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碳纳米管(CNTs)具有很多优良的物理、化学特性,自1991年发现以来,学术界对CNTS在各个不同领域的各种应用给予了极大的科学关注。近年来,CNTS与DNA的相互作用、CNTs的功能化、基于CNTs的电子器件和生物传感器的构建以及CNT药物载体的研究已经成为科学家关注的热点。
本论文主要利用化学、材料学、光谱学以及生物化学的实验手段和方法,设计合成了一系列功能化的单壁碳纳米管(SWNTs),研究了它们与不同结构DNA和RNA的相互作用,探讨了它们之间的作用机理,并在此基础上构建了一个SWNTs驱动的DNA分子马达,实现了SWNTs的可控组装。另外,基于DNA-SWNTs传感平台,我们构建了一个可用于检测各种金属离子及核酸酶的生物传感器。主要结果如下:
1.研究了SWNTs与单链RNA的相互作用:发现羧基和羟基修饰的SWNTs可以结合到单链poly(rA)上,并诱导其形成双链结构；然而,带正电的氨基修饰的SWNTs却不能。功能化SWNTs诱导poly(rA)形成双链结构的可能机理是:带正电荷的A·A+碱基对与SWNTs上羧基或羟基之间的静电相互作用,另外还包括疏水以及范德华相互作用。这也就为SWNTs在生理条件下作为靶向特定基因序列的探针提供了新的应用前景。
2.研究了单壁碳纳米管与人端粒i-motif DNA的相互作用:在酸性条件下,分子拥挤可以稳定i-motif结构并引起其结合水分子的释放。然而,分子拥挤在pH7.0时并不能诱导i-motif的形成,有趣的是,pH7.0时,SWNTs在分子拥挤条件下却可以加速i-motif的形成并引起更多水分子的释放。我们的结果证实,SWNTs具有调控体内人端粒DNA结构的潜在功能,这也说明了SWNTs在药物设计和癌症治疗方面的潜在应用价值。
3.SWNTs驱动的DNA分子马达:用人端粒G-四链DNA作为马达分子,在Au表面上设计了一个SWNTs驱动的DNA分子马达。SWNTs在不改变pH的条件下可以驱动DNA分子马达高效、可逆的运转,并且,这一分子马达可在pH7.0条件下快速、可逆的检测人端粒i-motif DNA的形成。我们的工作将会为设计新型的SWNTs驱动的DNA分子马达,并在生理条件下应用提供新的前景。
4.小分子调控的SWNTs的自组装:建立了一个以小分子诱导三链DNA形成为基础的SWNTs的自组装方法,实现了以coralyne指导的SWNTs的可控自组装。利用DNA-SWNTs复合物纳米结构可以检测三链DNA的形成,此外这一小分子指导的SWNTS的自组装方法也可用于高通量的筛选三链结合试剂。这一结果也为将来利用基于SWNTs的纳米技术来开发潜在的癌症治疗试剂提供了线索。
5.质子调控的SWNTs的自组装:设计了一个新型的基于DNA构象转变的质子驱动SWNTs可逆组装纳米结构。通过向体系中加入H+和OH-来调控i-motif和G-四链DNA构象在四链和双链间转变,可以实现DNA-SWNTs复合物的高度可逆的组装和分散。这在基于SWNTs的电子器件构建以及传感器应用方面都具有重要的意义。
6.基于DNA-SWNTs的Hg2+传感器:基于SWNTs与ssDNA和dsDNA作用能力的差异,我们设计了一个具有高灵敏度和高选择性的Hg2+传感器。通过T-Hg2+-T配位作用,Hg2+诱导荧光标记的DNA形成发卡结构,使得体系的荧光信号显著增强。通过把碱基T换成其它金属离子选择性结合的人工合成碱基,这一方法原理上就可以用来检测其它的金属离子。
7.基于DNA-SWNTs的Ag+和Cys传感器:根据ssDNA和dsDNA与SWNTs作用能力的差异,我们设计了一个基于DNA-SWNTs的可重复利用荧光传感器,可以高灵敏度和选择性的检测溶液中的Ag+和Cys。通过C-Ag+-C碱基配对和形成Cys-Ag配合物来调控探针DNA的结构,从而使得体系的荧光信号得到增加或降低。这一方法具有很多的优点,包括实用、经济、有效,并且通过把C-C碱基对换成其它金属离子选择性结合的天然或人工合成碱基对,这一方法原理上可以用来检测其它的金属离子。
8.基于SWNTs散射信号的核酸酶活性检测系统:建立了一个普适的、免标记的、灵敏的基于LS技术的DNA/SWNTs酶检测体系,可用于溶液中非限制性核酸酶、限制性核酸内切酶以及甲基转移酶活性的定量检测。ssDNA和dsDNA对SWNTS分散程度的不同,导致了体系LS信号的不同,进而反映了酶对DNA的切割活性。这个酶传感器具有很高的灵敏度和选择性,并且非常经济。另外,通过改变探针DNA的序列使其靶向特定的酶,可用于任何种类核酸酶的检测。
9.稀土发光配合物功能化SWNTs的合成及在DNA检测方面的应用:设计合成了一个新型Eu3+-配合物共价功能化SWNTs,具有很好的荧光学性质。并且不同结构的DNA使其荧光强度得到不同程度的增强,这可能是由DNA与连在SWNTs表面的Eu3+-配合物之间特异性相互作用引起的,它们之间结合能力的不同导致了荧光增强的程度也不同。因此,利用Eu3+-配合物功能化的SWNTs作为荧光探针,可以检测溶液中不同结构的DNA序列。