一种对单壁碳纳米管进行纳米级精度有序排列的方法

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种对单壁碳纳米管进行纳米级精度有序排列的方法。

背景技术

单壁碳纳米管(SWCNTs)独特的电子、光学和机械性能使其成为纳米电子学和光子应用的理想候选材料。在这些应用中需要对SWCNTs进行纳米级分辨率的精确排列，例如为了确保高质量的发射和吸收低，在光子应用中需要受控放置单个SWCNT；水平排布的SWNTs阵列并行的传输路径可以维持相对较大的电流并最大限度地减少器件与器件之间的差异，在互连、场效应晶体管(FET)和逻辑电路等纳米器件中受到广泛应用。传统的模板修饰(以光刻为代表)或介电电泳(DEP)方法已被用于制备碳纳米管阵列，然而，在纳米尺度上高效排列碳纳米管仍然具有挑战性。

DNA纳米技术是利用DNA的可编程性和结构特征来制造各种纳米级结构和器件的方法。DNA折纸是DNA纳米技术的一个里程碑，它是通过许多短链将一个长单链DNA折叠而成的，已被应用于精确控制金属纳米粒子、蛋白质、量子点、聚合物等的位置。由于芳香族核苷酸与SWCNTs疏水表面之间存在强烈的π-π堆积相互作用，单链DNA(ssDNA)容易被吸附到SWCNTs上，从而实现DNA介导的SWCNTs排列。DNA折纸已被用作模板，通过从DNA折纸上延伸的“捕获链”与悬挂在SWCNTs上的靶ssDNA之间的互补杂交来指导SWCNTs的对齐。尽管相关研究已经报道了很大的进展，但SWCNTs在DNA模板上的高组装效率仍然是一个挑战，阻碍了SWCNTs的精确排列。

目前，多种方法已被用于提高DNA折纸上SWCNTs的组装效率。其中包括在DNA折纸的特定位点引入球形核酸，为SWCNTs组装提供高密度捕获链，以获得更高的杂交产率；使用基于DNA砖晶体的纳米沟槽通过DNA杂交排列DNA包裹的CNT，构建了平行CNT阵列。然而，外来材料的引入可能会给后续的应用带来潜在的干扰，独特的模板成本高、相对复杂且不可回收。因此，发展一种操作简单并且能使DNA折纸成为SWCNTs排列的通用和可回收模板的方法仍旧是一个迫切需求和重大挑战。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种对单壁碳纳米管进行纳米级精度有序排列的方法，能够解决现有技术需要引入其他纳米材料，且SWCNTs在DNA折纸模板上的组装效率低的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种对单壁碳纳米管进行纳米级精度有序排列的方法，以DNA折纸作为模板，在其表面预设位点延伸出单链DNA捕获链，利用单链DNA捕获链和单壁碳纳米管疏水表面强π-π堆积吸附作用，实现单壁碳纳米管在DNA折纸模板上的可控组装；其中，调节体系盐浓度能够改变单壁碳纳米管表面缠绕的DNA电晕构象，通过增加单壁碳纳米管暴露表面增加与单链DNA捕获链的吸附机会，提升单壁碳纳米管在DNA折纸上的组装效率。

进一步地，所述的对单壁碳纳米管进行纳米级精度有序排列的方法，具体包括以下步骤：

1)超声制备ssDNA包裹的分散性良好的SWCNTs：将单壁碳纳米管分散于NaCl浓度为100mM的DNA溶液中，超声处理，离心去除未溶解的物质，收集上清液；

2)ssDNA-SWCNTs的纯化：洗涤上清液去除游离ssDNA，得到ssDNA-SWCNTs溶液；

3)ssDNA-SWCNTs溶液离子强度的调节：通过调节ssDNA-SWCNTs溶液中的NaCl浓度，获得三种不同DNA电晕相SWCNTs，分别为100mM的HDC-SWCNTs、5mM的TDC-SWCNTs和50mM的LDC-SWCNTs；

