CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
DNA编程纳米等离子结构的空间排布
陈晓亮
Subtype博士
Thesis Advisor诸颖
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
KeywordDNA 纳米金颗粒 空间重排 等离子体纳米结构
Abstract具有表面等离子体性质(plasmonic)的金属纳米材料在纳米光子学、生物成像、纳米医学等领域都具有广泛的应用。纳米材料的表面等离子体性质与自身的尺寸,形貌,组成和颗粒间耦合效应密切相关。然而,精确调控金属纳米颗粒的几何形貌和空间排布,从而实现具有精确空间构象和定制光学功能等离子体纳米结构仍具有很大的挑战。DNA作为遗传信息的主要载体,目前被广泛应用于多功能纳米材料的研究。近年来随着DNA纳米技术的发展,DNA分子或DNA纳米结构作为模板被广泛应用于调控纳米等离子体结构的组装和生长。正是基于其高度可编程性、序列特异性、长度任意合成性的特点,DNA为纳米颗粒精确空间排布和几何形貌精确调控提供了一个强有力的手段。本论文主要以DNA为模板,研究了等离子体纳米材料的组装和特定形貌金属纳米结构的合成。研究内容主要包括两个部分:第一部分,DNA编码纳米金颗粒表面价键、键能、键长,实现复杂纳米等离子体材料的组装,包括第2章和第3章;第二部分,DNA调控以石墨炔为模板的纳米金结构的生长,实现特定形貌的金属纳米结构的合成,包括第4章。第2章,在构建复杂等离子体纳米结构过程中,纳米金颗粒表面DNA配体的价键信息直接影响着纳米金颗粒空间排布。本论文构建了一种利用单链DNA编码子一步编程纳米金颗粒表面价键的方法,实现了金属纳米颗粒在空间的精确组装。我们通过利用多嵌段的单链DNA序列编码了金纳米粒子表面的价键信息,进而构建了具有离散价态与正交价键的胶体原子。以这些胶体原子为基元,可以通过正交的DNA配对自组装形成具有精确颗粒数和各向异性的胶体分子。而这些胶体分子在合成后仍然具备可重排的能力。因而,利用DNA链取代反应,可以引发动态的“成键”与“断键”,模拟加成、分解、置换和复分解等多种基本化学反应。我们还基于这一体系设计了单颗粒逻辑门,并集成为“投票机”逻辑电路。这些精确组装而具有动态响应能力的纳米“原子”和“分子”有望应用于生物智能诊断与治疗等领域。第3章,DNA功能化的纳米金颗粒被视为可编程原子类似物(PAEs),广泛应用于分子类等离子体纳米结构的自组装。但是,利用不同层次的离散DNA键构建分层等离子体纳米结构仍存在一定的困难。于是,本论文设计了一种基于DNA编码子编码PAEs表面键能和键长的方法,实现了多颗粒纳米金的分层组装。我们在纳米金颗粒表面构建了三种不同拓扑结构的DNA键,利用这些DNA键实现了不同纳米颗粒间的自组装。通过X-射线小角散射(SAXS)分析,我们发现PAEs间耦合的键长可以通过纳米颗粒表面不同的DNA结构进行调控。我们还发现将不同水平的DNA键组装在同一纳米粒子的不同方向上,形成具有不对称DNA键的PAEs,进一步通过控制离子强度实现了多颗粒结构的分层组装。这种可编程的键合体系可以为构建复杂的等离子体超结构提供新的策略。第4章,在合成特定形貌金属纳米结构过程中,开发一种简单、快速合成几何形貌可调控等离子体结构的方法具有重要的意义。本论文利用多层石墨炔(GD)作为衬底,室温、无还原剂快速合成几何形貌可控的单晶纳米金结构。我们发现富含sp-碳原子的GD模板与{111}晶面上的Au原子具有很高的亲和力,并且GD的固有还原性可以介导纳米金片的快速生长。通过反应体系中引入单链DNA,我们可以进一步实现各向同性更低的纳米金结构的合成,如多边形颗粒和纳米金花颗粒。最后,我们发现DNA介导可调控纳米金结构生长机理主要是基于GD模板对DNA的高吸附性,改变了GD界面的均一性,进而使得金纳米结构的尺寸和各向异性得到调控。这一特点为合成具有可定制几何形貌和光学特性的纳米金结构提供了新的策略。综上,该论文首先利用单链DNA与纳米金颗粒非共价相互作用,构建了精确调控单颗粒纳米金表面价键的方法,实现了正交性人工纳米原子和可重构性人工纳米分子的构建,为组装多响应生物医学功能材料提供了全新的研究思路;其次,利用DNA与纳米金颗粒非共价相互作用,在纳米金颗粒表面编码了具有键长和键能的DNA键,为组装复杂的等离子体纳米结构结构提供了新的策略;最后,利用DNA调控生长模板石墨炔界面均一性的方法,实现了各向异性纳米金结构合成,这对快速合成具有定制几何形貌和光学特性的纳米金结构具有指导意义。
Pages151
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32470
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
陈晓亮. DNA编程纳米等离子结构的空间排布[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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