DNA_CdS纳米粒子复合体系的光谱和光电化学性质

［Ａｒｔｉｃｌｅ］

ｗｗｗ．ｗｈｘｂ．ｐｋｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

物理化学学报（ＷｕｌｉＨｕａｘｕｅＸｕｅｂａｏ）

ＡｃｔａＰｈｙｓ．－Ｃｈｉｍ．Ｓｉｎ．，２００８，２４（５）：７４９－７５４ＭａｙＲｅｃｅｉｖｅｄ：Ｄｅｃｅｍｂｅｒ２８，２００７；Ｒｅｖｉｓｅｄ：Ｆｅｂｒｕａｒｙ２１，２００８；ＰｕｂｌｉｓｈｅｄｏｎＷｅｂ：Ｍａｒｃｈ１７，２００８．＊

Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒ．Ｅｍａｉｌ：ｊｚｚｈｏｕ＠ｘｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ；Ｔｅｌ：＋８６５９２－２１８９６６３．国家自然科学基金（２０４３３０４０，２０４２３００２）资助项目

!ＥｄｉｔｏｒｉａｌｏｆｆｉｃｅｏｆＡｃｔａＰｈｙｓｉｃｏ－ＣｈｉｍｉｃａＳｉｎｉｃａ

ＤＮＡ／ＣｄＳ纳米粒子复合体系的光谱和光电化学性质

陈巧琳

周剑章＊

梁金玲

林玲玲

林仲华

（厦门大学化学化工学院化学系，固体表面物理化学国家重点实验室，福建厦门

３６１００５）

摘要：

在水溶液中以ＤＮＡ作为模板和稳定剂，构筑了ＤＮＡ与ＣｄＳ纳米粒子复合体系（ＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ），研究

ＤＮＡ的含量，单双链等对复合体系光电响应的影响，并综合ＴＥＭ，ＵＶ－Ｖｉｓ，ＩＲ和荧光光谱等对其形貌和光谱性

质进行表征．结果表明，ＣｄＳ纳米粒子（ＣｄＳＮＰｓ）与ＤＮＡ链之间主要通过静电作用结合；ＤＮＡ模板对ＣｄＳＮＰｓ的禁带宽度没有影响；以ＤＮＡ模板合成的ＣｄＳＮＰｓ具有较高的表面态密度，其对ＣｄＳＮＰｓ的荧光有增强作用，而对光电流响应有抑制作用，并且ＤＮＡ在复合体系中的含量影响荧光增强和光电流减弱的程度．该复合体系在荧光标记检测和ＤＮＡ的定量分析方面可能具有应用前景．

关键词：ＤＮＡ／ＣｄＳ纳米粒子复合体系；

光电化学性质；光谱性质

中图分类号：

Ｏ６４６

ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃａｎｄＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＤＮＡ／ＣｄＳ

ＮａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ

ＣＨＥＮＱｉａｏ－Ｌｉｎ

ＺＨＯＵＪｉａｎ－Ｚｈａｎｇ＊

ＬＩＡＮＧＪｉｎ－Ｌｉｎｇ

ＬＩＮＬｉｎｇ－Ｌｉｎｇ

ＬＩＮＺｈｏｎｇ－Ｈｕａ

（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆＳｏｌｉｄＳｕｒｆａｃｅｓ，ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｈｅｍｉｓｔｒｙａｎｄＣｈｅｍｉｃａｌ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ３６１００５，ＦｕｊｉａｎＰｒｏｖｉｎｃｅ，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤＮＡ／ＣｄＳｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ（ＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ）ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｓｉｎｇｌｅｏｒｄｏｕｂｌｅｓｔｒａｎｄｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆＤＮＡｗｅｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｉｎａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＤＮＡｏｎｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｔｈｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣｗｅｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙＴＥＭ，ＵＶ－Ｖｉｓ，ＩＲ，ａｎｄｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＣｄＳｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ（ＣｄＳＮＰｓ）ｗｅｒｅｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈＤＮＡｓｔｒａｎｄｓｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ＤＮＡｔｅｍｐｌａｔｅｓｄｉｄｎｏｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｂａｎｄｇａｐｏｆＣｄＳＮＰｓ；ＤＮＡ－ｔｅｍｐｌａｔｅｄＣｄＳＮＰｓｈａｄａｈｉｇｈｅｒｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｕｒｆａｃｅｓｔａｔｅｓｔｈａｎｔｈａｔｓｔａｂｉｌｉｚｅｄｂｙＮａ４Ｐ２Ｏ７，ｗｈｉｃｈｅｎｈａｎｃｅｄｔｈｅｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ（ＰＬ）ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｗｈｅｒｅａｓｒｅｓｔｒａｉｎｅｄｔｈｅｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆＣｄＳＮＰｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅｒｅｗａｓｃｅｒｔａｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙｏｆｂｏｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆＰＬｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｐｈｏｔｏｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅｏｎＤＮＡｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ．ＴｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｈｏｐｅｆｕｌｆｏｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｂｏｔｈｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔｔａｇｇｅｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓａｎｄｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆＤＮＡ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：

