阅读说明：本技术 一种基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法 (Magnetic nanoparticle self-assembly method based on polymerase reaction ) 是由 杨晓红 周明 杨青峰 叶霞 孙凌燕 于 2019-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法,涉及材料化学技术领域,包括如下步骤：S1：以dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸为原料,通过聚合酶链式反应制备带有氨基基团的双链DNA分子；S2：对磁性纳米粒子进行表面处理,制备羧基化的磁性纳米粒子；S3：将所述带有氨基基团的双链DNA分子加入所述羧基化的磁性纳米粒子中,得到反应液,于室温、碱性条件下进行反应,得到自组装的磁性纳米粒子。本发明提供的基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法,通过氨基基团与磁性纳米粒子的结合,对磁性纳米粒子排布进行控制；通过对双链DNA分子中碱基C的位置进行设计,即可实现磁性纳米粒子的任意排布。(The invention provides a magnetic nanoparticle self-assembly method based on polymerase reaction, which relates to the technical field of material chemistry and comprises the following steps: s1: preparing a double-stranded DNA molecule with an amino group by using dCTP modified deoxyribonucleic acid (DNA) with the amino group as a raw material through a polymerase chain reaction; s2: performing surface treatment on the magnetic nanoparticles to prepare carboxylated magnetic nanoparticles; s3: and adding the double-stranded DNA molecule with the amino group into the carboxylated magnetic nanoparticles to obtain a reaction solution, and reacting under the conditions of room temperature and alkalinity to obtain the self-assembled magnetic nanoparticles. The magnetic nanoparticle self-assembly method based on polymerase reaction provided by the invention controls the arrangement of the magnetic nanoparticles by combining the amino groups with the magnetic nanoparticles; the random arrangement of the magnetic nanoparticles can be realized by designing the position of the basic group C in the double-stranded DNA molecule.)

一种基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法

技术领域

本发明涉及材料化学技术领域，具体而言，涉及一种基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法。

背景技术

在纳米技术领域中，有序组装纳米粒子是一个难题，其中采用生物材料作为模板自组装纳米粒子是一种非常有效的方法，而DNA是组装纳米粒子的非常理想的生物材料。通过在DNA分子上修饰不同的官能团，实现不同纳米粒子与DNA的结合，再依据DNA分子的碱基互补配对原则来实现纳米粒子的有序排布。

磁性纳米粒子既具有普通纳米粒子的四个基本效应，还具有异常的磁性质，如超顺磁性、高矫顽力、低居里温度与高磁化率等特性。磁性纳米粒子在靶向药物、临床诊断、核酸分析、细胞分离、磁共振成像(MRI)检测等领域中的应用已经成为研究热点。

国际上已经有很多课题组报道通过DNA实现磁性纳米粒子的排布，但这些报道无一例外都是在寡核苷酸分子的末端修饰氨基官能团，通过氨基与磁性纳米粒子的静电吸附作用实现纳米粒子与DNA的连接。由于只能在末端修饰，不能实现纳米粒子排布的任意性。

发明内容

本发明解决的问题是目前通过生物材料作为模板自组装纳米粒子时，无法实现纳米粒子的任意排布。

为解决上述问题，本发明提供一种基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法，包括如下步骤：

S1：以dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸为原料，通过聚合酶链式反应制备带有氨基基团的双链DNA分子；

S2：对磁性纳米粒子进行表面处理，制备羧基化的磁性纳米粒子；

S3：将所述带有氨基基团的双链DNA分子加入所述羧基化的磁性纳米粒子中，得到反应液，于室温、碱性条件下进行反应，得到自组装的磁性纳米粒子。

可选地，步骤S1包括：

S1-1：分别量取所述dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸、缓冲液、引物、聚合酶、DNA模板放置于离心管中，得到PCR反应体系；

S1-2：将所述PCR反应体系通过PCR仪通过如下程序进行扩增：当所述PCR仪的热盖温度达到98℃时，将所述PCR反应体系置于所述PCR仪中，按照如下退火条件运行：95℃变性30s、56℃退火30s、72℃延伸30s，循环40个周期，将产物经PCR产物柱式回收盒纯化后，于4℃保存，得到所述带有氨基基团的双链DNA分子。

可选地，步骤S1-1中所述dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸、所述缓冲液、所述引物、所述聚合酶、所述DNA模板的体积比为2：10：1：2：4。

