DNA纳米自组装的研究进展及应用

DNA纳米技术是一种自下而上的分子自组装模式,由分子构造为起点基于核酸分子的物理和化学性质自发地形成稳定结构,遵循严格的核酸碱基配对原则,使得DNA被用作构建结构的材料基元而不是在活细胞中那样作为遗传信息的载体.通过合理地设计碱基链来达成精密控制的纳米级复杂结构的目的,研究人员在这个领域已经建立起诸多二维、三维的复杂纳米结构以及各种具有不同功能的分子机器,比如DNA计算机.本文总结了近年来DNA纳米自组装方面取得的最新进展,同时介绍DNA纳米自组装的几种不同组装方法,并对其相关应用进行了展望.     

基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构研究进展

自然界中的手性现象广泛存在.近年来,具有在可见光波段手性光学响应特性的等离子体金属纳米结构吸引了越来越多的关注.DNA自组装技术以DNA分子为基元构筑纳米材料,具有根据实际需求精准调控并组装得到复杂纳米结构的优点,可以用来构建从静态到动态的各种手性等离子纳米结构.本文综述了基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构的研究历程和最新进展,并对相关研究做进一步展望.     

基于DNA的自组装等离子共振纳米结构研究进展

等离子共振产生的电磁波的近场效应会使金属表面附近产生各种各样的奇特现象. DNA自组装纳米结构能够利用核酸序列的特异性识别能力,对有机分子和无机纳米颗粒进行纳米尺度的精确排布.这种自下而上的组装方法为构建等离子共振纳米结构提供了新思路,进而推动了纳米光子学的发展.本综述讨论了多种以DNA纳米结构引导的新型等离子共振纳米结构的设计和应用,并对DNA自组装等离子共振纳米结构的发展方向和应用前景进行了展望.     

表面主客体复合自组装纳米结构的STM 研究

基于自组装的基本原理, 以“自下而上”的方式在表面构筑主客体复合纳米结构是纳 米科学与技术研究的重要内容之一, 并在单分子科学和纳米电子学等领域具有重要意义. 扫描隧道显微镜(STM)以其原位、实时、实空间和原子级分辨的优点, 在主客体复合体系 表面自组装的研究中发挥了不可替代的作用. 在表面组装中, 主客体分子之间有多种不同 的复合模式, 最常见的是客体分子填充于由主体分子构成的含有空腔的二维骨架结构, 空 腔的大小和对称性由主体分子的结构调节, 客体分子通过尺寸匹配等效应填充; 客体分子 能够沿着主体分子形成的单层结构外延生长, 在主体分子层上面形成第二层客体结构; 此 外, 主体分子形成的组装结构能够根据客体分子的尺寸和形状做出相应的改变来适应不同 的客体分子, 进一步丰富了主客体复合结构的内涵. 本文以主客体分子之间的复合方式为 主线介绍固体表面构筑主客体复合纳米结构的最新进展.     

ZnO纳米颗粒的自组装及多孔纳米固体的研制

利用溶剂热压方法, 以ZnO纳米颗粒和不同种类的溶剂为原料, 制备了介于纳米粉体和纳米陶瓷体之间的过渡态——体块ZnO多孔纳米固体, 并研究了水热热压条件下ZnO纳米颗粒的自组装行为. 实验结果表明: 当水在ZnO纳米颗粒间分布不均匀时, 在水较多的区域, ZnO纳米颗粒会溶解到高温高压下的水中. 温度升高水汽化并从固体中逸出时, ZnO纳米颗粒经历自组装过程而形成一些“纳米花朵”(nanoflowers), 并且这种自组装行为对于样品的光致发光性质有很大影响; 相反, 如果水在纳米颗粒之间均匀分布, 则可以得到ZnO多孔纳米固体, 而且其孔径比较均匀. 另外, 实验结果还表明, 通过改变溶剂的种类、热压温度和压力, 可以在一定程度上控制ZnO多孔纳米固体的孔径及孔容. 热分析结果显示, 这样制备的ZnO多孔纳米固体具有较高的热稳定性.     

基于AFM纳米机械刻划加工纳米结构及应用

原子力显微镜(AFM)是具有纳米级精度的检测设备，同时可应用于纳米结构的加工。AFM纳米加工已经成为微纳结构加工的有效方法之一，可广泛地应用于机械、物理、化学和生物医学等领域。文章首先简要介绍传统微纳加工方法，并对基于AFM的纳米机械加工方法进行详细介绍并分析了其相对优势；然后介绍了AFM加工得到的纳米沟槽和纳米点阵等结构在纳流控及拉曼检测等领域的应用，并对其未来的发展方向进行展望。综述展示了AFM纳米机械加工的应用潜力，为相关领域的研究提供了一种简单、可行的纳米加工方法。     

基于AFM纳米机械刻划加工纳米结构及应用

原子力显微镜(AFM)是具有纳米级精度的检测设备,同时可应用于纳米结构的加工。AFM纳米加工已经成为微纳结构加工的有效方法之一,可广泛地应用于机械、物理、化学和生物医学等领域。文章首先简要介绍传统微纳加工方法,并对基于AFM的纳米机械加工方法进行详细介绍并分析了其相对优势;然后介绍了AFM加工得到的纳米沟槽和纳米点阵等结构在纳流控及拉曼检测等领域的应用,并对其未来的发展方向进行展望。综述展示了AFM纳米机械加工的应用潜力,为相关领域的研究提供了一种简单、可行的纳米加工方法。     

等离子激元纳米颗粒组装及其生物应用

近年来,通过自组装技术能够可控地将单个纳米颗粒组装成一维、二维或三维空间构象的新型复合材料.相对于单独的纳米颗粒,纳米颗粒组装材料可表现出许多新颖或优异的物理性质,具有巨大的应用前景,因此在纳米材料领域越来越受到关注并快速发展.尤其是贵金属纳米颗粒组装体具有独特的等离子激元光学性质,在生物传感、成像和治疗等方面具有广阔的应用前景.本文回顾了近年来通过分子介导方法对纳米颗粒进行组装及其生物应用的最新研究进展,重点介绍了几种分子介导的纳米颗粒组装技术,以及纳米颗粒组装体的生物医学应用,并展望了其发展前景.     