4)制备具有特定设计位点的矩形DNA折纸：将支架DNA、短链DNA和捕获链DNA混合于缓冲液中，进行退火处理，制得具有特定设计位点的DNA折纸；此处，具有特定设计位点是指根据需求若组装碳纳米管在DNA折纸边侧则在边侧设计伸出ssDNA，若组装在DNA折纸表面则在表面伸出ssDNA，因此称为具有特定设计位点。

5)DNA折纸与SWCNTs的组装：将步骤4)制得的DNA折纸分别与步骤3)得到的不同浓度的DNA电晕相SWCNTs混合后，33℃下孵育2h，并通过缓冲液和NaCl溶液调节离子强度，完成单壁碳纳米管的纳米级精度排列。

优选地，步骤1)中，超声处理在冰浴条件下处理30min；离心是在4℃下，以16000g的转速处理90min。

进一步优选地，超声时将功率调节至最大水平，并确保溶液不会溢出。超声后，分散的SWCNTs在4℃离心，离心后收集上清液，并置于4℃保存。

优选地，步骤2)中，洗涤上清液采用100mM NaCl溶液通过Amicon Ultra-0.5mL离心过滤器(MWCO 100kDa)进行洗涤。

优选地，步骤3)中，具体操作如下：先将ssDNA-SWCNTs溶液中的NaCl浓度从100mM降低至5mM，室温孵育过夜，去除脱附的ssDNA，再将溶液中NaCl浓度升高至50mM。

ssDNA作为一种带电聚合物缠绕在碳管表面上的吸附相，称为电晕，溶液离子强度的变化会引起ssDNA 电晕构象变化，通过调节溶液离子强度增加SWCNTs上的暴露表面积，为DNA折纸上直接吸附的“捕获ssDNA”提供了更多机会。因此在调节盐浓度后需要去除溶液中脱落的ssDNA。然后将SWCNTs原液用不同浓度盐溶液稀释至50ug/mL。稀释后的溶液在室温下孵育一夜，然后进行荧光测量。在进行荧光测量时，使用Edinburgh FLS9光谱仪采集荧光数据，激发波长为650nm。

进一步优选地，去除脱附的ssDNA时使用Amicon Ultra-0.5mL离心过滤器，以3000g的速度采用不同浓度的NaCl溶液将ssDNA-SWCNTs溶液离心处理，共计处理3次，每次5min。

优选地，步骤4)中，支架DNA采用M13mp18支架，缓冲液采用1×TAE-Mg

优选地，步骤4)中，对退火处理后的具有特定设计位点的矩形DNA折纸进行纯化处理，用1×TAE/Mg

优选地，步骤5)中，在孵育前用100mM NaCl溶液调节溶液离子强度，调节溶液离子强度时保持Na

优选地，步骤5)中，DNA折纸溶液与具有不同DNA电晕相的SWCNTs等体积混合孵育；其中，不同DNA电晕相的SWCNTs的浓度为10ug/mL，DNA折纸溶液的浓度为2nM。

使用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)对DNA折纸与SWCNTs的组装体进行成像与分析。AFM成像时，将样品溶液沉积在新揭开的云母上吸附，然后用去离子水去除多余盐分，并用氮气干燥。之后置于原子力显微镜下，于气相轻敲模式进行成像操作。

