修饰；c、将经单链DNA修饰过的纳米颗粒和纳米棒与二维DNA基底进行杂交，在二维DNA基底上形成纳米颗粒与纳米棒的组合结构，其中，二维DNA基底上连接有伸出二维DNA基底平面的与修饰纳米颗粒和纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针，与修饰同一个纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针是在二维DNA基底上成直线排列的多条单链DNA探针。本发明的构建纳米颗粒和纳米棒组合结构的方法可实现对纳米棒的可控操作，因此可构建所需结构的纳米颗粒和纳米棒组合结构。
【专利说明】构建纳米颗粒和纳米棒组合结构的方法及构建的组合结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，具体地讲，涉及一种基于DNA来构建由纳米颗粒和纳米棒形成的组合结构的方法以及由该方法构建的纳米颗粒和纳米棒组合结构。
【背景技术】
[0002]自1982年Seeman首先提出可以使用带有互补粘性末端的分枝DNA分子来构建二维有序阵列以来，DNA纳米技术得到了蓬勃的发展。1993年，第一个DNA双交叉结构(DNA double-crossover, DNA DX)诞生,该技术可以成功地自组装形成一系列二维阵列[Seeman, N.C.Biochemistry 1993, 32:3211] ； 1999 年,Holliday 交叉(Holliday junction)被报道并构建了平行四边形DNA结构单元，这些结构单元能自组装形成带有菱形孔穴的 DNA 二 维阵列[Seeman, N.C.J.Am.Chem.Soc.，1999，121:5437] ；2003 年，一种十字架形状的基元(4x4基元)被报道可以用来作为形成导电纳米线或蛋白质二维阵列的模板[Yan, H.; Park’S.H.; Ginkelstein, G.; et al.Science2003, 301:1882] ;2006 年，“支架 DNA折纸”(Scaffold DNA origami)技术被报道可以获得大约IOOnm大小、任意形状的二维结构，如矩形、正方形、三角形、星形和笑脸等形状[Rothemund, P.W.K.Nature2006, 440:297]。DNA自组装技术是一种效率非常高且非常有效的并行制造手段，其效率可高达95%以上，另外，DNA自组装技术的制造成本非常低。以DNA折纸为例，在一个ImL的试管中一次可以制造数十亿个二维DNA结构，每个二维DNA结构的成本以人民币计大约不到10_6分。
[0003]由于可以在二维DNA结构的任意位置选择性地修饰特定单链DNA，并且保持该单链DNA的取向伸出二维平面，所以如果引入被与该链互补的DNA修饰过的纳米粒子，则通过DNA序列互补配对原理可以实现在二维DNA结构的任意位置进行纳米粒子修饰，即利用二维DNA结构作为支架来引导纳米粒子在纳米尺度上的目标排列。Alivisatos等利用DNA作为模板自组装构建得到了不同的金纳米颗粒的二维聚集结构[Alivisatos, A.P.; Johnsson, K.P.; Peng, X.G.; et al.Naturel996, 382:609] ；Kiehl 等利用二 维 DNA 结构为模板得到了金纳米粒子的有序二维阵列结构[Le, J.D.; Pinto, Y.; Seeman, N.C.; etal.Nano Lett., 2004, 4:2343] ;Yan等利用DNA阵列为模板成功实现了量子点的二维有序自组装[Sharma, J.; Chhabra, R.; Liu, Y.; et al.Angew.Chem.1nt.Ed., 2006, 45:730]；Sleiman等通过“顶点有机分子”控制DNA自组装过程，成功地得到了六个金纳米粒子组成的平面环状结构[Aldaye, F.A.; Sleiman, H.F.Angew.Chem.1nt.Ed., 2006, 45; 2204]。这些研究结果表明DNA纳米技术是一种非常有效的制造纳米结构的手段。
[0004]目前纳米颗粒与纳米颗粒之间的可控组装已经发展得比较成熟，对它们之间的等离子基元光学特征的研究也较多。但纳米棒与纳米颗粒之间的组合结构采用以前的方法还难以得到，因此，对含纳米棒和纳米颗粒的一维组合结构的等离子基元光学特征研究的比较少。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于DNA来构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法。
[0006]根据本发明的一方面，提供了一种构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，该方法包括以下步骤:a、构建二维DNA基底；b、用单链DNA对纳米颗粒进行修饰，并用与修饰纳米颗粒的单链DNA不同的单链DNA对纳米棒进行修饰；c、将经单链DNA修饰过的纳米颗粒和纳米棒与二维DNA基底进行杂交，从而在二维DNA基底上形成纳米颗粒与纳米棒的组合结构，其中，二维DNA基底上连接有伸出二维DNA基底平面的与修饰纳米颗粒和纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针，与修饰同一个纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针是在二维DNA基底上成直线排列的多条单链DNA探针。
