一种三维手性银纳米材料的制备方法

摘要

本发明属于纳米材料与光学领域，提供一种以DNA骨架为模板的三维手性银纳米材料的制备方法，该方法以DNA骨架为模板吸附银纳米离子，通过还原剂将银纳米离子还原为银纳米颗粒。具体包括如下步骤：1)DNA三维空间骨架的制备；2)DNA骨架吸附银纳米离子；3)超滤去除未吸附的银纳米离子；4)还原剂还原银纳米颗粒。解决现有技术中利用手性分子制备的手性纳米材料出现组装产率低、组装体结构不均一等问题，提供一种以DNA骨架为模板的三维手性银纳米材料的制备方法。该方法通过调节体系中银纳米离子和还原剂的浓度可有效控制银纳米颗粒的生长尺寸，透射电镜结果显示四个银纳米颗粒呈螺旋状排列从而解释了其手性信号的来源。

权利要求

1.一种三维手性银纳米材料的制备方法，其特征在于：该银纳米材料以DNA骨架为模板吸附银纳米离子，通过还原剂将银纳米离子还原为银纳米颗粒，从而得到具有强手性的银纳米组装材料；

其中，该DNA骨架由4条单链DNA相互杂交形成；

其中，4条DNA单链分别为：L1，序列如SEQ ID NO.1所示；L2，序列如SEQ ID NO.2所示；

L3，序列如SEQ ID NO.3所示；L4，序列如SEQ ID NO.4所示；

DNA单链经过改造，通过碱基互补配对形成一个DNA金字塔的空间骨架，金字塔共6条边，在其中的四条边上内嵌有10个碱基C的序列。

2.根据权利要求1所述的三维手性银纳米材料的制备方法，其特征在于：该制备方法包括如下步骤：

1)DNA三维空间骨架的制备：将四条单链DNA分子：L1、L2、L3、L4等体积混合，碱基之间通过互补配对杂交形成具有一个DNA金字塔的空间骨架即DNA三维空间骨架；

2)DNA骨架吸附银纳米离子：向步骤1)制备的三维DNA骨架中加入AgNO3溶液，Ag+可以特异性的吸附在碱基C表面；

3)超滤去除未吸附的银纳米离子：对步骤2)制备的溶液进行超滤，去除溶液中未吸附子DNA表面的Ag+；

4)还原剂还原银纳米颗粒：向步骤3)制备的溶液中加入硼氢化钠，将Ag+还原为Ag纳米颗粒，三维手性银纳米材料制备完成。

3.根据权利要求2所述的三维手性银纳米材料的制备方法，其特征在于：该制备方法具体包括如下步骤：

1)DNA三维空间骨架的制备：

4种不同的单链DNA：L1、L2、L3、L4，分别用缓冲液重悬至100-500nM，水浴后，快速冷却到4℃或逐渐冷却到室温，在冷却的过程中，四条单链DNA相互杂交形成具有DNA金字塔的空间骨架即DNA三维空间骨架；

2)DNA骨架吸附银纳米离子：

取步骤1)制备的DNA三维空间骨架，加入AgNO3溶液，DNA与AgNO3的摩尔比为1:50-1:

200，避光反应震荡过夜；

3)还原剂还原银纳米颗粒：

取步骤3)反应溶液100ul，加入终浓度为200-500mM的硼氢化钠溶液，溶液颜色逐渐变黄，最终由无色变成亮黄色，则银纳米颗粒制备完成。

4.根据权利要求3所述的三维手性银纳米材料的制备方法，其特征在于：该制备方法具体包括如下步骤：

1)DNA三维空间骨架的制备：

浓度为100mM的4种不同的单链DNA：L1、L2、L3、L4，分别用10mM tris-HCl缓冲液重悬至终浓度为500nM，4种单链DNA分子，各取50uL等体积混合，95℃水浴5分钟后，快速冷却到4℃，在冷却的过程中，四条单链DNA相互杂交形成500nM的具有DNA金字塔的空间骨架，即DNA三维空间骨架；