所述的AFM成像的条件为温度25℃，湿度低于40％；所述滴加的样品体积大于0且≤5μL，较佳的为3μL；所述的吸附的时间为2min～5min，较佳的为3min。

TEM成像时，将样品溶液沉积在碳膜包覆的铜网上吸附，用滤纸吸去剩余的溶液后进行阴性染色和干燥。之后置于透射电子显微镜下进行成像操作。所述滴加的样品体积3μL，所述吸附的时间为5min，用滤纸吸去剩余的溶液后在铜网上滴加10μL去离子水去除多余的盐，然后用2％甲酸铀酰水溶液染色1min。染色后，用滤纸除去多余的溶液并用去离子水洗涤，然后将铜网放置于室温过夜进行干燥。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的对单壁碳纳米管进行纳米级精度有序排列的方法，利用DNA折纸结构作为构建模板，在二维平面折纸表面预设位点延伸出单链DNA(ssDNA)捕获链，利用ssDNA和SWCNTs疏水表面强π-π堆积吸附作用，实现SWCNTs在DNA折纸模板上的可控组装。通过调节盐浓度改变SWCNTs表面缠绕的DNA电晕构象从而获得最大可能的SWCNTs暴露表面，以增加和“捕获ssDNA”的吸附机会，提高了SWCNTs在DNA折纸上的组装效率。该方法操作简单，不需要引入其他纳米材料，具有普适性，提高了SWCNTs在DNA折纸模板上的组装效率，实现了SWCNTs纳米级精度的高效有序排布。

附图说明

图1为本发明不同盐浓度中具有三种DNA电晕相的SWCNTs的代表性局部AFM图像以及ssDNA包裹在SWCNTs上的统计高度和距离图。

图2为本发明不同NaCl浓度下ssDNA-SWCNTs的归一化荧光强度图。

图3为本发明不同NaCl浓度的SWCNTs固定在矩形折纸模板上的AFM图；其中，a为100mM；b为5mM；c为20mM；d为35mM；e为50mM；

图4为本发明DNA折纸上的LDC-SWCNT和HDC-SWCNT组装的AFM和TEM图和不同盐浓度下SWCNTs在DNA折纸上的组装产率分析图；其中，a为LDC-SWCNT与DNA折纸组装的AFM和TEM图；b为HDC-SWCNT与DNA折纸组装的AFM和TEM图；c为不同盐浓度下SWCNTs在DNA折纸上的组装产率统计图；d为DNA折纸上LDC-SWCNT和HDC-SWCNT的组装产率对比图；

图5为本发明通过编程DNA折纸上伸出的捕获ssDNA的位置，在30nm到54nm范围内精确地调节SWCNTs间距的AFM图；其中，a为30nm；b为42nm；c为48nm；d为54nm；

图6为本发明的原理图；其中，a为溶液离子强度调整的SWCNT上的DNA电晕相变：高密度DNA电晕相，HDC；过渡DNA电晕相，TDC；低密度DNA电晕相，LDC；b为LDC-SWCNT和HDC-SWCNT通过“捕获ssDNA”吸附在矩形DNA折纸模板上的比较图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图6，本发明公开的单壁碳纳米管(SWCNTs)纳米级精度有序排列的方法，利用DNA折纸结构作为构建模板，在二维平面折纸表面预设位点延伸出单链DNA(ssDNA)捕获链，利用ssDNA和SWCNTs疏水表面强π-π堆积吸附作用，实现SWCNTs在DNA折纸模板上的可控组装。通过调节盐浓度改变SWCNTs表面缠绕的DNA电晕构象从而获得最大可能的SWCNTs暴露表面，以增加和“捕获ssDNA”的吸附机会，提高了SWCNTs在DNA折纸上的组装效率。

ssDNA作为一种带电聚合物缠绕在碳管表面上的吸附相，称为电晕，溶液离子强度的变化会引起ssDNA电晕构象变化，通过调节溶液离子强度增加SWCNTs上的暴露表面积，为DNA折纸上直接吸附的“捕获ssDNA”提供了更多机会。

具体地，包括以下步骤：

1)超声制备ssDNA包裹的分散性良好的SWCNTs：SWCNT分散在DNA溶液(100mMNaCl)中，并将混合物置于冰水浴环境中超声处理30分钟。然后用16000g离心90分钟以除去未溶解的物质，收集上清液。

2)ssDNA-SWCNTs的纯化：为了去除溶液中的游离ssDNA，使用Amicon Ultra-0.5mL离心过滤器(MWCO 100kDa)洗涤制备的上清液。

