DNA包覆的超小金纳米粒子（2纳米）上的杂交反应

《Chemistry – A European Journal》：Hybridization on DNA-Coated Ultrasmall Gold Nanoparticles (2 nm)

DNA链通过点击化学共价修饰超小金纳米颗粒，并利用互补链实现温度响应性组装。荧光光谱证实FRET效应，HRTEM和SAXS表征显示2 nm金核稳定存在且未团聚。低温下DNA杂交形成纳米颗粒二聚体，高温解链可逆调控。

　　在现代纳米科学与生物技术领域，利用DNA分子进行纳米颗粒的非共价修饰和功能化已成为一种重要的研究方向。本研究聚焦于通过点击化学（click chemistry）技术对超小金纳米颗粒进行共价修饰，使DNA分子能够稳定地附着于纳米颗粒表面，并进一步通过DNA杂交实现纳米颗粒之间的连接。这种方法不仅能够保留DNA的生物识别能力，还为纳米材料在分子自组装、生物传感和药物递送等领域的应用提供了新的思路。

金纳米颗粒因其独特的光学、电化学和催化性质，在纳米材料研究中占据重要地位。然而，传统的DNA修饰方法多用于较大尺寸的纳米颗粒，而对超小纳米颗粒（通常指直径在1–3纳米范围内的纳米颗粒）进行DNA共价修饰的研究相对较少。超小金纳米颗粒的一个显著特点是其表面特性，由于尺寸极小，其曲率较高，能够承载大量表面配体，如硫醇修饰的化合物。这些配体通常通过强的硫-金键（Au-S）与纳米颗粒结合，从而保护纳米颗粒表面免受氧化等不良反应的影响。然而，当需要将DNA分子共价连接到这些纳米颗粒时，传统的修饰方法可能难以满足要求，因此需要开发新的策略。

本研究采用了一种创新的方法，即通过点击化学中的铜催化的叠氮-炔环加成反应（CuAAC）将DNA分子共价连接到超小金纳米颗粒上。首先，将天然的硫醇修饰的金纳米颗粒（Au-GSH）通过一种“叠氮转移试剂”转化为带有叠氮基团的纳米颗粒（Au-GSH-N3）。这种转化过程不仅保留了纳米颗粒的原有性质，还为后续的DNA连接提供了化学活性位点。接着，通过将带有炔基的DNA分子（如OligoFAM-20nt或OligoCy3-30nt）与Au-GSH-N3纳米颗粒结合，实现了DNA分子的共价修饰。由于DNA分子的两端分别带有荧光标记（如FAM或Cy3）和叠氮基团，这种设计不仅便于后续的检测和定量分析，还确保了DNA的正确连接。

为了验证DNA的共价连接和杂交过程，研究人员采用了多种分析手段。首先，使用高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）对修饰后的纳米颗粒进行了表征，以观察其形态和尺寸变化。结果表明，经过DNA修饰后，纳米颗粒的直径基本保持不变，说明DNA的连接并未显著改变其结构。其次，通过小角X射线散射（SAXS）分析，研究人员确认了纳米颗粒在水中的分散状态，以及DNA修饰是否导致了纳米颗粒的聚集。此外，紫外-可见光谱（UV-Vis）和荧光光谱（Fluorescence Spectroscopy）也被用于评估DNA修饰的效率和荧光特性。研究发现，DNA的连接显著影响了纳米颗粒的光学行为，尤其是在荧光量子效率方面，表明DNA与纳米颗粒之间的相互作用确实存在。

DNA分子的荧光标记为研究其与纳米颗粒的相互作用提供了直接的手段。FAM和Cy3作为两种常用的荧光染料，其发射波长和吸收波长具有一定的重叠，这使得它们之间能够发生荧光共振能量转移（FRET）效应。通过FRET效应，研究人员能够确认DNA分子在纳米颗粒表面的连接状态以及它们在杂交过程中的接近程度。例如，在Au-OligoCy3-30nt与互补的FAM标记DNA杂交后，FRET信号显著增强，表明两者之间形成了稳定的DNA双链结构。进一步的实验表明，当温度升高时，FRET信号逐渐减弱，这反映了DNA双链在高温下的解离过程，即所谓的“熔解”现象。这种温度依赖性的FRET信号变化不仅验证了DNA杂交的可逆性，还为实现基于DNA的可控自组装提供了可能。

为了进一步研究纳米颗粒之间的连接，研究人员设计了一种双链DNA杂交策略。通过将两个互补的DNA分子分别连接到两个超小金纳米颗粒上，他们成功地形成了纳米颗粒二聚体（dimers）。这种连接方式依赖于DNA的杂交能力，使得纳米颗粒能够在特定条件下相互靠近并形成稳定的结构。然而，实验结果显示，这种二聚体的形成效率相对较低，仅在20%至30%之间。这可能与纳米颗粒之间的机械力、DNA链的长度以及溶液环境等因素有关。此外，研究还发现，当DNA链较长时，纳米颗粒之间的相互作用力更强，因此在某些情况下，二聚体的形成更为显著。

通过荧光光谱和温度依赖性实验，研究人员进一步探讨了DNA杂交对纳米颗粒光学性质的影响。例如，当两个互补的DNA分子成功杂交后，FRET信号的变化不仅反映了DNA双链的形成，还揭示了其在不同温度下的稳定性。在高温条件下，FRET信号的减弱表明DNA双链的熔解过程正在进行，而这种熔解过程可以通过调控温度来实现，从而实现对纳米颗粒自组装的动态控制。这种特性在生物传感、分子识别和智能材料设计等领域具有重要意义。

本研究还探讨了DNA修饰对纳米颗粒荧光性能的影响。尽管金纳米颗粒本身具有一定的荧光淬灭作用，但研究发现，当DNA分子与纳米颗粒的连接距离足够远时，这种淬灭效应可以被有效抑制。这表明，DNA修饰不仅能够保留其原有的功能，还能为纳米颗粒提供额外的光学特性。此外，研究还通过定量分析确定了每个纳米颗粒上平均连接的DNA分子数量，通常在1至1.5个之间。这种数量的控制对于构建具有特定功能的纳米结构至关重要，因为过量的DNA连接可能会影响纳米颗粒的稳定性和光学性能。

除了荧光分析，研究还采用了差速离心沉降（DCS）和原子吸收光谱（AAS）等方法，以进一步验证DNA修饰的效率和纳米颗粒的分散性。这些方法能够帮助研究人员评估纳米颗粒的大小分布、表面修饰程度以及可能的聚集情况。实验结果表明，经过DNA修饰的纳米颗粒在水中的分散性良好，且未出现明显的聚集现象，这为后续的实验和应用奠定了基础。

总体而言，本研究通过点击化学实现了超小金纳米颗粒的共价DNA修饰，并验证了DNA分子在纳米颗粒表面的功能性。通过多种分析手段，研究人员不仅确认了DNA修饰的成功，还探讨了其在不同条件下的行为，包括温度变化对DNA杂交和FRET信号的影响。这些发现为超小金纳米颗粒在生物医学、材料科学和纳米技术等领域的应用提供了重要的理论支持和实验依据。此外，研究还表明，尽管DNA修饰能够提高纳米颗粒的功能性，但其在纳米颗粒自组装中的效率仍然受到一定限制，这为未来的研究提供了方向。