一种形成金纳米粒子链状结构聚集体的新组装方法

制备并表征了带有吡咯基因的硫醇和烷基硫醇混合修饰的金纳米粒子，通过减少金纳米粒子表面吡咯基因的含量，借助化学氧化得到链状有序纳米结构，这种新颖方便的方法可以应用于其他功能性的纳米粒子（如CdS，核-壳结构Co/Pt，Fe/Au等）的组装。     

金属纳米团簇的超分子自组装及其应用

金属纳米团簇(NCs)是由几个至几千个金属原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的聚集体,其物理和化学性质具有量子尺寸依赖性.金属簇的尺寸可与电子的Ferimi波长相当,一般小于3 nm,具有异于对应体相块材的物化性质,如光学、电学、磁学、催化、手性等.基于自组装策略,将金属簇与不同类型的分子材料组装,不但可以实现金属簇的聚集诱导发光,而且还可以实现多功能的协调.结合本课题组的研究工作,本文综述了近期国内外相关研究,详细介绍了自组装对金属簇发光、组装结构的影响及金属簇组装体的应用等方面的研究进展.最后对金属簇的未来挑战和发展前景进行了展望.     

1,3,2-Dioxaborine 衍生物在石墨表面的二维自组装结构

利用扫描隧道显微镜研究了两个1,3,2-dioxaborine (DOB)类衍生物在高定向裂解石墨(HOPG)表面的自组装行为. 研究的分子中均含有共轭π体系, 分子末端由于苯环的排斥作用为立体结构. 实验研究了对称性及取代基团数目对自组装结构的影响. 结果表明, 在甲苯溶剂中制备的这些自组装结构为长程有序结构, 分子间的偶极作用以及空间位阻效应是影响自组装的主要因素.     

有序介孔材料及应用

有序介孔材料是上世纪90年代兴起的新型纳米结构材料,是继微孔沸石分子筛之后的又一类分子筛材料。它一诞生就得到国际物理学、化学与材料学界的高度重视,并迅速发展为跨学科的研究热点之一。有序介孔材料具有蜜蜂窝样的孔道,只有2～50纳米;其孔道是有序排列的,包括层状、六方对称排列和立方对称排列等(见图1);可以让一些有机大分子、生物高分子通过,     

金纳米笼状结构的可控合成及应用研究新进展

近几年来,为了提高对早期癌症监测和诊断的准确性,科学家们致力于研究和开发识别健康组织和癌症组织的生物医学成像技术[1,2].与此同时,造影剂的应用研究使得这些成像技术的灵敏度得到了进一步提高[3].金纳米颗粒能够在特殊波长对光进行吸收和散射[4];这种特殊的局域表面等离子体共振(LSPR)现象可以增强某些特定组织的光信号特征,从而提高成像的对比度,因此在医学光成像上具有潜在的应用前景.     

4, 5-二-十二巯基邻苯二腈在石墨表面的二维自组装结构

合成了一种酞菁和亚酞菁的重要前体4, 5-二-十二巯基邻苯二腈(4, 5-didodecylthiolphthalonitrile, DCP), 并且用扫描隧道显微镜(STM)在大气条件下研究了其在高定向裂解石墨表面形成的自组装结构. 研究发现DCP分子的头部腈基官能团采取一种“头对头”的排列方式以保证体系的能量最小化, 从而使整个组装体系最稳定. DCP分子的尾部长链则彼此互相平行交叉式排列. 实验结果还发现DCP分子和石墨基底的晶格结构存在不完全匹配现象.     

界面组装控制的碳纳米管/有序介孔氧化硅核壳纳米线

以碳纳米管与水溶液界面的阳离子表面活性剂十八烷基三甲基溴化铵(ODTMA)超分子自组装结构为模板, 在水溶液体系成功地合成了以碳纳米管为核, 以介孔硅基材料为壳的碳纳米管/有序介孔氧化硅核壳纳米线. 用透射电子显微镜、X射线衍射以及低温N₂吸/脱附对样品进行了表征. 结果表明, 核壳纳米线具有规整的p6mm有序孔道结构、高比表面和集中的孔径分布. 碳纳米管/有序介孔氧化硅核壳纳米线的形貌可通过溶液的pH进行控制. 此外, 碳纳米管/有序介孔氧化硅核壳纳米线在水和乙醇等极性溶剂中具有良好的分散性能, 有望应用于生物传感器、纳米探针以及储能等领域.     

设计及自组装六边形网格状DNA二维阵列

根据Watson-Crick DNA碱基互补配对原则,设计了不同黏性末端DNA序列,以两种三点星状为模块(three-point-star motif),运用DNA自组装技术,成功制备了六边形网格状DNA二维阵列.研究不同单链DNA的摩尔比例对三点星状模块结构组装的影响,以及不同起始退火温度对二维阵列自组装的影响,用凝胶电泳及原子力显微镜(AFM)对结构进行了表征.结果表明,当构成三点星状模块的3条单链摩尔比例为1:3:3时得到的模块结构更稳定,从50℃开始退火时得到的二维阵列更完整.自组装得到的二维阵列厚度约2nm,六边形边长约20nm.本研究为进一步探究三点星模块组装二维阵列的机理提供了新的思路.