3)ssDNA-SWCNTs溶液离子强度的调节：将ssDNA-SWCNTs溶液中的NaCl浓度从100mM降低到5mM，室温孵育过夜。去除溶液中脱附的ssDNA后将NaCl浓度升高至50mM。通过调节盐浓度得到三种不同DNA电晕相SWCNTs：HDC-SWCNTs(100mM)；TDC-SWCNTs(5mM)；LDC-SWCNTs(50mM)。

4)制备具有特定设计位点的矩形DNA折纸：将M13mp18支架、短DNA短链和捕获链混合在1×TAE-Mg

5)DNA折纸与SWCNTs的组装：将DNA折纸与纯化后不同DNA电晕相的ssDNA-SWCNTs以一定比例混合在33℃下孵育2h，使用1×TAE/Mg

优选地，在步骤1)中，超声时将功率调节至最大水平，并确保溶液不会溢出。超声后，分散的SWCNTs在4℃离心，离心后收集上清液，并置于4℃保存。

优选地，在步骤2)中，纯化SWCNTs时使用100mM NaCl溶液将ssDNA-SWCNTs洗涤3次。

优选地，调节盐浓度后，去除脱落的ssDNA时使用Amicon Ultra-0.5mL离心过滤器(MWCO 100kDa)以3000g的速度使用不同浓度的盐溶液将ssDNA-SWCNTs溶液离心5min，重复进行三次上述洗涤过程。

优选地，在步骤4)中，退火时将混合物置于PCR仪中加热到95℃保持5分钟，然后以每10秒0.1℃的速度冷却到25℃。

优选地，在步骤5)中，DNA折纸与SWCNTs组装前需要对其进行纯化，折纸溶液用1×TAE/Mg2+缓冲液在Amicon Ultra-0.5mL离心过滤器(MWCO 100kDa)中离心洗涤3次去除多余的短链。

优选地，在步骤5)中，DNA折纸与不同盐浓度SWCNTs孵育前需要用100mM NaCl溶液调节溶液离子强度。调节溶液离子强度时保持Na

在步骤5)中，使用透射电子显微镜(TEM)和原子力显微镜(AFM)对DNA折纸与SWCNTs的组装体进行成像与分析。AFM成像时，将样品溶液沉积在新揭开的云母上吸附，然后用去离子水去除多余盐分，并用氮气干燥。之后置于原子力显微镜下，于气相轻敲模式进行成像操作。

所述的AFM成像的条件为温度25℃，湿度低于40％；所述滴加的样品体积大于0且≤5μL，较佳的为3μL；所述的吸附的时间为2min～5min，较佳的为3min。

优选地，TEM成像时，将样品溶液沉积在碳膜包覆的铜网上吸附，用滤纸吸去剩余的溶液后进行阴性染色和干燥，之后置于透射电子显微镜下进行成像操作。所述滴加的样品体积3μL，所述吸附的时间为5min，用滤纸吸去剩余的溶液后在铜网上滴加10μL去离子水去除多余的盐，然后用2％甲酸铀酰水溶液染色1min。染色后，用滤纸除去多余的溶液并用去离子水洗涤，然后将铜网放置于室温过夜进行干燥。

实施例1

步骤1：超声制备ssDNA包裹的分散性良好的SWCNTs:

0.5mg SWCNTs分散在600μL DNA溶液(33μM ssDNA和100mM NaCl)中。样品在冰水浴环境中超声30分钟。超声后，分散的SWCNTs在4℃下以16000g离心90分钟，以去除未溶解物质。取上清，其质量浓度0.2～0.4mg/ml,放置于4℃保存。