ＤＮＡ／ＣｄＳｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ；Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃｐｒｏｐｅｒｔｙ

ＤＮＡ和半导体纳米粒子通过合适整合而构筑的具有协同功能和性质的生物纳米系统———ＤＮＡ／半导体纳米粒子复合体系，近年来逐渐成为研究的热点，其在纳米电子器件和生物传感器的研发，以及在生物学研究和医学诊断上，均具有重要意义．关于ＤＮＡ／半导体纳米粒子复合体系的研究主要包括两大方面：其一是从ＤＮＡ分子的刚性结构出发，以ＤＮＡ作为模板构筑半导体纳米粒子链或纳米线［１－５］，主要作为纳米电子器件的材料；或是从碱基互补配对的性质出发，构建图形化二维或三维网络模板，以

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ＡｃｔａＰｈｙｓ．－Ｃｈｉｍ．Ｓｉｎ．，２００８Ｖｏｌ．２４

构筑半导体纳米集成器件，其中一种典型的结构是Ｗｉｌｌｎｅｒ小组构筑的网络结构（ｃｒｏｓｓ－ｌｉｎｋｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）［６］．其二是利用半导体纳米粒子作为标记物，通过电化学和光电化学手段实现对ＤＮＡ定量和杂交的检测［７－１０］．

对复合体系中ＤＮＡ与半导体纳米结构界面相互作用的探索和研究，如ＤＮＡ对纳米粒子的电子态的影响，复合结构的界面电荷转移机理等，将为该系统的分析和应用提供重要的基础［１１］．Ｃｏｆｆｅｒ等［１２］探讨了核苷酸稳定剂对ＣｄＳ量子团簇的结构和光谱性质的影响；Ｊｉｎ等［３］研究了ＤＮＡ模板上ＣｄＳ粒子的结合位点．但二者之间相互作用的本质和细节尚需更进一步的研究和认识．光电化学检测方法在ＤＮＡ领域的运用尚处于起步阶段，而利用该方法对ＤＮＡ／半导体纳米粒子体系中相互作用的研究还未见报道．本文构筑了ＤＮＡ／ＣｄＳ纳米粒子复合体系（ＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ），采用光谱和光电化学方法，研究ＤＮＡ与半导体纳米粒子之间的相互作用，以及相互作用对半导体纳米粒子的电子结构的影响．

１实验部分

１．１仪器和试剂

小牛胸腺ＤＮＡ（ｄｓｃｔＤＮＡ）购自Ｓｉｇｍａ公司（ＯＤ２６０／ＯＤ２８０＞１．８，链长２０００－１００００ｂｐ），溶于Ｔｒｉｓ缓冲溶液中（１０ｍｍｏｌ・Ｌ－１Ｔｒｉｓ＋１０ｍｍｏｌ・Ｌ－１ＮａＣｌ，ｐＨ＝７．０），储备液浓度１００ｍｇ・Ｌ－１．单链ｃｔＤＮＡ（ｓｓｃｔＤＮＡ）由ｄｓｃｔＤＮＡ热处理解链后制得．实验所用水溶液均用超纯水配制．