2)DNA骨架吸附银纳米离子：

取步骤1)制备的DNA三维空间骨架200uL，加入AgNO3溶液，DNA与AgNO3的摩尔比为1:

200，避光反应震荡过夜；

3)超滤去除未吸附的银纳米离子：

取步骤2)制备的溶液200uL，用超纯水稀释至600uL，分3份，13000r/min离心10分钟后，用超纯水恢复至200uL，重复超滤一次后，再用质量体积比1％、分子量为55000的聚乙烯吡咯烷酮重悬，最终溶液的总体积为200uL；

4)还原剂还原银纳米颗粒：

步骤3)制备的超滤之后的溶液取100uL，加入终浓度为500mM的硼氢化钠溶液，10秒钟后溶液颜色逐渐变黄，最终由无色变成亮黄色，则银纳米颗粒制备完成。

说明书

一种三维手性银纳米材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于纳米材料与光学领域，涉及一种以DNA骨架为模板的三维手性银纳米材料的制备方法。

背景技术

[0002] 纳米是衡量材料尺度的一种单位，1nm等于10-9米，相当于10个原子的大小。纳米技术是在单个原子或分子尺度上准确识别、观测和控制物质的个数、种类和几何构型的一门多个学科交叉的研究技术。纳米技术的出现将人类带入了一个全新领域——“介观”。它存在于微观和宏观之间，空间范围在1到100nm，处在这狭小世界内的物质有着很多奇特的光学、磁学、电学及力学等性质，这类物质以及以由它们作为单个元素组成的材料统称为纳米材料。

[0003] 手性纳米材料的制备是近年来研究的热点方向，利用手性纳米材料特殊的旋光作用可以用来筛选手性生物分子、构建手性传感器并用于食品重要危害因子、生物大分子、以及疾病早期诊断等重要领域。利用单个纳米颗粒组装具有不对称空间构象的手性纳米自组装结构是DNA自组装技术的重要应用，也是制备多功能性手性材料的重要途径。三维纳米颗粒螺旋体是最典型的手性结构之一，利用DNA折纸技术可以成功制备均一、高产的纳米螺旋体，并且可以精确控制螺旋体的几何尺寸、纳米颗粒之间的距离以及对映体的构型，是目前比较成熟的技术手段。然而手性纳米材料的制备目前仍处于初级阶段，开发新型手性纳米组装材料制备新方法和新途径，并对其手性产生的机制进行研究和探索是未来的研究方向。

[0004] 目前，手性纳米材料的制备主要是运用多种手性分子(如，蛋白质，多肽，DNA等)将纳米材料组装成不同空间构型。在平面偏振光的作用下，手性分子和纳米粒子发生等离子共振，手性分子本身的手性信号(200-350nm)会转移到纳米粒子表面，圆二色谱表现为在纳米材料的等离子共振波长处有明显的圆二色信号。然而，利用该方法制备的手性纳米材料常常出现组装产率低、组装体结构不均一等问题，从而严重影响其光学性质和实际应用。

[0005] 因此，开发手性纳米材料制备新方法、新途径，从而得到均一、高产、稳定的手性纳米材料是一种技术创新发展方向。

发明内容

[0006] 本发明的目的是解决现有技术中利用手性分子制备的手性纳米材料出现组装产率低、组装体结构不均一等问题，提供一种以DNA骨架为模板的三维手性银纳米材料的制备方法。

[0007] 1.本发明提供一种三维手性银纳米材料的制备方法，该银纳米材料以DNA骨架为模板吸附银纳米离子，通过还原剂将银纳米离子还原为银纳米颗粒，从而得到具有强手性的银纳米组装材料；

[0008] 其中，该DNA骨架由4条单链DNA相互杂交形成；

[0009] 4条DNA单链分别为：L1，序列如SEQ ID NO.1所示；L2，序列如SEQ ID NO.2所示；L3，序列如SEQ ID NO.3所示；L4，序列如SEQ ID NO.4所示。