步骤2：ssDNA-SWCNTs溶液离子强度的调节：

将ssDNA-SWCNTs溶液中的NaCl浓度从100mM降低到5mM，室温孵育过夜。使用Amicon Ultra-0.5mL离心过滤器(MWCO 100kDa)以3000g的速度将ssDNA-SWCNTs溶液离心5min，重复进行三次上述洗涤过程去除溶液中脱附的ssDNA。然后将NaCl浓度升高至50mM，对应图1中的ⅠHDC(100mM)，ⅡTDC(5mM)和ⅢLDT(50mM)。图1原子力显微镜(AFM)测量和横截面分析显示了上述三个阶段SWCNTs上ssDNA包裹的高度和间距统计。在100mM NaCl溶液(HDC-SWCNT)中，SWCNTs上的ssDNA结构高度约为2.5nm，距离约为9nm。随着NaCl浓度的降低(降至5mM)，SWCNTs上DNA纳米结构的高度下降到约1.8nm，但统计距离增加到约14nm。随着NaCl浓度从5mM到50mM(LDC)，其距离逐渐增加至～17nm，高度提高至～2.1nm。

图2为不同NaCl浓度下ssDNA-SWCNTs的归一化荧光强度，当NaCl浓度从100mM降至5mM时，ssDNA-SWCNTs的荧光强度单调降低，说明SWCNTs表面的DNA覆盖随溶液离子强度的变化而变化，也支持SWCNTs表面DNA电晕相变取决于溶液离子强度。

步骤3：特定设计位点的矩形DNA折纸的合成：

将M13mp18支架、短DNA短链和捕获短链混合在1×TAE/Mg2+缓冲液(Tris 5mM，EDTA 1mM，MgCl2 12.5mM，pH值为8)中，总体积为100μL。混合物在PCR中加热到95℃保持5分钟，然后以每10秒0.1℃的速度冷却到25℃。折纸溶液用1×TAE/Mg2+缓冲液在AmiconUltra-0.5mL离心过滤器(MWCO 100kDa)中离心洗涤3次去除多余的短链，纯化后的折纸溶液放置于4℃保存。

步骤4：DNA折纸与SWCNTs的组装：

取3μL DNA折纸溶液与3μL 10ug/mL的SWCNTs(不同盐浓度)在33℃下孵育2h，使用1×TAE/Mg

参见图3为不同NaCl浓度的SWCNTs固定在矩形折纸模板边侧上的AFM图像，(a)100mM(HDC-SWCNTs)；(b)5mM(TDC-SWCNTs)；(c)20mM；(d)35mM；(e)50mM(LDC-SWCNTs)。白色方框为无SWCNT连接；绿色方框为单侧SWCNT连接；红色方框为双侧SWCNTs连接。

参见图4为DNA折纸上的LDC-SWCNT和HDC-SWCNT组装的AFM和TEM图和不同盐浓度下SWCNTs在DNA折纸上的组装产率统计图，代表性的AFM和TEM图像显示了LDC-SWCNTs(50mMNaCl)组装效率显著高于HDC-SWCNTs(100mM NaCl)。组装产率统计图显示调节盐浓度能提高SWCNTs与DNA折纸的组装效率，单侧附着的产率从32％(HDC-SWCNTs)增加到57％(LDC-SWCNTs)，而双侧附着的产率从6％(HDC-SWCNTs)增加到15％(LDC-SWCNTs)。

参见图5为通过改变DNA折纸上伸出的捕获ssDNA的位置，在30nm到54nm范围内精确地调节SWCNTs间距，体现了该方法能够在纳米级精度高效有序排列SWCNTs。

综上所述，本发明的方法，在不引入其他辅助纳米材料的情况下,提高了SWCNTs在DNA折纸上的组装效率，并且能对SWCNTs的排列位置实现纳米尺度的精确控制。本方法操作简单，仅通过改变盐浓度降低了操作复杂性，通过DNA折纸伸出的“捕获ssDNA”直接吸附SWCNTs，取代了互补DNA链之间的杂交组装策略。本发明的方法具有普适性，不需要特殊的杂交使DNA折纸成为SWCNTs排列的通用和可回收模板。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。