ＴＥＭ采用ＴｅｃｎａｉＦ３０场发射透射电镜（Ｐｈｉｌｉｐｓ－ＦＥＩ）；紫外－可见吸收光谱采用岛津ＵＶ－２１００紫外－可见分光光度计；红外吸收光谱采用３８０傅立叶红外光谱仪（Ｎｉｃｏｌｅｔ）；荧光光谱在Ｆ－４５００型荧光光谱仪（Ｈｉｔａｃｈｉ）上测得．光电实验采用自行研制的光电测试联用系统，具体由１５０Ｗ氙灯（Ｚｏｌｉｘ）光源，光斩波器（ＥＧ＆Ｇ，ＰＡＲ，１９４Ａ），单色仪（ＡＲＣ，ＳｐｅｃｔｒｏＰｒｏ－２７５），恒电位仪（ＥＧ＆Ｇ，ＰＡＲ，２７３），锁相放大器（ＥＧ＆Ｇ，ＰＡＲ，５２０６），计算机控制系统等构成．电极的入射光强为１８ｍＷ・ｃｍ－２，光斑大小０．１ｃｍ２，测量光电流－电位曲线和光电流谱．

１．２实验方法

空白ＣｄＳ纳米溶胶（ＣｄＳＮＰｓ）的制备采用溶胶－凝胶法［１３］：搅拌下将０．５ｍＬ０．０１ｍｏｌ・Ｌ－１Ｎａ２Ｓ溶液逐滴加入含０．５ｍＬ０．０１ｍｏｌ・Ｌ－１ＣｄＣｌ２和０．０５ｍＬ０．１ｍｏｌ・Ｌ－１焦磷酸钠（Ｎａ４Ｐ２Ｏ７）的９．５ｍＬＴｒｉｓ缓冲溶液中，ＣｄＳＮＰｓ最终浓度为０．５ｍｍｏｌ・Ｌ－１；ＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ体系的制备方法是先将一定量的ＤＮＡ储备液加入上述含等量Ｃｄ２＋的缓冲溶液中，充分反应后再加入等量Ｎａ２Ｓ，在ＤＮＡ链上形成ＣｄＳ纳米粒子，体系中ＤＮＡ的含量以最初合成的复合溶胶中ＤＮＡ的浓度表示；由于当ＤＮＡ浓度在０－２０ｍｇ・Ｌ－１范围时，仅仅用ＤＮＡ作模板及稳定剂不能形成稳定的溶胶，为方便比较，每个样品均加入了与上述空白ＣｄＳ溶胶等浓度的Ｎａ４Ｐ２Ｏ７，当ＤＮＡ浓度达到２００ｍｇ・Ｌ－１及以上时，则无需额外加入稳定剂．所得溶胶直接用于ＴＥＭ表征，以及紫外－可见吸收光谱和荧光光谱测试．溶胶经过浓缩及除盐后用于红外吸收光谱测试．光电化学实验中，将空白ＣｄＳＮＰｓ溶胶和ＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ溶胶均浓缩后转移于ＩＴＯ导电玻璃（经亲水预处理）上制成研究电极，每片电极上ＣｄＳＮＰｓ的量为１!ｍｏｌ，电解池采用三电极体系，对电极为铂丝电极，参比电极为ＳＣＥ，电解液用ＰＢＳ缓冲溶液（ｐＨ＝７．０）．

２结果与讨论

ＴＥＭ形貌图（图１）显示ＣｄＳ粒子在单双链ＤＮＡ上均形成相对有序的排列，显示出“珠链”构型，且ＣｄＳ粒子之间相挨得比较紧密．双链ＤＮＡ与单链ＤＮＡ上的ＣｄＳ粒径均在３０－４０ｎｍ之间，大小较为接近，粒径分布也较均匀．

图２为ＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ复合体系与空白ＣｄＳＮＰｓ体系的ＵＶ－Ｖｉｓ光谱．对于两种不同ＤＮＡ的复合体系：（１）空白ＣｄＳＮＰｓ与ＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ中ＣｄＳ纳米粒子在３５０－５００ｎｍ区间的吸收曲线几乎重叠，且当复合溶胶中ＤＮＡ的含量变化时，ＣｄＳ的主吸收带启动波长也未发生变化，吸收光谱中２６０ｎｍ附近的吸收包含ＤＮＡ链上碱基苯环结构的特征吸

图１ＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ体系的ＴＥＭ形貌图

Ｆｉｇ．１ＴＥＭｉｍａｇｅｓｏｆＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ

（ａ）ｄｓｃｔＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ；（ｂ）ｓｓｃｔＤＮＡ／ＣｄＳＮＰＣ

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