14.1 DNA功能化的金纳米粒子及其应用

DNA功能化的金纳米粒子1 DNA功能化的金纳米粒子及其应用用DNA分子修饰无机纳米粒子为其在传感，药物和基因传输，光学和能源领域的应用带来了新的机遇。

同时利用DNA对纳米颗粒间相互作用的控制，基于DNA的平台也能为构建复杂纳米粒子组装结构提供灵活性和多样性。

DNA金纳米粒子复合物(DNA-AuNPs)是一种纳米生物复合物，由内层的纳米粒子和外层的DNA组成，起到了连接生物体系和纳米材料的作用。

上世纪九十年代中期，Mirkin研究组和Alivisatos研究组在他们的开创性工作中，首次报道了DNA功能化的金纳米粒子体系。

Mirkin等人合成了13 nm的金纳米粒子(在溶液中呈现均一的红色，紫外吸收峰波长为520 nm)，然后将末端为巯基修饰的DNA通过S-Au化学键相互作用固定到金纳米粒子表面得到DNA．金纳米粒子复合物(图1．9)，后来他们将这种复合物重新命名为球形核酸(spherical nucleic acid，SNA)。

由于这种DNA修饰的金纳米粒子复合物既具有金纳米粒子的光学和物理化学特性，又具有DNA分子的可编程特性和生物特性，自从Mirkin等人的开创性工作发表以来，DNA功能化的金纳米粒子发展应用迅速，已经被广泛应用于生物传感，离子检测，核酸比色检测，金纳米粒子结晶组装，生物成像等领域。

图1．9 Spherical nucleic acid(SNA) conjugates.1.1 DNA功能化的金纳米粒子在核酸检测中的应用基因突变的检测可以为诊断提供重要的目树，使人们对用于包括癌症在内的许多疾病早期诊断的核酸检测越来越感兴趣。

荧光和放射性检测读出方法(如PCR，PT-PCR，分子印迹法，以及高密度微阵列法等)是传统的核酸检测方法。

金纳米粒子比色法已经被证明是核酸目标链检测方面的一种极具竞争力的检测技术。

在金纳米粒子比色法中，待检测目标物直接或者间接的引发金纳米粒子聚集，并且导致金纳米粒子的吸收波长在可见光区域内发生红移。

明显的吸收峰红移会导致金纳米粒子溶液由红色变为蓝色或者紫色，这为比色检测提供了一个简易方便的平台。

金纳米粒子比色法的信号读出可以用紫外可见光谱或者直接用裸眼观察，信号观测十分方便。

1996年，Mirkin等人首次报道了巯基DNA功能化的金纳米粒子组装。

巯基DNA功能化金纳米粒子制备技术的发明让人们可以根据不同的检测方法得到具有不同性质的金纳米粒子探针。

这一发明促进了核酸诱导的金纳米粒子聚集在核酸检测比色检测和结构组装体制备中的广泛应用。

在Mirkin报道的这种方法中，两条单链DNA修饰的金纳米粒子探针被用于寡核苷酸目标链DNA的比色检测。

金纳米粒子表面接枝的两种探针序列与DNA目标链的两端分别互补(图1．10)。

加入DNA目标链后DNA目标链与金纳米粒子表面DNA探针发生DNA杂交反应，引发金纳米粒子聚集并伴随发生颜色的变化(由分散状态时的红色变成蓝色，图1．10 B)。

DNA链的高度特异性碱基配对再加上金纳米粒子的强吸收性使这种寡核苷酸的定量比色检测方法能够达到亚皮摩尔级别。

将体系的温度升高到杂交DNA的熔融温度以上可以使金纳米粒子聚集体解离。

Mirkin等人发现了一个很有趣的现象，DNA-金纳米粒子的熔融转变曲线非常陡，这为区分完全互补的DNA目标链和发生单碱基或者多个碱基突变的目标链提供了优异的选择(图1．10 C)。

图1.10 Aggregation of oligonucleotide AuNPs in presence of complementary target DNA(A)，leading to change in color of solution from red to blue(B)．Storhoff等人发明了一种基于金纳米粒子与距离相关光学性质的“点读式”比色检测法用于核酸序列的检测(图1．11)。

在这种方法中，当把金纳米粒子溶液点到被照亮的玻璃光波导上后会发生一个视觉上可观测的颜色变化，因此核酸目标链可以被巯基DNA修饰的金纳米粒子探针识别出来。

当加上可以促使探针一目标链均一结合的改良杂交方法使，这种基于散射的检测方法可以在不经过目标链信号扩增放大的情况下检测到zeptomole的DNA目标链。

图1．11 Homogeneous detection of unamplified genomic DNA sequences based on colorimetric scatter of gold nanoparticle probes．不同于前面两种由目标链引发DNA-金纳米粒子形成大的聚集体的比色检测法，Guo等人报道了一种由DNA目标链引发DNA-金纳米粒子体系形成金纳米粒子二聚体的恒温比色检测方法(图1．12)。

