面向原子制造的框架核酸研究进展

框架核酸是核酸分子通过自组装形成的一维到三维的框架结构,不仅能精准定位功能基元,还可实现在纳米甚至原子级尺度上进行力学、光学和电学等物理性质,以及单分子水平化学与生化反应的精准调控.利用框架核酸对物质进行原子级的人工自组装,可实现基本构筑单元的精准物理排布与功能化集成,进而实现器件制造,有望推动从原子到宏观的精确功能化的制备.本文围绕框架核酸和原子制造两大前沿的交叉领域,阐述框架核酸在原子级精准构筑方面的可行性和优势,首先介绍了具有原子级精准性的框架核酸的构建,以及利用框架核酸进行功能化组装的一般策略,然后着重探讨框架核酸在器件构筑方面的研究进展,最后就面向原子制造的未来发展方向进行了展望.     

圆二色谱法研究碱基错配对G-quadruplex稳定性的影响

通过将参与形成四链结构G-quadruplex的G(鸟嘌呤)碱基分别替换为T(胸腺嘧啶),C(胞嘧啶)和A(腺嘌呤),用圆二色光谱系统地研究了不同位置的G对G-quadruplex结构稳定性的贡献.结果表明,(1)替换G-quadruplex结构中间层的G对其稳定性的影响最大;(2)该序列及其错配序列大多数情况下在钾离子溶液中比钠离子溶液中稳定;(3)某些特定位置的G被替换为C或A后序列的熔点与原始序列接近甚至高于原始序列.     

ATP触发快速响应的线性DNA凝胶

设计了2条分别带有腺苷三磷酸(ATP)适配体序列和黏性末端的单链DNA,二者首先通过互补杂交形成一个双链DNA单体,再由此单体自组装形成长线性DNA多聚体并进一步通过物理交联形成DNA水凝胶.通过流变学测试表征了水凝胶的形成,并通过应力扫描观察了从凝胶状态到溶液状态的转变.使用亚甲基蓝(MB)分子作为标记,通过紫外吸收光谱表征了该DNA水凝胶对ATP的响应动态.在加入ATP的15 min以内,DNA水凝胶在664 nm处的吸光值迅速上升并达到平台,表明该DNA水凝胶可以快速响应ATP.该DNA水凝胶在664 nm处的吸光值与ATP的浓度具有很好的线性相关性.DNA水凝胶中分别加入ATP、胸苷三磷酸(TTP)、胞苷三磷酸(CTP)、鸟苷三磷酸(GTP)4种类似物,通过紫外吸收光谱的测试表明了只有加入ATP的DNA水凝胶发生了解聚,MB被释放出来,说明该DNA水凝胶具有较好的稳定性以及对ATP响应的特异性.     

DNA折纸术纳米反应器

基于DNA折纸技术,构建具有纳米尺度可寻址的新型DNA纳米反应器,是DNA纳米技术领域的一个最新研究思路和方向。它的优势首先在于其纳米定位能力,通过不同的化学或生物相互作用,已能够实现对包括化学小分子、生物大分子及人工纳米材料等的纳米级精确定位;其次,DNA折纸结构的丰富多样性,使构建纳米级仿生限域环境成为了可能;此外,DNA折纸结构本身的生物相容性及优良的产率,也保证了这一材料的可应用性。本文首先介绍了在DNA折纸结构上,对不同材料和分子进行纳米定位的一般方法和最新进展。然后,着重阐述了基于纳米定位技术,以DNA折纸结构作为纳米反应器,对一些化学、生化反应的成功调控。最后,基于现有的工作基础,我们提出了DNA折纸术纳米反应器概念在未来的发展方向及应用前景展望。     

基于DNA自组装的金属纳米结构制备及相关纳米光子学研究

纳米光子学是研究光在纳米尺度下的行为以及光和纳米材料相互作用的一门科学.金属纳米材料凭借其独特的表面等离子体效应,可以在衍射极限以下对光进行传递和聚焦,因而是纳米光子学研究的重点.大量研究表明,通过调控金属纳米材料的形貌和成分可以控制表面等离子体的性质,从而对光进行可控调节.近年来,随着DNA纳米技术的发展,又为纳米光子学的发展带来了新的机遇.首先,人们发现不同的DNA序列可以调控金属纳米颗粒的成长,从而影响金属纳米颗粒的形貌和成分.此外,利用DNA自组装技术,可以将金属纳米颗粒组装成为有序可控的纳米结构.因此,基于DNA的纳米光子学研究近年来发展十分迅速.在此背景下,本文对相关研究进行归纳与总结,以期吸引更多研究人员的关注,推动该领域的进一步发展.本文首先介绍了金属纳米结构基于表面等离体实现突破光学衍射极限的原理,然后按照DNA对金属纳米结构的形貌或成分影响方式的不同分成若干部分,对基于DNA的纳米光子学做了系统的综述,最后展望了未来可能的发展方向.     

