基于光谱研究生物功能化的纳米材料

论文摘要

十几年前,寡聚核苷酸被固定在金纳米颗粒的表面。此后,这项技术获得了广泛的应用,如：诊断和识别核酸和蛋白质,控制纳米材料的组装,痕量检测污染物。无论是修饰纳米材料还是检测生物分子,将DNA稳定地连接在金纳米颗粒的表面和精确控制修饰的DNA数量是关键的技术。很多的研究者设计了各种方案确定固定在金纳米颗粒表面DNA的数目,分离不同数目DNA固定的金纳米颗粒和研究不同方法修饰的金纳米颗粒与不同途径标记的DNA亲和性的差异。本文的目标主要集中在利用荧光光谱、拉曼光谱、红外光谱、紫外可见吸收光谱等光谱手段对DNA在金纳米颗粒和银纳米颗粒表面共价连接和非特异性吸附进行定性观测和定量分析。论文的第一部分工作主要是：实现DNA在金纳米颗粒的表面快速和稳定的共价连接,并精确测量和控制固定在金纳米颗粒表面的DNA的数目。采用方法如下：构建Au-DNA-FAM的共振能量转移对,其中FAM（荧光染料的一种,荧光发射峰在517nnm）为能量的供体,粒径为13nm金纳米颗粒（吸收峰在520nm）,巯基修饰的含有22个碱基对的DNA序列为连接部分,DNA标记有巯基的一端和金纳米颗粒形成Au-S共价键,DNA的另一端连接FAM。可以通过荧光染料分子FAM的荧光值变化来表征DNA在金纳米颗粒表面为共价连接还是物理吸附,并通过DNA上标记的荧光染料分子FAM对未连接和共价连接的DNA数量进行标定。用Zony1-FSN包覆金纳米颗粒和TCEP预处理巯基修饰的DNA是我们试验中关键的两步。Zony1-FSN保护的金纳米颗粒可以抵御1M浓度的氯化钠；而高浓度的盐可以增加巯基修饰的DNA固定在金纳米颗粒表面的速率。这样一轮实验所需要的时间可以从通常的两天降到数个小时。TCEP能够还原巯基之间形成的二硫键,能够提高加入的DNA的连接效率从而减少实验的不确定因素。我们观察到的现象有：（1）溶液中加入SH-DNA-FAM后,FAM的荧光值在最初的十分钟有较快的下降,在接下来的一个小时内缓慢下降,两个小时候荧光值趋于稳定。溶液中加入DTT后,FAM的荧光值迅速恢复。（2）从HPLC色谱图上可以看出,2.71min保留时间处对应的为形成二硫键的DNA, TCEP处理后的量值为处理前的1/4,3.14min保留时间处对应的为未形成二硫键的DNA,其量值处理后是处理前的五倍。（3）在我们的实验条件下,金纳米颗粒对于物理吸附在其表面的DNA-FAM荧光呈增强作用,约为两倍。对于共价连接的SH-DNA-FAM呈现荧光淬灭的作用,一旦用DTT将DNA从金纳米颗粒表面取代,FAM的荧光即可恢复。（4）在DNA的浓度为1/3-2微摩尔之间,连接在金纳米颗粒表面的数量和添加的DNA浓度呈线性关系。试验研究结果：（1）经过Zonyl-FsN包裹的金纳米颗粒和SH-DNA-FAM之间的连接反应在两个小时之内就结束,比传统的方法（Mirkin连接方法）需要的时间（两天）大大缩短。（2）在金纳米颗粒上修饰DNA的数目从平均数目为30-160根每个金纳米颗粒可调。关键的原因是经过TCEP处理后的DNA,其末端修饰的巯基大部分都被活化,即体系中加入的DNA量和实际参加反应的DNA量相差很小。（3）金纳米颗粒表现出对FAM存在荧光增强和荧光淬灭两种效应。同样,应用光谱的方法,我们还表征了氨基修饰的DNA和表面修饰羧基的PS聚苯乙烯磁性微球的通过缩合反应形成酰胺键的共价连接。这里,主要应用紫外可见吸收光谱和红外光谱。