生物大分子调控银纳米材料的研究

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银纳米材料,由于其特殊的光学、电子等性质,被广泛用于检测、细胞成像及催化等领域。本文将利用DNA、蛋白等生物大分子的结构和功能,从纳米尺度直接操控银纳米材料的合成,深入了解生物大分子调控机理,从而可控地调控其形貌和性质,拓宽其在检测、细胞成像等领域的应用。首先,利用多形态DNA,i-motif、G四链体及双链DNA为模板合成荧光银团簇,在中性环境下,以G四链体为模板合成的纳米银平均大小为22.12nm,无荧光特性。I-motif和双链DNA为模板则合成了具有红色和近红外荧光特性的银团簇,荧光发射峰分别在638nm和708nm。DFT机理研究结果表明G-C或者C-C碱基配对将会限制银原子的聚集,从而阻止其形成较大的聚集体,在这个紧凑模式下,银团簇的高表面电荷将导致其拥有较强的荧光特性;然而对于G四链体,由于G-tetrad不能提供有效的碱基配对空间以限制银团簇的生长,因此G四链体下的银纳米材料将会聚集成较大的没有荧光特性的颗粒。其次,利用晶种法考察不同DNA序列在银纳米颗粒生长过程中对其形貌的影响。序列dA10和dT10可制备出八面体形貌的Ag_A10和Ag_T10,Ag_A10相比于Ag_T10而言,边缘截断程度较轻;对于序列dC10,Ag_C10为四面体形貌;而对于dG10,Ag_G10仍然保持银立方的形貌。同时通过紫外、XRD、SERS、暗场成像发现不同形貌的颗粒具备不同的光学性质,且纳米颗粒表面的DNA仍然保留生物识别能力,因此可应用于后续的纳米颗粒自组装。最后,详细的机理研究发现DNA倾向于稳定Ag{111}晶面,不同碱基对纳米银亲和力的不同使得纳米颗粒表面的截断程度不同,且富C和富G序列的二级结构使得银离子在纳米颗粒表面的沉积速率不同,因此不同DNA序列合成出不同形貌的银纳米颗粒。最后,利用天然蛋白wt-CRABP II和变异蛋白CKO-CRABP II为模板分别合成荧光银团簇,wt-CRABP II可以制备出具有3个银原子的红色荧光的银团簇,而CKO-CRABP II不能制备出荧光银团簇。且质谱和分子模型对比的结果表明,变异蛋白只除去了半胱氨酸,并没有改变蛋白空腔的立体结构,因此证明了半胱氨酸对荧光银团簇形成的重要性,即巯基氨基酸的重要性。随后又以wt-CRABPII制备的荧光银团簇为传感器,由于铜离子与银之间的特异结合效应,AgNC@CRABP对铜离子检测具有特异性和灵敏度,检测下限可达到0.1μM,满足环境保护对饮用水中铜离子检测浓度1.3ppm(20μM)的要求。同时这种绿色环保、生物友好的简便方法能用于生物体血溶液中铜离子的检测。
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