“高贵血统”养成记 ——AuNP@DNA 的合成
黄志成
滑铁卢大学
关键词： DNA，金纳米颗粒
金作为一种贵金属，过去一直被作为权贵的外在象征，而权贵的内在象征则是其一脉而成的血统。今日，随着科学技术的发展，金已经不仅仅作为贵金属货币，同时人们对于血统的理解也已经到了DNA的层面。在化学家的眼中，结合具有特殊量子效应的金纳米颗粒和生物相容性极高的核酸聚合物的AuNP@DNA已是新时代的“高贵血统”[1]。今天本文将讨论在合成AuNP@DNA过程中遇到的表界面问题，尤其是如何克服金纳米颗粒与DNA之间的电荷排斥力。
金纳米颗粒的表面根据制作方法的不同可以带正电荷或者负电荷，甚至不带电荷。而用柠檬酸盐去还原制备的金纳米颗粒由于过程简单，同时产物尺寸均一性和稳定性都不错而被广泛应用。这类方法制备出来的金纳米颗粒由于表面被柠檬酸根包裹从而带负电。DNA由于本身磷酸骨架，在中性环境中都带有负电。所以当我们修饰DNA到金纳米颗粒表面时，DNA和金纳米颗粒会相互排斥。而另一方面DNA和金纳米颗粒间又能够发生其他作用，例如使粒子相互吸引的范德华力等。但是这些作用相比静电作用，力程要更短，也就是说在这些吸引作用发生前，静电斥力就开始了。如何解决这个问题成为了AuNP@DNA合成过程中关键的一环。
其实化学家们给出的方法非常简单——加盐[2]。对于一个带电表面，由双电层理论推导出其电场在溶液中是随其深度指数变化而非线性变化。这种指数变化可以简单理解为一开始衰减得特别快，其后缓慢趋近某一稳定值（如图一所示），而这个变化速度的分界点被称为德拜长度（图中的λD）。而加盐可以大大地减小德拜长度，最终的结果就是静电斥力发生的范围也大大地减小（也就是电荷作用受到屏蔽），甚至小于DNA和金纳米颗粒之间的吸引力的力程。最后DNA得以被修饰到金纳米颗粒的表面。但是这一个过程中有一个技术要点，就是盐浓度必须要缓慢地提升。原因是加入盐在屏蔽DNA和金纳米颗粒之间的静电排斥的同时也屏蔽了金纳米颗粒之间的静电斥力，从而导致金纳米颗粒不稳定地发生聚集。所以要逐步提高盐浓度，先让部分DNA修饰到金纳米颗粒表面，提高金纳米颗粒的稳定性，再加盐，使更多的DNA修饰到金纳米颗粒表面。
图一：双电层理论和德拜长度。
现在的化学家早已不满足于将DNA修饰到金纳米颗粒的表面，而是期望能够将DNA的功能性融入到这项技术当中。DNA的功能性来源于它的空间构型，如何精确地控制DNA在金纳米颗粒表面的构型正在吸引越来越多的研究者。
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参考文献：
[1] Eustis, S.; El-Sayed, M. A., Why gold nanoparticles are more precious than pretty gold: Noble metal surface plasmon resonance and its enhancement of the radiative and nonradiative properties of nanocrystals of different shapes. Chem. Soc. Rev. 2006, 35, (3), 209-217.
[2] Zhang, X.; Servos, M. R.; Liu, J., Instantaneous and Quantitative Functionalization of Gold Nanoparticles with Thiolated DNA Using A pH-assisted and Surfactant-free Route. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, (17), 7266-9.
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