在紫外可见吸收光谱中,溶液在260nm处的吸收值下降,说明游离的DNA数量减少；在红外光谱中,连接了DNA的样品在1080cm-1和1231cm-1处出现新的归属于DNA和RNA磷酸根和磷脂的振动峰,证明DNA共价连接在PS聚苯乙烯磁性微球的表面。论文的第二部分工作主要是：制备了银纳米颗粒并进行表面修饰,研究其对不同序列DNA的表面增强拉曼散射（SERS）效应。银纳米颗粒和金纳米颗粒具有相似的光学特性：在可见光区域有强烈的吸收,SPR （Surface Plasmon Resonance）峰位置在420nmm左右（金纳米颗粒的SPR峰在：520-580nm）；在相同粒径的条件下,银纳米颗粒消光系数是金纳米颗粒的四倍,同样也有溶液的颜色随粒径之间距离变化的特点。但银纳米颗粒在SPR比色传感中使用较少,主要的原因是银纳米颗粒表面容易被氧化,还原法制备的银纳米颗粒表面的官能团不易被取代,银纳米颗粒在DNA连接和杂交的条件下不稳定。我们利用银纳米颗粒可观的表面SERS增强效应,研究银纳米颗粒和腺嘌呤、未标记的DNA序列和富含腺嘌呤的DNA单链之间的相互作用。我们合成了分布均匀的粒径约为50nm和70nm的银纳米颗粒,并用APTMS（3-氨基丙基三甲氧基）将银纳米颗粒组装到玻璃表面构成拉曼基底。这样构建的拉曼基底可以对若丹明检测到纳摩尔量级,同样,亦得到腺嘌呤,未标记的DNA序列和富含A碱基的DNA单链的拉曼光谱。通过光谱分析可以等到有关不同碱基相对含量的信息。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪言
• 1.1 纳米材料
• 1.1.1 金、银纳米颗粒的合成
• 1.1.2 金、银纳米颗粒的特性
• 1.2 生物材料DNA
• 1.2.1 DNA的特征
• 1.2.2 DNA定量的方法
• 1.3 纳米材料的生物功能化
• 1.3.1 金纳米颗粒的表面修饰
• 1.3.2 银纳米颗粒的表面修饰
• 1.4 纳米材料生物功能化的表征
• 1.4.1 光谱表征
• 1.4.2 其它表征手段
• 1.5 纳米材料生物功能化的应用
• 1.5.1 应用实例
• 1.6 本论文的目的和设想
• 第二章 纳米颗粒和DNA连接光谱定性和定量化
• 2.1 前言
• 2.2 不同粒径金纳米颗粒合成和表征
• 2.2.1 实验材料和设备
• 2.2.2 实验方法
• 2.2.3 材料的表征
• 2.3 金纳米颗粒和DNA共价连接及光谱定量
• 2.3.1 实验材料和设备
• 2.3.2 实验方法
• 2.3.3 实验结果,计算讨论
• 2.4 荧光增强和淬灭的讨论
• 2.4.1 荧光增强可能的机理
• 2.4.2 荧光淬灭可能的机理
• 2.5 PS聚苯乙烯微球和DNA共价连接及光谱定性
• 2.5.1 实验材料及设备
• 2.5.2 实验方法
• 2.5.3 实验的结果及讨论
• 2.6 小结
• 第三章 基于拉曼光谱研究DNA对银纳米颗粒的修饰
• 3.1 前言
• 3.2 不同粒径银纳米颗粒合成和表征
• 3.2.1 实验材料和设备
• 3.2.2 实验方法
• 3.2.3 银纳米表征及讨论
• 3.3 SERS基底的制备和表征
• 3.3.1 实验材料和设备
• 3.3.2 SERS基底制备过程
• 3.3.3 SERS基底表征及讨论
• 3.4 拉曼光谱表征DNA修饰银纳米颗粒
• 3.4.1 实验的材料
• 3.4.2 实验过程
• 3.4.3 结果和讨论
• 3.5 小结
• 参考文献
• 发表的论文
• 致谢