[0010] 2.上述1提供的三维手性银纳米材料的制备方法，其中，该DNA单链经过改造，通过碱基互补配对形成一个DNA金字塔的空间骨架，金字塔共6条边，在其中的四条边上内嵌有10个碱基C序列；

[0011] DNA单链可以人工设计合成，DNA金字塔四条边上内嵌的碱基C序列由DNA单链本身序列提供。生长出来的四个银离子在金字塔的四个边上。

[0012] 3.上述2提供的三维手性银纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

[0013] 1)DNA三维空间骨架的制备：将四条单链DNA分子等体积混合，碱基之间通过互补配对杂交形成具有一个DNA金字塔的空间骨架即DNA三维空间骨架；

[0014] 2)DNA骨架吸附银纳米离子：向步骤1)制备的三维DNA骨架中加入AgNO3溶液，Ag+可以特异性的吸附在碱基C表面；

[0015] 3)超滤去除未吸附的银纳米离子：对步骤2)制备的溶液进行超滤，去除溶液中未吸附子DNA表面的Ag+；

[0016] 4)还原剂还原银纳米颗粒：向步骤3)制备的溶液中加入硼氢化钠，将Ag+还原为Ag纳米颗粒，三维手性银纳米材料制备完成。

[0017] 4.上述3提供的三维手性银纳米材料的制备方法，具体包括如下步骤：

[0018] 1)DNA三维空间骨架的制备：

[0019] 4种不同的单链DNA：L1、L2、L3、L4，用缓冲液重悬至100-500nM，水浴后，快速冷却到4℃或逐渐冷却到室温，在冷却的过程中，四条单链DNA相互杂交形成具有DNA金字塔的空间骨架即DNA三维空间骨架；

[0020] 2)DNA骨架吸附银纳米离子：

[0021] 取步骤1)制备的DNA三维空间骨架，加入AgNO3溶液，DNA与AgNO3的摩尔比为1∶50-1∶200，避光反应震荡过夜；

[0022] 3)还原剂还原银纳米颗粒：

[0023] 取步骤3)反应溶液100ul，加入终浓度为200-500mM的硼氢化钠溶液，溶液颜色逐渐变黄，最终由无色变成亮黄色，则银纳米颗粒制备完成。

[0024] 5.上述4提供的三维手性银纳米材料的制备方法，具体包括如下步骤：

[0025] 1)DNA三维空间骨架的制备：

[0026] 浓度为100mM的4种不同的单链DNA：L1、L2、L3、L4，用10mM tris-HCl缓冲液重悬至终浓度为500nM，4种单链DNA分子，每管取50uL等体积混合于1.5mL离心管中，95℃水浴5分钟后，快速冷却到4℃，在冷却的过程中，四条单链DNA相互杂交形成500nM的具有DNA金字塔的空间骨架即DNA三维空间骨架；

[0027] 2)DNA骨架吸附银纳米离子：

[0028] 取步骤1)制备的DNA三维空间骨架200uL，加入AgNO3溶液，DNA与AgNO3的摩尔比为1∶200，避光反应震荡过夜。

[0029] 在反应的过程中，带正电荷的Ag+特异性地吸附在DNA骨架中的碱基C上直到达到饱和，未吸附的Ag+分散在溶液中；

[0030] 3)超滤去除未吸附的银纳米离子：

[0031] 取步骤2)制备的溶液200uL，用超纯水稀释至600uL，分别加入到3个0.5mL 30kDa的超滤管中，每管200uL，13000r/min离心10分钟后，用超纯水恢复至200uL，重复超滤一次后，再用质量体积比1％、分子量为55000的聚乙烯吡咯烷酮重悬，最终溶液的总体积为200uL；

[0032] 4)还原剂还原银纳米颗粒：

[0033] 步骤3)制备的超滤之后的溶液取100uL至1个PCR管中，加入终浓度为500mM的硼氢化钠溶液，10秒钟后溶液颜色逐渐变黄，最终由无色变成亮黄色，则银纳米颗粒制备完成；