可选地，步骤S2包括：将磁性纳米粒子溶液、碳二亚胺与N-羟基硫代琥珀酰亚胺的混合液、硼酸溶液混合，于室温下进行反应，得到所述羧基化的磁性纳米粒子。

可选地，所述磁性纳米粒子溶液的浓度为5mg/ml，加入量为10μl；所述碳二亚胺与N-羟基硫代琥珀酰亚胺的混合液的加入量为5μl；所述硼酸溶液的加入量为5μl。

可选地，步骤S2中的反应时间为20min。

可选地，所述磁性纳米粒子包括四氧化三铁纳米粒子。

可选地，步骤S3中所述反应液中包括硼酸钠。

可选地，步骤S3中所述反应的时间为2h。

与现有技术相比，本发明提供的基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法具有如下优势：

本发明提供的基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法，将氨基基团引入双链DNA分子中的碱基C上，通过氨基基团与磁性纳米粒子的结合，对磁性纳米粒子排布进行控制；通过对双链DNA分子中碱基C的位置进行设计，即可实现磁性纳米粒子的任意排布。

附图说明

图1为本发明所述的产物的琼脂糖凝胶电泳图；

图2为本发明所述的产物的透射电镜图。

具体实施方式

为解决目前通过生物材料作为模板自组装纳米粒子时，无法实现纳米粒子任意排布的问题，本发明提供一种基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法，该方法包括如下步骤：

S1：以dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸为原料，通过聚合酶链式反应制备带有氨基基团的双链DNA分子；

S2：对磁性纳米粒子进行表面处理，制备羧基化的磁性纳米粒子；

S3：将带有氨基基团的双链DNA分子加入羧基化的磁性纳米粒子中，得到反应液，于室温、碱性条件下进行反应，得到自组装的磁性纳米粒子。

以dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸为原料具体是指，以脱氧核糖核酸为原料，其中dCTP修饰有氨基集团；其中dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸可直接购买得到；通过以dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸为原料进行聚合酶链式反应，将氨基基团引入双链DNA分子中；且由于该氨基基团通过dCTP上的碱基C引入，因此，制备的双链DNA分子中氨基基团位于双链DNA分子中碱基C的位置，即氨基基团不仅仅位于双链DNA分子的端部，而是与双链DNA分子中碱基C的位置相对应；羧基化的磁性纳米粒子与带有氨基基团的双链DNA分子进行反应时，通过磁性纳米粒子与氨基基团相结合，实现磁性纳米粒子的自组装；由于氨基基团的位置与碱基C的位置相对应，因此，磁性纳米粒子在双链DNA分子上的排布位置也与碱基C的位置相对应。可见，为对磁性纳米粒子的排布位置进行控制，通过设计双链DNA分子中碱基C的位置，也就是通过设计作为原料的dCTP中碱基C的位置即可实现。

本发明提供的基于聚合酶反应的磁性纳米粒子自组装方法，将氨基基团引入双链DNA分子中的碱基C上，通过氨基基团与磁性纳米粒子的结合，对磁性纳米粒子排布进行控制；通过对双链DNA分子中碱基C的位置进行设计，即可实现磁性纳米粒子的任意排布。

其中步骤S1具体包括：

S1-1：分别量取dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸、缓冲液、引物、聚合酶、DNA模板放置于离心管中，得到PCR反应体系；

S1-2：将PCR反应体系通过PCR仪通过如下程序进行扩增：当所述PCR仪的热盖温度达到98℃时，将所述PCR反应体系置于所述PCR仪中，按照如下退火条件运行：95℃变性30s、56℃退火30s、72℃延伸30s，循环40个周期，将产物经PCR产物柱式回收盒纯化后，于4℃保存，得到所述带有氨基基团的双链DNA分子。

步骤S1-1中dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸、缓冲液、引物、聚合酶、DNA模板的体积比为2：10：1：2：4。

其中步骤S1-1中缓冲液、引物、聚合酶以及DNA模板均选用PCR反应中常用的相关物质即可，本文不再赘述。

在PCR扩增时，A-T、C-G碱基进行配对，扩增出具有多个氨基位点的DNA双链分子，通过设计碱基C的位置，即可实现氨基位置的可控。

步骤S2包括：将磁性纳米粒子溶液、碳二亚胺(EDC)与N-羟基硫代琥珀酰亚胺(sulfo-NHS)的混合液、硼酸溶液混合，于室温下进行反应，得到羧基化的磁性纳米粒子。

通过上述反应对磁性纳米粒子进行表面处理，活化羧基基团，生成磺酸酯，得到羧基化的磁性纳米粒子。

作为优选，该步骤中磁性纳米粒子溶液的浓度为5mg/ml，加入量为10μl；碳二亚胺与N-羟基硫代琥珀酰亚胺的混合液的加入量为5μl；硼酸溶液的加入量为5μl；步骤S2中的反应时间为20min；本文中的磁性纳米粒子包括四氧化三铁纳米粒子。