这种方法稳定性好，检测灵敏度高。

这种检测方法是基于不对称修饰的金纳米粒子可以定向聚集生成二聚体，加入DNA目标链后生成的Y型DNA杂交双链使两个金纳米粒子之间的距离小于1 nm。

如图1．12所示，金纳米粒子二聚体之间如此小的间距会产生很大的紫外吸收峰红移，并相应发生明显的从红色到蓝色的颜色变化。

聚乙二醇不对称修饰的金纳米粒子表面使这种方法在复杂样品中保持超强的稳定性，从而避免出现因为金纳米粒子不稳定而导致的假阳性信号。

传统的金纳米粒子恒温检测需要纳摩尔浓度级的DNA目标链才能引发金纳米粒子的可观测红移，而这种定向不对称的方法灵敏度达到了皮摩尔量级。

Maeda等人在他们的研究中发现DNA功能化金纳米粒子的聚集也可以由非交联金纳米粒子的目标链DNA杂交反应引发，原因是由于体系对单碱基错配超乎寻常的灵敏性可以引起金纳米粒子聚集。

图 1.12 (a)Schematic representation of the colorimetric assay based on asymmetricallyfunctionalized AuNP．(b)Photographs and corresponding UV-Vis spectroscopy of the asymmetrically functionalized AuNP solutions added with various concentrations of target DNA (samples1-6 are 0，1 pM，10 pM，100 pM，1 nM，and 10nM，respectively)．(c)The dose-response curve for(b)．(d)A representative SEM image of the dimeric AuNPs treated with 10nM target DNA．1.2 DNA功能化的金纳米粒子构造的有序晶体结构DNA功能化的金纳米粒子除了在诊断检测方面的应用还可以用来构造有序晶体结构(图1．13)。

DNA诱导金纳米粒子构造有序的胶体结晶的进展始于2008年。

在同时发表的两篇工作报道中，Mirkin课题组和Gang研究组各自发明了不同的但是互为补充的方法来合成纳米粒子晶体结构。

Gang及其同事采用了与Mirkin在1996年报道的关于DNA-金纳米粒子组装方法类似的策略成功合成出金纳米粒子体心立方(bcc)晶体。

在这种结构中，两种金纳米粒子的组装通过加入DNA模板单链进行调节。

这种方法的主要优势在于DNA模板单链中有一段长的柔性区域可以让金纳米粒子在与DNA连接链(1inker)结合后仍然保持一定程度的活动性。

另一方面，Mirkin等人采用了全新的DNA模板链设计方法。

在这种方法中连接链主要由刚性的双链DNA组成，在远离金纳米粒子表面的DNA末端留有一个很短的单链结合末端。

有趣的是，在金纳米粒子构造基元不变的条件下，这种策略通过控制DNA 模板链的序列组成可以形成不同的结晶排布，这充分显示了DNA诱导的金纳米粒子组装的突出优点之一(图1．13a)。

当调控纳米粒子结晶的DNA模板序列中包含一段自互补的结合末端时(表明所有的金纳米粒子都可以与除自身外的其他金纳米粒子结合)，可以得到面心立方(fcc)晶体。

然而，当两种DNA．金纳米粒子表面修饰的DNA序列互补时会得到体心立方的金纳米粒子结晶结构。

这两种不同晶型结构的形成体现了DNA模板调控的金纳米粒子结晶的有趣之处。

尽管大多数DNA模板链只是作为物理骨架来诱导金纳米粒子组装，在Mirkin 的这个工作中DNA模板链的结构特性(DNA链的长度和位置)并没有显著变化，但不同组成的DNA序列却能调节金纳米粒子组装成不同类型的晶体结构。

此后Mirkin和Gang研究组以及其他研究小组又在此基础上做了一些金纳米粒子结晶方面的工作。

Mirkin和Gang发现通过改变DNA的长度可以在纳米尺度上调控晶格参数。

Luo 等人发现利用液体蒸发方法也可以调控金纳米粒子结晶参数。

Mikin后来建立起了有序金纳米粒子晶体形成的基本路径和动力学方法；kk参,t-Mirkin利用不同尺寸的金纳米粒子和不同长度的DNA序列在构造金纳米粒子晶体过程中观察到了有趣的相变行为(图1．13b)。

Mirkin等人的工作证明金纳米粒子的尺寸和DNA序列长度之间的比例对于构造有序金纳米粒子晶体有着十分重要的影响。

当球形金纳米粒子被固定时，只有特定长度的DNA链可以促使金纳米粒子组装形成面心立方晶体。

DNA链太短会导致空间受限，说明在热力学上最稳定的结构不是按照晶体结构排列的纳米粒子。

相反，如果DNA链太长，晶体形成的动力学就被完全阻碍以防止阻止超晶格的形成。

尽管在这种情况下长的DNA链有可能诱导金纳米粒子形成热力学稳定的晶体结构，但是结晶化动力学过程太慢以至于在研究的时间尺度内难以观察到有序结构。

对这些现象的理解有助于提高用这种方法构造金纳米粒子晶体的质量，同时也有助于更大程度的控制晶体中纳米例子的排布(图1．13c)。

图1.13 DNA-templated assembly ofAuNPs：(a)ordering ofparticles into fcc lattices(top) or bcc lattices(bottom)using self-and non-self-complementary DNA linkers，respectively, (b)fcc lattices can be synthesized with independent control over both the DNA length and nanoparticle size, (C)small-angle X-ray scattering pattern of 5 nm AuNPs assembled into an fcc superlattice, offset by the pattem for a perfect fcc crystal(the inset shows the same data represented by diffraction rings)．1.3 DNA功能化的金纳米粒子构造的自组装结构DNA功能化的金纳米粒子也被用来构建各种形状可控的3D自组装结构。