DNA-纳米技术

YongqiangWen2015.10.27TheResearchProgressofDNANanotechnologyChallenges•Howcanwepreciselypositioncomponentsintoanydeliberatelydesignpattern?•Howcanwecombinetheindividualpropertiesintofunction?(catalytic,nanoelectronics,nanooptics,enzyme“factories”)纳米组装体系及其分类以纳米微粒，纳米丝或纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有特定结构的体系。分类：纳米组装体系根据其构建过程中内外驱动力的不同，可分为人工组装体系和自组装体系。纳米组装体系的重要性其重要性主要表现在以下几个方面：•(1)纳米组装体系的结构具有多样性通过自组装可以形成单分子层、膜、囊泡、胶束、微管、小棒以及更复杂的有机／金属、有机／无机、生物／生物复合物等，其多样性超过其他方法所制备的材料。•(2)纳米组装体系的应用领域广泛多种多样、性能独特的自组装材料将被广泛应用在光电子、生物制药、化工等许多领域，并对其中某些领域产生未可预知的促进作用。•(3)自组装技术代表着一类新型的加工制造技术人工组装体系•按照人类的意志，利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等（决定性作用：人的设计与参与）。人工组装体系原子操纵分子操纵原子移动原子提取原子放置接触式非接触式AFM玻璃微针光镊磁镊组装产品纳米零部件自下而上的自组装技术——万能组装机自组装（自组织）是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如范德华力、氢键、－相互作用、疏水相互作用和弱的离子键的协同作用把原子、离子或分子连接在一起构成纳米材料或纳米结构。其关键不是大量原子、离子、分子之间弱相互作用力的简单叠加，而是一种整体的、复杂的协同作用。自组装体系形成有两个重要的条件：一是有足够量的非共价键或氢键存在；二是自组装体系的能量较低，否则很难形成稳定的自组装体系分子自组装组织原理疏水作用驱动静电作用驱动堆积效应驱动配位键驱动氢键驱动模板驱动组织原理•在适当的基底上，用有机化合物或无机化合物通过自组装技术制备具有有序结构的薄膜•以有机化合物的分子为结构单元，利用自组装技术制备结构有序的大分子自组装单分子膜LB膜超分子体系纳米技术——综合交叉学科MedicineandHealthInformationTechnologyMaterialsScienceFood,WaterandtheEnvironmentInstrumentsEnergyProduction/StorageGMRHardDiskHydrogenFuelCellsLightweightandstrongDrugdeliveryTunnelingmicroscopyRemediationmethods纳米技术被视为21世纪的核心技术，纳米科技将引发一场新的工业革命，涉及到物理、化学、电子、材料、生物、医学等多学科，并融合交叉。AfusiontechnologyofNanotechnologyandBiotechnology.Constructingnanostructuredmaterialandutilizingthosenanostructuredmaterialsinbiological,engineering,andmedicalapplications.Theoreticalbackground,innovativeusesofDNAinmulti-disciplinaryfiled,recentdevelopmentDNANanobiotechnology•DNA(脱氧核糖核酸（DNA，为英文Deoxyribonucleicacid的缩写）生命遗传物质…双螺旋结构…DNA鉴定…DNA探针…DNA损伤/修复…DNA重组…基因工程…1953年，沃森和克里克发现了DNA双螺旋的结构，开启了分子生物学时代，使遗传的研究深入到分子层次，“生命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。DNAX射线衍射照片WhyDNA?DNA:-Nanoscalestructuralgeometry-Sequenceprogrammability-Powerfulmolecularrecognition-Relativerigidityofdoublehelixwithnanoscaledimensions-Readilysynthesizing,modifying,andreplicatingDNAmolecules-Biocompatible…Watson-Crickbase-pairingrulesN.C.SeemanDNAisolationOligosynthesizersLCMScharacterizationofoligosChemicalSynthesisofOligonucleotidesStructuralDNANanotechnology&FunctionalDNANanotechnology100nanometersmileyfacesDNAorigami(Park,NanoLett.2005,5,729)2DConstructionsbyDNASelf-AssemblyNano-trackTriangleHexagon(Liu,J.Am.Chem.Soc.2004,126,2324)(Aldaye,Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,2204.)Smileface(DNAOrigami)(Rothemund,Nature,2006,440,297)TurberfieldA.J.etal.Science,2005,310,16613DDNANanostructuresSleiman,H.F.etal.J.Am.Chem.Soc.2007,129,13376.3DDNANanostructuresS.M.Douglas,etal.Nature2009,459,414.3DDNANanostructuresTRIANGULARDNANANOTUBESS.Rinker,etal.Nat.Nanotech.2008,3,418.J.Sharma,etal.Angew.Chem.Int.Ed.2008,47,5157.N.Mitchell,Angew.Chem.Int.Ed.2009,48,525.DNA-templatedSelf-assemblyPeriodicArraysofGoldNanoparticlesSharma,J.Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,730.Zhang,J.NanoLett.2006,6,248.Pinto,Y.Y.Nano.Lett.2005,5,2399.Zheng,J.NanoLett.2006,6,1502.DiscreteStructureofAuNanoparticlesZheng,BiophysicalJ.2008,95,3340.Claridge,S.A.etal.Chem.Mater.2005,17,1628.Claridge,S.A.etal.NanoLett.2008,8,1202.ExternalControlofDNAOrganization:WRITE/ERASEMethodtogetAutriangledirectlyorDNAtrianglewiththreeDTPAgroupsaddAuNPdirectly,andthenrungeltoseparatetheAutrimer,dimerandmomomerSSOHOPOOODNADTPASignificanceoftheSecondMethod1.DTPA,morestableandprecise2.FastenAuNPsatanypredeterminedsite,3’,5’andthemiddle3.MorethanoneAuNPsononeDNA…a)b)NativepolyacrylamidegelanalysisoftheassemblyproductsAgaroseGelElectrophoreticAnalysisAu-DNAconjugates5nmAuNP13nmAuNPSchematicillustrationoftheconstructionofAuNPtrianglestructuresandthecontrolledstructuraltransformationbyadding‘‘fuel’’and‘‘antifuel’’hairpinstructures.DNANanomachineR.P.Goodman,etal.Nat.Nanotechno.2008,3,93.B.Yurke,A.Turberfieldet.al.Nature406,605(2000)pHsensitiveDNAstructurepHsensitiveDNAstructureDNAnanomotordrivenbyprotonD.Liu&S.Balasubramanian,Angew.Chem.,Int.Ed.2003,42(46),5734Howfastitis?CyclethemachineRunthemotoratSolid/liquidinterfaceJACS2006,2067‐2071DNANanocontainerSmartsurfacebasedonDNAmotorAngew.Chem.,Int.Ed.46,3915‐3917SmartsurfacebasedonDNAmotorDNAaptamer表面增强拉曼（SERS）及其特点SERS的特点：高信息量高灵敏度表面选择性低破坏性……1974年，Fleischman在电化学粗糙的银电极表面发现吡啶的表面增强的拉曼信号。Kneipp,K.etal.Chem.Rev.1999,99,2957.Mirkin,C.A.etal.Chem.Soc.Rev.2008,37,1052.表面增强拉曼的应用ApplicationsofSERSMedicinal&Bio-ChemistrySurfaceChemistryPolymerScienceForensicScienceCorrosionScienceNatureNanotechnology,2008,3,548.8001000120014001600*****Intensity(a.u.)Ramanshift/cm-18001000120014001600dcbaIntensity(a.u.)Ramanshift/cm-1拉曼光谱条形码形式ZhiliangZhang,Y.Q.Wen,etal.Chem.Commun.2011,47,7407-7409.MultiplexDNADetectionBasedonSERSDNATemplatedMetallicNanowiresforElectricalStudyH.Yan,etal.Science2003,301,1882.T.Kodama,etal.NanoLett.2009,9,2005.NatureNanotechnology2009,4,XXX.DNANanomchine-controlledDrugReleaseabSEM图TEM图N2吸附曲线控制地释放表征结果Y.Q.Wenetal.Chem.Commun.2011,47,2850-2852.LinfengChen,YongqiangWen,etal.J.Mater.Chem.2011,21,13811-13816.pH7.0UVpH3.5α-环糊精β-环糊精苯胺基团偶氮苯基团罗丹明B曙红微黄Chem.Eur.J.,2014,20,