基于离心加速耗散作用的纳米金三角片高效分离方法研究

纳米金三角片由于制备和纯化困难,获得较纯、较好形貌的产物一直是个挑战。本文提出利用离心加速的耗散作用,采用十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)作为絮凝剂,对纳米金三角片粗产物进行纯化,从而快速获得尺寸形貌均一且顶角保持尖锐的不同尺寸的三角形金纳米颗粒。通过紫外可见分光光度计对比了用不同浓度絮凝剂获得的胶体上清液与沉淀的颜色以及消光光谱,从而确定分离不同尺寸的金三角纳米颗粒所需的最佳絮凝剂浓度。通过透射电子显微镜(TEM)对比纯化前后颗粒形貌的变化,发现已有的静置纯化方法存在较大局限性,即耗时较长且对颗粒的形貌有明显影响;而辅助以离心加速的分离方法,不仅可实现对不同尺寸纳米金三角片的快速高效分离,且有效减小了纯化过程中纳米颗粒的尖端损失。特别是对小尺寸(边长小于50 nm)的三角纳米颗粒,经离心加速的耗散力诱导的凝聚作用分离所得的颗粒,其尖端仍能保持尖锐。此方法简便高效地实现了纳米金三角片的分离,并有望推广到其它成分、非球形、低对称性形貌的纳米颗粒的纯化。     

构建多模式全光谱暗场显微镜用于纳米单颗粒局域表面等离子共振实时动力学研究

金属纳米颗粒由于其局域表面等离子共振(LSPR),能显示出独特的光吸收和散射特性,常被应用于物理、化学和生物领域的分析检测。这类探针具有高强度、高稳定性,以及可以长时间成像观察等优势。对于单个金属纳米颗粒的LSPR光谱研究通常采用暗场显微镜(DFM)与光谱仪来观察。但是,现有的暗场显微镜-光谱仪联用装置受限于自带照明光源的强度与光谱范围等原因,造成对散射信号较弱的样品光谱采集时间长、采集范围窄,例如,无法做到对粒径在30 nm以下的小颗粒纳米金进行实时观察。本文针对这一问题使用超连续激光器作为光源,使对单个金属纳米颗粒的光谱采集时间可以缩短至1 ms。此外,针对细胞功能成像的需求,增加了光片成像模式,通过切换滤块,能够实现荧光成像与暗场成像的共定位。     

载体乳化液膜法同步进行亚稳相PbCrO4纳米粒子的仿生合成与铅铬废水的处理

采用一种新型的纳米材料仿生合成方法——载体乳化液膜法,在煤油-Span-80-N7301乳化液膜体系中,以电镀废水中常见的Cr(Ⅵ)溶液为外相,蓄电池、油漆等行业废水常见的Pb(Ⅱ)溶液为内相,通过对生物体内囊泡结构的形态和离子传输功能模拟,室温下成功合成了能稳定存在的直径为5～15nm的正交亚稳相PbCrO4纳米粒子．使用XRD,TEM对产物结构和形貌进行了表征．首次通过FT-IR和UV-vis对所得产物和普通块体材料的光学性质做了比较．并对乳化液膜体系控制产物晶型和尺寸的机理进行了初步的探讨．此方法也有望用于对不同类型工业废水的耦合处理．     

基于DNA折纸模板的铁原子阵列构建及其信息加密应用

在后摩尔时代,突破原有技术极限,进行原子尺度的精准构筑,是当前的重大科学问题.DNA作为具有原子级精准度的生物大分子,能够进行程序性的分子识别,构筑原子数量与位置均严格确定的自组装结构,因此是进行原子制造的理想平台.本文提出基于DNA自组装折纸结构的精准定位能力,构筑铁原子阵列图案,并应用于对信息的加密.实验结果表明,采用类似“信息预置”的方法,铁原子成功实现在DNA折纸不同位置的高效定位,此方法还极大降低了实验工作量,非常有利于多种不同阵列图案的平行制备.利用所构建的铁原子阵列,本文发展了原子阵列DNA折纸加密技术,将密文编码为二进制并用类似盲文斑点的形式在DNA折纸上以特定图案表示,通过单分子成像手段对密文信息进行了读取,而密钥长度可高达700位以上.作为示例,成功地对普通文本及唐诗《登鹳雀楼》进行了加密,证明了此策略的通用性和实用性.