论文总字数：20317字

摘 要

21世纪科技发展的主要方向之一就是新材料的研制和应用。新材料的研究与制造，往往能推动其他相邻领域的发展。而作为新材料研究领域中，最为活跃，最具有应用价值的纳米材料对于社会的经济发展有着重要的作用。金纳米粒子作为一种研究的比较早的纳米材料，在生物医学、环境检测、电子材料等领域发挥着重要的作用。

本研究通过柠檬酸三钠还原法与晶种生长法相结合的方法制备了粒径为20纳米与25纳米的金纳米粒子，通过纳米粒子的DNA自组装技术成功完成了金纳米粒子二聚体的手性组装，并将其应用于8-羟基脱氧鸟苷浓度的检测。

关键词： 金纳米粒子 核酸适配体 手性 8-羟基脱氧鸟苷

Abstract

One of the major scientific and technological development in the 21st century is the development and application of new materials. Research and manufacturing of new materials， often can promote the development of other adjacent areas. As new materials research， the most active， nanomaterials most value for the economic and social development plays an important role. Gold particles as an earlier study of nanomaterials， play an important role in biomedicine， environmental testing， and electronic materials.

In this study， sodium citrate reduction and seed growing Combination method for preparing a particle size of 20 nm and 25 nm gold particles by DNA nanoparticle self-assembly technology successfully completed a gold nanoparticle dimers chiral assembly， and applied to the concentration of 8-hydroxy-deoxyguanosine detection.

KEYWORDS: AuNPs Aptamer chirality 8-OHdG

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 纳米材料 1

1.2.1 纳米材料的发展历史 1

1.2.2 纳米材料的分类 2

1.3 纳米金 2

1.3.1 金纳米粒子 2

1.3.2 金纳米粒子的制备方法 3

1.3.3 金纳米粒子在分析中的应用 4

1.4 适配体传感器 5

1.4.1 适配体传感器的研究进展 5

1.4.2 金纳米粒子手性二聚体的基本原理 6

1.5 本文选题的目的和意义 7

1.5.1 研究的目的和意义 7

1.5.2 研究内容 7

第2章 金纳米粒子的合成、手性组装及其应用于8-羟基脱氧鸟苷的检测 8

2.1 前言 8

2.2 实验部分 9

2.2.1 实验试剂和仪器单链DNA 9

2.2.2 金纳米粒子的制备及表征 10

2.2.3 金纳米粒子探针的制备 10

2.2.4 金纳米粒子二聚体的手性组装 11

2.2.5 金纳米二聚体8-羟基脱氧鸟苷的检测 11

2.3 结果与讨论 11

2.3.1 实验原理 11

2.3.2 金纳米粒子的制备、修饰和表征 13

2.3.3 金纳米粒子二聚体的组装和表征 14

2.3.4 8-羟基脱氧鸟苷浓度的检测 14

2.4 本章小结 15

第3章 全文总结和展望 16

3.1 小结 16

参考文献 17

致谢 18

绪论

前言

纳米材料和技术是21世纪新的研究热点，在2000年，美国纳米科学与工程技术小组（简称NSET）设立了对纳米技术的发展计划，他们将纳米科技定义为：原子，分子或大分子水平，所有规模尺度在1-100纳米范围内的技术开发^[1]，对纳米尺度现象和纳米材料的基本了解，创造和使用小于和（或）中等大小，有一个特殊结构，新的特性和功能的器件或系统。因此，我们对纳米材料的理解是：纳米材料指的是在三维空间中，至少有一维处于纳米尺度范围，即该材料的长宽高中有一项的尺度在1~100纳米之间，或由这些纳米尺度的物质所组成的材料。由于纳米材料涉及到微观领域，纳米材料将不可避免地具有宏观物体所不具有的新的特性和功能。

纳米材料

纳米材料的发展历史

纳米材料的应用可以追溯到中国古代，我国古代文人常用来书写水墨画的颜料炭黑，就可以称之为纳米材料。这是有史料可考的，在一千多年前，人们发现焚烧动植物油、松树枝等有机物会产生黑色的物质，有人将这些黑灰收集起来，利用这些黑色的物质调制墨和黑色颜料。人们收集的黑灰应该是最早的炭黑，当时的人们将其称之为炱。这是应用最早的纳米材料。其他的纳米技术还有慈城传统香糕及古代的铜镜表面有一层纳米氧化锡的薄膜等。

1861—1864年间格雷哈姆进行了大量实验研究胶体的性质，基于他的研究充分区别了胶体和晶体的概念，并且首先提出了“胶体”这一名称。格雷哈姆提出的胶体的概念，对于之后建立的胶体化学有着不言而喻的意义。因而，格雷哈姆被誉为胶体化学之父。胶体化学狭义地说，是研究这些微小颗粒（胶体颗粒）分散体系的科学，通常规定胶体颗粒的直径大小为1~100纳米。而后来，纳米材料不仅局限于胶体领域，在催化剂、电子材料等领域也有有显著的应用。