[0007]根据本发明的示例性实施例，与修饰同一个纳米颗粒的单链DNA互补的单链DNA探针可以至少为三条且所述至少三条单链DNA探针的序列相同。
[0008]根据本发明的示例性实施例，与修饰同一个纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针可以至少为六条且所述六条单链DNA的序列相同。
[0009]根据本发明的示例性实施例，可以通过DNA自组装技术来构建二维DNA基底。
[0010]根据本发明的示例性实施例，纳米颗粒可以为金纳米颗粒、银纳米颗粒和/或量子点。
[0011]根据本发明的示例性实施例，纳米棒可以为金纳米棒。
[0012]根据本发明的示例性实施例，在步骤b中用不同的单链DNA对纳米颗粒和纳米棒进行修饰之后，可以将多余的单链DNA除去。
[0013]根据本发明的示例性实施例，在步骤b中，用于修饰纳米颗粒和纳米棒的单链DNA为巯基DNA。
[0014]根据本发明的示例性实施例，在步骤c中的杂交温度可以低于二维DNA基底的解链温度。
[0015]根据本发明的另一方面，提供了 一种纳米颗粒和纳米棒的组合结构，所述组合结构形成在二维DNA基底上，纳米颗粒通过DNA链连接到二维DNA基底上，纳米棒通过与连接纳米颗粒的DNA链不同的DNA链连接到二维DNA基底上，其中，将同一个纳米棒与二维DNA基底连接的DNA链是在二维DNA基底上成直线排列的多条DNA链。
[0016]根据本发明的示例性实施例，将纳米颗粒和二维DNA基底连接的DNA链可以至少为三条,且所述至少三条DNA链的序列相同。
[0017]根据本发明的示例性实施例，将同一个纳米棒与二维DNA基底连接的DNA链可以至少为六条，且所述至少六条DNA链的序列相同。
[0018]根据本发明的示例性实施例，所述纳米颗粒可以为金纳米颗粒、银纳米颗粒和/
或量子点。
[0019]根据本发明的示例性实施例，所述纳米棒可以为金纳米棒。
[0020]根据本发明的基于DNA构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，可实现对纳米棒的可控操作，因此可以构建所需结构的纳米颗粒和纳米棒的组合结构，并且所构建的纳米颗粒和纳米棒的组合结构能够在室温下长时间保存。【专利附图】
【附图说明】
[0021] 通过结合附图进行的示例性实施例的以下描述，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得清楚和更易于理解，其中:
[0022]图1是根据本发明示例性实施例的方法构建的一个金纳米棒和一个直径为5nm的金纳米颗粒的组合结构的透射电子显微镜照片；
[0023]图2是根据本发明示例性实施例的方法构建的一个金纳米棒和一个直径为13nm的金纳米颗粒的组合结构的透射电子显微镜照片；
[0024]图3是根据本发明示例性实施例的方法构建的由两个金纳米棒和一个直径为5nm的金纳米颗粒形成的成线形结构的组合结构的透射电子显微镜照片；
[0025]图4是根据本发明示例性实施例的方法构建的由两个金纳米棒和一个直径为13nm的金纳米颗粒形成的成线性结构的组合结构的透射电子显微镜照片；
[0026]图5是根据本发明示例性实施例的方法构建的具有两个金纳米棒和一个直径为5nm的金纳米颗粒的组合结构(其中，两个金纳米棒成90°角)的透射电子显微镜照片；
[0027]图6是根据本发明示例性实施例的方法构建的具有两个金纳米棒和一个直径为13nm的金纳米颗粒的组合结构(其中，两个金纳米棒成90°角)的透射电子显微镜照片；
[0028]图7示意性地示出了根据本发明示例性的方法构建的纳米棒和纳米颗粒的组合结构的示意图。
【具体实施方式】
[0029]本发明的方法基于DNA自组装技术来构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构，该方法大体包括以下步骤:(I)构建二维DNA基底；(2)用单链DNA对纳米颗粒进行修饰，并用与修饰纳米颗粒的单链DNA不同的单链DNA对纳米棒进行修饰；(3)将经单链DNA修饰过的纳米颗粒和纳米棒与二维DNA基底进行杂交，从而在二维DNA基底上形成纳米颗粒和纳米棒的组合结构。
[0030]根据本发明的构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，二维DNA基底上连接有伸出二维DNA基底平面的与修饰纳米颗粒和纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针，与修饰同一个纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针是在二维DNA基底上成直线排列的多条单链DNA探针。