[0034] 亮黄色为观察结果，只要是出现黄色都说明还原是成功的，颜色的程度与粒径的大小有关系。

[0035] 本发明的有益效果：

[0036] 1.本发明利用碱基C对Ag+的特异性吸附作用，将Ag+固定在DNA骨架上，通过还原剂+将Ag还原为银纳米颗粒，有效避免了纳米颗粒后组装产物的不稳定和不均一性。

[0037] 2.对溶液采用2次超滤，有效去除了体系中未吸附的Ag+，保证只有吸附在DNA骨架上的Ag+被还原为Ag纳米颗粒，提高了本方法的特异性。

[0038] 3.通过合理设计DNA序列，可控的将Ag纳米颗粒内嵌到DNA骨架上，四个银纳米颗粒形成螺旋结构，使其具有较强的圆二色性，开发了一种手性纳米材料制备的新途径和新方法。

[0039] 4.通过调节体系中银纳米离子和还原剂的浓度，在未达到饱和值之前，加入的银离子的数量越多，生长的银纳米颗粒的粒径越大；银离子的浓度一定时，还原剂的量越大，生长的银纳米颗粒的粒径越小，可有效控制银纳米颗粒的生长尺寸。

附图说明

[0040] 图1三维手性银纳米组装体高分辨透射电镜图，硼氢化钠浓度为500mM。

[0041] 图2三维手性银纳米组装体低倍透射电镜图，硼氢化钠浓度为500mM。

[0042] 图3三维手性银纳米组装体制备前后的圆二色谱图。

[0043] 图4三维手性银纳米组装体制备前后的紫外光谱图。

[0044] 图5三维手性银纳米组装体金字塔空间结构示意图。

具体实施方式

[0045] 下面结合实施例对本发明做进一步说明，下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域的公知手段。

[0046] 实施例1

[0047] (1)DNA三维空间骨架的制备

[0048] 4种不同的单链DNA由生工生物工程(上海)股份有限公司：L1序列如SEQ ID NO.1所示；L2序列如SEQ ID NO.2所示；L3序列如SEQ ID NO.3所示；L4序列如SEQ ID NO.4所示，表1显示所用4条单链DNA的序列，黑色斜体为碱基C序列，带正电荷的Ag+特异性地吸附在DNA骨架中的碱基C上。4条单链DNA的初始浓度均为100mM，分别用10mM tris-HCl缓冲液重悬至终浓度为500nM，4种DNA分子，每管取50uL等体积混合于1.5mL离心管中，95℃水浴5分钟后，快速冷却到4℃，在冷却的过程中，四条单链DNA相互杂交形成具有三维空间构型的DNA组装体。表1中为所用的4种单链序列，其中黑色斜体为碱基C序列。

[0049] (2)DNA骨架吸附银纳米离子

[0050] 取步骤(1)制备的DNA三维空间组装体200uL，加入一定量的AgNO3溶液，DNA与AgNO3的摩尔比为1∶200，避光反应震荡过夜。在反应的过程中，带正电荷的Ag+特异性地吸附在DNA骨架中的碱基C上直到达到饱和，未吸附的Ag+分散在溶液中。

[0051] (3)超滤去除未吸附的银纳米离子

[0052] 取步骤(2)制备的溶液200uL，用超纯水稀释至600uL，分别加入到3个0.5mL 30kDa的超滤管中，每管200uL，13000r/min离心10分钟后，用超纯水恢复至原体积，重复超滤一次后，再用质量体积比1％聚乙烯吡咯烷酮(分子量55000)重悬，最终溶液的总体积为200uL。

[0053] (4)还原剂还原银纳米颗粒

[0054] 步骤(3)制备的超滤之后的溶液各取100uL至1个PCR管中，加入终浓度为500mM的硼氢化钠溶液，10秒钟后溶液颜色逐渐变黄，最终由无色变成亮黄色，则银纳米颗粒制备完成。