直到1990年7月，美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议上正式确定纳米材料作为材料科学的一个新的分支，标志着纳米材料作为一个相对比较独立学科的诞生。在这之前可以认为是纳米材料发展的第一阶段，主要处于通过各种不同的方法对纳米材料的合成制备，探索材料的特殊性能及对新材料的表征等。在这一阶段中，比较有趣的就是C₆₀的发现，C₆₀外形与英式足球相似，所以又称富勒烯、巴基球。富勒烯的发现受到世界范围内的广泛关注，主要由于富勒烯独特的物化性质，在诸多的领域有着诱人的应用前景。

从二十世纪九十年代开始，纳米材料的发展十分迅速。世界范围内对纳米材料的研究在不断深入，纳米材料受到科学家的广泛关注。第二阶段（1990~1994年）：这一阶段是对纳米材料的进步一步了解，基于对纳米材料的物理和化学的认识，人们开始对已知的纳米材料进行改性，或者设计新的复合材料，并对这些纳米材料进行研究，不断拓宽对材料的认识。

第三阶段（1994年至今）：人们发现不同纳米材料之间的组装，能够产生很多奇妙的应用。人们越来越多的开始对纳米组装体系的研究这类材料在国际上被称为纳米组装材料体系，有的也被称为纳米尺度的图案材料。纳米组装材料和纳米结构材料的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝或者纳米管为基本单元在空间中任意一维或者多维度的排列成具有纳米结构的体系。

纳米材料的分类

纳米材料在广义上被定义为三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。从纳米材料的结构上来讲，材料在三维空间内都处于纳米尺度内（如团簇、人造原子、纳米微粒）被称为零维纳米材料。一维纳米材料（纳米线、纳米管、纳米棒、纳米纤维）有两个维度处于纳米尺寸，二维纳米材料（纳米带、超薄膜、多层膜 ）体系中只要符合有一个维度处于纳米尺度内，因为纳米单元往往是不可分割的基本个体，具有可量子化的特点，所以又将零维、一维和二维的基本单元称为量子点、量子线和量子阱。纳米材料按其几何形态可以分为纳米块、纳米薄膜、纳米纤维。按组成的颗粒形态可以分为纳米晶体、纳米非晶体及纳米准晶体材料。按导电性能来划分又能分为纳米绝缘体、纳米半导体、纳米导体、纳米超导体等。按材料的组成成分还能分为金属纳米材料、无机纳米材料、有机纳米材料等^[2]。

纳米金

金纳米粒子

金是一种过度金属元素，化学符号为Au，原子序数79。在自然界中，金主要以岩金或金颗粒的形式分布在地下矿脉和冲积矿床。金在室温下，密度高，柔软，有光泽，耐腐蚀，在已知金属中其延性和展性都是最高的。

纳米尺度下金的形态呈现出多种状态。金纳米颗粒属于零维纳米材料，三维空间中尺度都在纳米尺度范围内，通常制得的金纳米颗粒都分散在溶液中，所以又被称为金胶。金胶的颜色随着粒径大小有着明显的变化，随着粒径的增大溶液由橙红色到酒红色向紫红色变化。由于金纳米子表现出较强的稳定性，具有量子效应，表面效应和小尺寸效应等特殊的材料性质，并且制备金纳米粒子的方法简单，制备出的金纳米粒子尺寸可控，分散性好且稳定等。所以金胶在分子印迹，量子点检测等方面具有重要的应用价值。在金纳米颗粒的基础上，采用晶种生长法，加入稳定剂，控制金原子在金纳米颗粒上的生长方向，可获得长径比不同的金纳米棒或者纳米线，一般来说，长径比在2~20之间为金纳米棒，大于20的为金纳米线。金纳米棒由于其特殊的形态，能组装出比较规则的纳米组装体，基于纳米材料的自组装在分析检测领域有着广泛的应用前景^[3]。其他形态的金纳米材料如金纳米盘、金纳米片、金纳米环^[4，5]，不规则的足状金纳米颗粒等都有着一定的应用价值。

金纳米粒子可以与氨基和巯基发生相互作用而结合：与氨基发生非共价键的静电吸附作用或与巯基形成稳定的金琉共价键。因此，纳米金粒子的表面可以根据不同的需要连接不同的基团或与多种生物分子结合，以实现生命物质的分析等。

金纳米粒子的制备方法

近年来，由于金纳米粒子的这些特殊性质，在光电、生物、催化等方面有着诱人的应用前景。对金纳米粒子的研究也是在世界范围内广泛的展开。到目前为止，金纳米粒子的合成技术已十分完善，有着许多不同的方法可以制备各种尺度的金纳米粒子。其中，在液相中合成金纳米粒子的方法最为成熟，并且能够较好的控制纳米粒子的粒径和分散尺度，应用最为广泛。液相合成方法主要根据金纳米粒子在不同的溶剂中，主要分为水溶性和油溶性金纳米粒子。两种粒子的合成机理基本相同，主要区别于合成过程。对于水溶性和油溶性单分散金纳米粒子的合成^[6]，已有相关的文献详细报导。本文只从物理法和化学法两大类合成方法大致的对金纳米粒的合成进行阐述。

