DNA介导碳纳米管可逆自组装研究

论文摘要

碳纳米材料,作为一种新型的碳材料,其发现和制备不过短短数十载,却引起了无数科学工作者的广泛关注。因为碳纳米材料除具有纳米材料共有的表面效应、体积效应和量子尺寸效应等性能外,还具有独特的力学、电学等许多优越性能,使得碳纳米材料在光学、电学、磁学、传感、生物医学等诸多方面具有巨大的潜在应用前景,吸引着越来越多的人投身于碳纳米材料的研究中。其中,单壁碳纳米管更是被誉为21世纪最有前途的材料。纳米材料的独特性能是由纳米材料的尺寸、形状、组分、晶型和聚集结构决定。然而,单壁碳纳米管管间的强分子作用力使其易团聚、难溶解于各种溶剂,导致它的实际应用受到了严重制约。因而,通过纳米材料功能化,可逆自组装等手段有效控制纳米材料尺寸形貌的方法显得尤为重要。目前文献已报道了许多通过共价和非共价修饰碳纳米管从而达到碳纳米管功能化和自组装目的的方法。可逆自组装单壁碳纳米管方法为构建多维纳米器件提供了可能性,但是相关研究报道依然很少。这主要受限于缺乏诱导单壁碳纳米管可逆自组装的合适材料。针对这一问题,本论文基于DNA介导,实现了光照或pH调控单壁碳纳米管的可逆自组装。具体内容如下:1.单链DNA与碳纳米管在水溶液中的相互作用研究。单壁碳纳米管对荧光基团有很强的猝灭能力,猝灭效率可达95%以上。单链DNA可通过π-π堆积作用与单根单壁碳纳米管表面有强吸附作用,荧光标记的单链DNA缠绕于单壁碳纳米管表面,并使其荧光猝灭。表面活性剂同样也可吸附在单壁碳纳米管表面。因此,利用表面活性剂、单链DNA对单壁碳纳米管的竞争作用,可以使荧光标记的单链DNA从单壁碳纳米管表面解吸,荧光恢复。通过不同表面活性剂对DNA/单壁碳纳米管自组装荧光恢复程度不同,表征不同表面活性剂对DNA/单壁碳纳米管自组装影响强弱。2. DNA介导光控碳纳米管可逆自组装研究:通过光调控偶氮苯修饰DNA及其互补DNA的杂交-解离过程,光可逆控制单壁碳纳米管在水溶液中的自组装。因此,修饰偶氮苯的单链DNA和其互补DNA分别缠绕于单壁碳纳米管上,混合的DNA/单壁碳纳米管复合物在可见光照射下,反式的偶氮苯修饰DNA与互补DNA杂交,拉近DNA/单壁碳纳米管间的距离,单壁碳纳米管团聚;在紫外光照射下,顺式的偶氮苯修饰DNA与互补DNA解链,DNA/单壁碳纳米管间距离增大,单壁碳纳米管分散。3.核酸三链介导pH调控碳纳米管可逆自组装。单链DNA通过π-π堆积作用与单根单壁碳纳米管表面有很强的吸附作用。核酸三链结构的形成-解离可通过变化pH值调控。因此,形成核酸三链结构的两条DNA分别缠绕于单壁碳纳米管上,通过pH值变化（一般为5.0-8.0）控制核酸三链的形成-解离,从而pH控制单壁碳纳米管的聚集-分散可逆自组装。在pH值较低情况下,核酸三链结构形成,拉近DNA/单壁碳纳米管间距离,单壁碳纳米管团聚;在pH值较高条件下,核酸三链结构解离,DNA/单壁碳纳米管间距离增大,单壁碳纳米管分散。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 本文所用英文缩略词表
• 第1章 绪论
• 1.1 碳纳米管概述
• 1.2 碳纳米管性能
• 1.3 碳纳米管功能化
• 1.3.1 共价功能化
• 1.3.2 非共价功能化
• 1.4 碳纳米管可控自组装
• 1.5 本论文的选题依据及研究内容
• 第2章 DNA 与碳纳米管相互作用研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂和仪器
• 2.2.2 DNA/单壁碳纳米管的形成
• 2.2.3 表面活性剂/单壁碳纳米管与DNA 作用
• 2.2.4 表面活性剂浓度对DNA/单壁碳纳米管影响
• 2.3 结果和讨论
• 2.3.1 表面活性剂对荧光素的影响
• 2.3.2 表面活性剂对DNA/单壁碳纳米管影响
• 2.3.3 DNA/单壁碳纳米管自组装的热稳定性
• 2.3.4 反应条件优化
• 2.3.5 表面活性剂/单壁碳纳米管作用力强弱研究
• 2.3.6 表面活性剂浓度对DNA/单壁碳纳米管影响
• 2.4 小结
• 第3章 DNA 介导的光控碳纳米管可逆自组装
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和仪器
• 3.2.2 光控偶氮苯修饰的DNA 杂交-解离
• 3.2.3 DNA/单壁碳纳米管复合物制备
• 3.2.4 光控单壁碳纳米管可逆自组装
• 3.2.5 表征光控单壁碳纳米管可逆自组装
• 2O₂ 显色反应'>3.2.6 光控TMB 和H₂O₂显色反应
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 光控偶氮苯修饰的DNA 杂交-解离
• 3.3.2 光谱表征光控单壁碳纳米管可逆自组装
• 3.3.3 电泳表征光控单壁碳纳米管可逆自组装
• 3.3.4 电镜、照片表征光控单壁碳纳米管可逆自组装
• 3.3.5 DNA/单壁碳纳米管自组装机理研究
• 2O₂ 显色反应'>3.3.6 光控TMB 和H₂O₂显色反应
• 3.4 小结
• 第4章 核酸三链介导的pH 调控碳纳米管可逆自组装
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和仪器
• 4.2.2 pH 对核酸三链稳定性影响
• 4.2.3 DNA/单壁碳纳米管复合物制备
• 4.2.4 pH 调控单壁碳纳米管的可逆自组装
• 4.2.5 pH 调控单壁碳纳米管的可逆自组装表征
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 pH 对核酸三链稳定性影响
• 4.3.2 光谱表征pH 调控单壁碳纳米管的自组装
• 4.3.3 电泳表征pH 调控单壁碳纳米管的自组装
• 4.3.4 电镜、照片表征pH 调控单壁碳纳米管的自组装
• 4.4 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 附录攻读硕士期间所发表的学术论文
• 致谢