将带有氨基基团的双链DNA分子加入羧基化的磁性纳米粒子中，得到反应液，于室温、碱性条件下进行反应，得到自组装的磁性纳米粒子。

进一步的，将带有氨基基团的双链DNA分子加入羧基化的磁性纳米粒子中进行反应，使得羧基化的磁性纳米粒子与带有氨基基团的双链DNA分子中的氨基相结合，从而通过双链DNA分子中的氨基基团将磁性纳米粒子引入，使得磁性纳米粒子按照氨基基团的位置进行排序，进而实现对磁性纳米粒子位置的控制，得到自组装的磁性纳米粒子。

该反应在弱碱性条件下进行，本发明通过加入硼酸钠来对反应液的PH进行调节；步骤S3中的反应时间为2h。

其中磁性纳米粒子与PCR产物反应实现自组装的原理如下式所示：

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

实施例一

S1-1：分别量取dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸2μl、浓度为0.05mol/L的tris-Hcl缓冲液10μl、引物1μl、聚合酶2μl、DNA模板4μl放置于0.6ml的离心管中，加水至总体积为100μl；将100μl样品平均分装于2个0.2ml的离心管中，得到PCR反应体系；

本步骤中，引物包括：

上游引物：5’-GACTGCCACTTCCTCGGATT-3’

下游引物：5’-TCACAGTCACAGGCACAGGA-3’；

S1-2：将PCR反应体系通过PCR仪通过如下程序进行扩增：当PCR仪的热盖温度达到98℃时，将PCR反应体系置于PCR仪中，按照如下退火条件运行：95℃变性30s、56℃退火30s、72℃延伸30s，循环40个周期，将产物经PCR产物柱式回收盒纯化后，于4℃保存，得到带有氨基基团的双链DNA分子。

S2：将浓度为5mg/ml的四氧化三铁纳米粒子10μl、碳二亚胺(EDC)与N-羟基硫代琥珀酰亚胺(sulfo-NHS)的混合液5μl、硼酸溶液5μl加入至0.6ml的离心管中混合，于室温下进行反应20min，得到羧基化的磁性纳米粒子；

S3：将带有氨基基团的双链DNA分子加入羧基化的磁性纳米粒子中，加入硼酸钠溶液调节PH值至7～8.2，得到反应液，于室温条件下进行反应2h后，将反应液置于磁力架上，将磁性纳米粒子从反应液中分离出来，得到自组装的磁性纳米粒子。

对S3步骤得到的产物进行检测，参见图1所示，根据产物的琼脂糖凝胶电泳图可知，本实施例通过PCR反应，成功进行了扩增，制备得到了双链DNA分子。

进一步对产物进行透射电镜检测，参见图2所示，根据产物的透射电镜图可知，本实施例制备的产物中，磁性纳米粒子实现了自组装。

通过检测结果可知，通过本实施来提供的方法，成功制备了自组装的磁性纳米粒子，且磁性纳米粒子的排序实现了任意可控。

实施例二

S1-1：分别量取dCTP修饰有氨基基团的脱氧核糖核酸4μl、浓度为0.05mol/L的tris-Hcl缓冲液20μl、引物2μl、聚合酶4μl、DNA模板8μl放置于0.6ml的离心管中，加水至总体积为100μl；将100μl样品平均分装于2个0.2ml的离心管中，得到PCR反应体系；

本步骤中，引物包括：

上游引物：5’-GACTGCCACTTCCTCGGATT-3’

下游引物：5’-TCACAGTCACAGGCACAGGA-3’；

S1-2：将PCR反应体系通过PCR仪通过如下程序进行扩增：当PCR仪的热盖温度达到98℃时，将PCR反应体系置于PCR仪中，按照如下退火条件运行：95℃变性30s、56℃退火30s、72℃延伸30s，循环40个周期，将产物经PCR产物柱式回收盒纯化后，于4℃保存，得到带有氨基基团的双链DNA分子。

S2：将浓度为5mg/ml的四氧化三铁纳米粒子10μl、碳二亚胺(EDC)与N-羟基硫代琥珀酰亚胺(sulfo-NHS)的混合液5μl、硼酸溶液5μl加入至0.6ml的离心管中混合，于室温下进行反应20min，得到羧基化的磁性纳米粒子；

S3：将带有氨基基团的双链DNA分子加入羧基化的磁性纳米粒子中，加入硼酸钠溶液调节PH值至弱碱性7～8.2，得到反应液，于室温条件下进行反应2h后，将反应液置于磁力架上，将磁性纳米粒子从反应液中分离出来，得到自组装的磁性纳米粒子。

对S3步骤得到的产物进行检测，具体检测过程参见实施例一中相关内容，本文不再赘述。

通过检测结果可知，通过本实施来提供的方法，成功制备了自组装的磁性纳米粒子，且磁性纳米粒子的排序实现了任意可控。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。