[0031 ] 在上述步骤中，修饰纳米颗粒和纳米棒的单链DNA与在DNA基底上伸出的单链DNA探针通过互补的DNA序列连接，因此，纳米颗粒和纳米棒可以固定在二维DNA基底上，从而构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构。
[0032]具体地讲，对纳米颗粒而言，修饰纳米颗粒的多条单链DNA与连接在二维DNA基底的预设位置上的单链DNA探针通过互补序列相互连接，从而可以将纳米颗粒固定到二维DNA基底的预设位置上。根据本发明的示例性实施例，为了将纳米颗粒牢固地固定在二维DNA基底上，与同一个纳米颗粒连接的单链DNA探针至少为三条。也就是说，纳米颗粒可以通过至少三条DNA链牢固地固定在二维DNA基底上。此外，根据本发明的示例性实施例，与修饰同一纳米颗粒的单链DNA互补的至少三条单链DNA探针的序列相同，与修饰不同的纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针之间的序列可以相同也可以不同。
[0033]此外，对纳米棒而言，修饰纳米棒的多条单链DNA与连接在二维DNA基底的预设位置上的多条单链DNA探针通过互补序列相互连接，从而可以将纳米棒固定在二维DNA基底的预设位置上。这里，由于多条单链DNA探针在二维DNA基底上基本成直线排列，所以可以将纳米棒以预设方向固定在二维DNA基底上，即，可以将纳米棒与多条单链DNA探针所成直线平行地固定在二维DNA基底上。需要说明的是，这里所提到的“直线”可以指多条单链DNA探针成单列排列而形成的直线，也可以指其他的近直线形状，例如，多条单链DNA探针成多列排列而形成的近直线形状。根据本发明的示例性实施例，为了将纳米棒牢固地固定在二维DNA基底上，与同一个纳米棒连接的单链DNA探针至少为六条。也就是说，纳米棒可以通过至少六条DNA链牢固地固定在二维DNA基底上。此外，根据本发明的示例性实施例，与修饰同一纳米棒的单链DNA互补的至少六条单链DNA探针的序列相同，与修饰不同的纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针之间的序列可以相同也可以不同。
[0034]根据本发明的示例性实施例，可以通过DNA自组装技术来构建二维DNA基底，例如，可以通过DNA折纸术来构建二维DNA基底。DNA基底大体成平面，从而使纳米棒与DNA基底基本上平行地固定在DNA基底上。根据本发明的示例性实施例，二维DNA基底的形状不受具体的限制，例如，二维DNA基底可以是矩形、正方形、三角形、星形等形状。
[0035]根据本发明的示例性实施例,在上述的步骤(2)中，如果修饰纳米颗粒和纳米棒的单链DNA多余，则将多余单链DNA除去，以防止多余的单链DNA在后续的杂交步骤(3)中对纳米颗粒和纳米棒在二维DNA基底上的固定和定位造成影响。根据本发明的示例性实施例，纳米颗粒可以是金纳米颗粒、银纳米颗粒、量子点等，这里，量子点指一种能够发射荧光的纳米颗粒。根据本发明的示例性实施例，纳米棒可以是金纳米棒。根据本发明的示例性实施例，可以使用巯基DNA对纳米颗粒和纳米棒修饰,从而利用巯基与纳米颗粒和纳米棒之间形成的共价键来实现单链DNA与纳米颗粒和纳米棒之间的稳定结合。
[0036]此外，在上述步骤(3)中的杂交温度低于二维DNA基底的解链温度，以防止二维DNA基底自身的分解。
[0037]本发明的纳米颗粒和纳米棒的组合结构是通过上述方法构建的。通过对上述构建方法的描述可见，本发明的纳米颗粒和纳米棒的组合结构形成在二维DNA基底上，纳米颗粒通过DNA链连接到二维DNA基底上，纳米棒通过与连接纳米颗粒的DNA链不同的DNA链连接到二维DNA基底上，其中，将同一个纳米棒与二维DNA基底连接的DNA链是在二维DNA基底上成直线排列的多条DNA链。
[0038]根据本发明的示例性实施例，将纳米颗粒和二维DNA基底连接的DNA链可以至少为三条，且所述至少三条DNA链的序列相同，这样可以将纳米颗粒牢固地定位在二维DNA基底上。根据本发明的示例性实施例，将同一个纳米棒与二维DNA基底连接的DNA链可以至少为六条，且所述至少六条DNA链的序列相同，这样可以将纳米棒牢固地固定在二维DNA基底上。
[0039]本发明的组合结构的纳米颗粒和纳米棒被准确地定位在二维DNA基底的预设位置上。
[0040]下面将参照附图和具体实施例来详细地描述根据本发明的基于DNA来构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法。虽然在以下各实施例中以通过DNA折纸术构建的瓦片状的60nmX90nm的二维DNA基底作为示例，但如上所述，本发明不限于此，可以以各种形状的二维DNA基底作为基底。[0041]以下各实施例中的60nmX90nm的二维DNA基底构建过程如下:
[0042]将具有表1中所列序列的200多种单链DNA与M13mpl8噬菌体单链DNA混合在TAE-Mg缓冲溶液中，使每种单链DNA的浓度为lOOnM，M13mpl8噬菌体单链DNA的浓度为5nM，即，使得在DNA混合溶液中，每种单链DNA与M13mpl8噬菌体单链DNA的摩尔比为20:1。这里，M13mpl8噬菌体单链DNA是从美国New England Biolabs (NEB)公司购得，其产品目录号为N4040s，具有7259个碱基；表1中所列的200多种单链DNA是由上海invitrogen公司加工合成。向上述DNA混合溶液中加入50XTAE-Mg(Mg2+浓度为12.5mM)溶液，直至DNA混合溶液中的TAE-Mg成为I XTAE-Mg。在PCR仪中进行退火，从94°C经12小时降至室温，从而形成60mnX90mn 二维DNA基底。在100V的电压下，以TAE-Mg作为缓冲液，用琼脂糖胶和SYBR green染料配胶进行电泳，从而得到纯化的浓度为5nM的二维DNA基底。
[0043]表1
[0044]
【权利要求】
1.一种构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: a、构建二维DNA基底； b、用单链DNA对纳米颗粒进行修饰，并用与修饰纳米颗粒的单链DNA不同的单链DNA对纳米棒进行修饰； C、将经单链DNA修饰过的纳米颗粒和纳米棒与二维DNA基底进行杂交，从而在二维DNA基底上形成纳米颗粒与纳米棒的组合结构， 其中，二维DNA基底上连接有伸出二维DNA基底平面的与修饰纳米颗粒和纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针，与修饰同一个纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针是在二维DNA基底上成直线排列的多条单链DNA探针。
2.如权利要求1所述的构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，其特征在于，与修饰同一个纳米颗粒的单链DNA互补的单链DNA探针至少为三条且所述至少三条单链DNA探针的序列相同。
3.如权利要求1所述的构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，其特征在于，与修饰同一个纳米棒的单链DNA互补的单链DNA探针至少为六条且所述至少六条单链DNA探针的序列相同。
4.如权利要求1所述的构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，其特征在于，通过DNA自组装技术来构建二维DNA基底。
5.如权利要求1所述的构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，其特征在于，所述纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒和/或量子点。
6.如权利要求1所述的构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，其特征在于，所述纳米棒为金纳米棒。
7.如权利要求1所述的构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，其特征在于，在步骤b中用不同的单链DNA对纳米颗粒和纳米棒进行修饰之后，将多余的单链DNA除去。
8.如权利要求1所述的构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，其特征在于，在步骤b中，用于修饰纳米颗粒和纳米棒的单链DNA为巯基DNA。
9.如权利要求1所述的构建纳米颗粒和纳米棒的组合结构的方法，其特征在于，在步骤c中的杂交温度低于二维DNA基底的解链温度。
10.一种纳米颗粒和纳米棒的组合结构，其特征在于，所述组合结构形成在二维DNA基底上，纳米颗粒通过DNA链连接到二维DNA基底上，纳米棒通过与连接纳米颗粒的DNA链不同的DNA链连接到二维DNA基底上， 其中，将同一个纳米棒与二维DNA基底连接的DNA链是在二维DNA基底上成直线排列的多条DNA链。
11.如权利要求10所述的纳米颗粒和纳米棒的组合结构，其特征在于，将纳米颗粒和二维DNA基底连接的DNA链至少为三条，且所述至少三条DNA链的序列相同。
12.如权利要求10所述的纳米颗粒和纳米棒的组合结构，其特征在于，将同一个纳米棒与二维DNA基底连接的DNA链至少为六条，且所述至少六条DNA链的序列相同。
13.如权利要求10所述的纳米颗粒和纳米棒的组合结构,其特征在于,所述纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒和/或量子点。
14.如权利要求10所 述的纳米颗粒和纳米棒的组合结构，其特征在于，所述纳米棒为金纳米棒。
【文档编号】B82B3/00GK103539065SQ201210237377
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年7月10日 优先权日:2012年7月10日
【发明者】王强斌, 陈中 申请人:中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所