物理法

物理法的基本原理是采用不同的方法，将金晶体破坏粉碎或者将金原子沉积聚集，最后产生纳米级别的金颗粒。主要的方法有激光消融法、气相沉积法和溅射法等^[7]。激光消融法通过激光的对金盘进行刻蚀获得金纳米粒子，这种方法获得的纳米粒子尺度在1到5纳米之间，由于尺度较小，表面能比较大，因此在该过程中还需添加表面活性剂防止聚集。物理气相沉淀法利用一定的手段将金加热气化成金蒸汽或者金等离子体，再通过惰性气体将其冷却，凝结成金纳米颗粒。此法的特点在气相中原子之间的距离比较远，成核时不会产生大面积聚集的现象。因此成核均匀，分散性和粒子的尺度都比较不错。溅射法利用高压电场加速氩离子冲击金块，将金原子从材料表面脱离形成超细微粒子沉积在衬底上，粒子大小与撞击粒子的能量、氩气压强和真空度等有关，通过调节条件还能产生金纳米薄膜材料。

化学法

化学方法则通过还原剂将化合物中的金元素还原成金纳米粒子，由于纳米材料的特殊效应，通常需要一定的稳定剂保护。经典的合成金纳米粒子的方法有柠檬酸盐还原法，Brust-Schiffrin法，晶种生长法等。

柠檬酸盐还原法^[8]，一种十分传统的用来制备金纳米粒子的方法，其基本的反应原理是通过氧化还原反应，利用柠檬酸钠作为还原剂还原氯金酸，氯金酸将柠檬酸钠氧化成为戊二酸酮，条件是加热。通过调节柠檬酸钠和氯金酸之间的比例，可以制得一系列不同尺寸的金纳米粒子，尺寸范围在10~150nm。通过该方法制造出来的金纳米溶胶呈酒红色，柠檬酸钠及其氧化产物在金的表面形成双电层，起到保护剂的作用，保证金纳米粒子在溶液中稳定存在。尽管这种方法机理简单，条件容易控制，但是该方法对于仪器的洁净程度和实验操作的环境要求比较高，稍微一点杂质比如说空气中的灰尘便能导致金纳米粒子的聚集沉淀。并且在制备粒径大于25纳米的金纳米粒子时，得到的金纳米粒子粒径不能很好的控制，所以通常在制备大粒径的金纳米粒子时通常采用晶体生长法。

Brust-Schiffrin法^[9]，是1994年由Brust和Schiffrin等人将纳米自组装技术用于金纳米粒子的合成，该方法使用烷基硫醇作为表面活性剂，利用硼氢化钠作为还原剂来还原氯金酸或氯金酸钠，通过该方法能够合成粒径为1 ~ 8纳米的金纳米粒子。有机相颜色的改变通常能反应出纳米粒子粒径的变化，随着还原剂硼氢化钠的增加，金纳米粒子的粒径也相应增加，溶液偏向深紫色。金纳米粒子的粒径随着硫醇和金的摩尔比的增大而减小。Brust-Schiffrin法通过简单的调节硫醇和金的摩尔比，使得金纳米粒子粒径可控，该制备方法简单可行，并在化学和热力学方面有良好的稳定性的特点。但是由于是油溶性金纳米粒子，在生物化学方面的应用收一定的局限性。

晶种生长法先通过上面的方法制备出小颗粒的金纳米粒子作为晶种，在表面活性剂(十六烷基三甲基溴化铵)的作用下，金继续在晶体表面沉积，不断生长的方法。大粒径的金纳米球，金纳米棒及在银纳米粒子表面再包裹一层金纳米材料通常有晶种生长法制备。通过改变晶种的摩尔浓度，溶液的酸碱度以及反应物的浓度可以来调节金纳米棒的生长形态。该方法最主要特点是实验过程简单，能够产出大量的金纳米材料，设备要求的比较低容易实现，但是制备出的粒径容易分布不均，纳米棒不够细，为了得到生长良好的晶体需要较长的时间因而效率比较低。

电化学法是以金片为阳极，铂片为阴极，两电极距离5毫米置于硝酸银溶液中，以十六烷基三甲基溴化铵作分散剂，水浴温度恒定40摄氏度在，在超声的作用下，控制电流大小进行电解。直到溶液呈紫红色，说明金纳米粒已经形成，可以结束反应撤去电极。另外，Wang等以金板为阳极，铂板为阴极，在CTAB和诱导剂(TC ₁₂AB)的电解液中形成金纳米棒，其中CTAB作为电解质和纳米粒子的稳定剂^[10]。

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