[0055] 实施例2

[0056] (1)DNA三维空间骨架的制备

[0057] 4种不同的单链DNA，L1序列如SEQ ID NO.1所示；L2序列如SEQ ID NO.2所示；L3序列如SEQ ID NO.3所示；L4序列如SEQ ID NO.4所示，表1显示所用4条单链DNA的序列，黑色斜体为碱基C序列，带正电荷的Ag+特异性地吸附在DNA骨架中的碱基C上。4条单链DNA的初始浓度均为100mM，分别用10mMtris-HCl缓冲液重悬至终浓度为100nM，4种DNA分子，每管取50uL等体积混合于1.5mL离心管中，95℃水浴5分钟后，自然冷却到室温，在冷却的过程中，四条单链DNA相互杂交形成具有DNA金字塔的空间骨架。

[0058] (2)DNA骨架吸附银纳米离子

[0059] 取步骤(1)制备的DNA三维空间组装体200uL，加入一定量的AgNO3溶液，DNA与AgNO3的摩尔比为1∶50，避光反应震荡过夜。在反应的过程中，带正电荷的Ag+特异性地吸附在DNA骨架中的碱基C上直到达到饱和，未吸附的Ag+分散在溶液中。

[0060] (3)超滤去除未吸附的银纳米离子

[0061] 取步骤(2)制备的溶液200uL，用超纯水稀释至600uL，分别加入到3个0.5mL 30kDa的超滤管中，每管200uL，13000r/min离心10分钟后，用超纯水恢复至原体积，重复超滤一次后，再用1％聚乙烯吡咯烷酮(分子量55000)重悬，最终溶液的总体积为200uL。

[0062] (4)还原剂还原银纳米颗粒

[0063] 步骤(3)制备的超滤之后的溶液各取100uL至1个PCR管中，加入终浓度为200mM的硼氢化钠溶液，10秒钟后溶液颜色逐渐变黄，最终由无色变成亮黄色，则银纳米颗粒制备完成。

[0064] 表1 实验中所用DNA的序列

[0065]

[0066]

[0067] 实施例3

[0068] 对制备的三维手性银纳米颗粒组装体进行光学和结构表征

[0069] 将实施例1制备好的产品进行15000r/min离心20分钟，去除上清，用超纯水中重悬，超纯水洗一次。电镜表征：10μL的上述处理过的样品滴加到碳膜支持的铜网上，在红外灯下进行干燥。透电镜采用JEOLJEM-2100型号的电镜，其加速电压为200kV，如图1和图2所示，图1是银纳米颗粒螺旋结构的高倍透射电镜体，可以看出银纳米颗粒的具体构型，四个颗粒不在同一个水平面上，呈顺时针的螺旋结构；图2是三维手性银纳米组装体低倍透射电镜图，电镜图中没有大片的聚集体，颗粒颗粒的分散性好，组装体较多。

[0070] 圆二色谱表征：取组装好的体系100μL于比色皿中，用超纯水做空白对照。圆二色谱仪采用法国Bio-Logic MOS-450+SMF-300，如图3所示，银纳米颗粒没有还原之前，体系是没有手性信号的，所以在400nm左右没有明显的吸收峰；当银纳米颗粒还原后，生长的四个银纳米颗粒呈螺旋结构排列，呈现出手性结构，所以在400nm附近出现明显的吸收峰，由此证明手性纳米材料制备成功。

[0071] 紫外光谱表征：取组装好的体系100μL于比色皿中，用超纯水做空白对照。紫外光谱仪采用美国UNICO 2100 PC UV/Vis/NIR，如图4所示，银纳米颗粒没有还原之前，体系中没有银纳米颗粒，所以在400nm附近不会出现银纳米颗粒的紫外吸收峰；当银纳米颗粒还原后，体系中含有银纳米颗粒，所以在400nm附近出现银纳米颗粒的紫外吸收峰，由此证明银纳米颗粒的还原是成功的。

[0072] 可以知道，上述实施例仅为了说明发明原理而采用的示例性实施方式，然而本发明不仅限于此，本领域技术人员在不脱离本发明实质情况下，可以做出各种改进和变更，这些改进和变更也属于本发明的保护范围。