如果材料或器件的尺寸小到纳米尺度，量子效应将令它们具备十分丰富的新性能，尤其是光学和物理学性能。例如，若相邻的金属纳米粒子距离足够近，颗粒之间的表面等离子偶合作用将产生新的光学效应，因此，金属纳米材料的相关研究近年来得到了科学家们的广泛关注。然而，构建纳米尺度上排布的金属颗粒图案，无论是在可操作性还是可重复性方面，都是很有难度的。

为了解决上述问题，目前构建纳米材料主要有自上而下(top-down)和自下而上(bottom-up) 两个方向。因为制造尺寸的限制, 自上而下法面临着很多障碍和挑战，而自下而上的组装方法采用分子尺度材料来构建纳米尺度材料的方式，更易于制备复杂且精细的纳米材料或器件。

1982 年，Seeman 教授曾提出可以 DNA 为建筑材料来实现纳米级尺度物体的自组装构建，这个极具创新性的思路开拓了一个新兴起的科研领域，现在被称作“结构 DNA 纳米技术”。2006年，DNA自组装的方法有了新的突破，科学家Paul Rothemund 提出一种新型的 DNA 自组装法“DNA 折纸术”。由科学家Rothemund 提出的 DNA 折纸结构设计包含脚手架链与订书钉链两大部分。不同于传统的 DNA 自组装方法，DNA 折纸术通过将一条较长的脚手架链与多条经设计的较短的订书钉链进行碱基互补配对，能快速且精确地构建出复杂的纳米图案和结构。该工作作为封面文章在杂志Nature上得以发表，实现了以接近 100%的产率成功组装了包括五角星、正方形、笑脸等多种对称的二维纳米结构，且实现了分辨率6nm，这是DNA自组装研究的一个重要里程碑。自下而上的DNA折纸术利用了DNA分子特殊的天然结构与碱基互补配对规则, 将DNA长链上特定的区域折叠, 再用短链固定, 以构造出所需的结构。

而关于DNA折纸术模板构建金属纳米图案的研究，在2008年，有研究人员实现了在方形折纸上实现金纳米颗粒的组装。2010年，Ding课题组实现了将许多的尺寸不同的金球状纳米颗粒固定在三角形折纸上。2011年，Yan课题组还首次实现了从各向同性向各向异性的转变，成功在三角形折纸上组装了一系列不同距离和不同角度的金纳米棒。还有学者提出了另一种DNA折纸术构建贵金属纳米结构的方法，那就是对金纳米粒子进行修饰，以此作枢纽来链接DNA折纸。例如在2014年，学者Lan通过该方法把DNA折纸同金纳米棒进行交错组装，得到可设计的手性结构。

在过去近十年里，DNA 折纸术在DNA 自组装领域和 DNA 纳米技术领域得到了广泛的关注，新型的2D、3D结构不断被构建，DNA 自组装效率得到进一步的提高，该技术在各个领域展现出良好的应用前景，如制备纳米复合物、微元件，以及作为模板合成其他材料，用于生化传感器、诊断治疗各种疾病、传输纳米药物等领域。相较于自上而下的传统组装方法，DNA 折纸术的优越之处在于：具有可编码性、高的空间分辨率（4~6nm）、快速简单的合成过程、易于在特定位点化学修饰、良好的的生物相容性以及精准的空间可寻址性等，被广泛地用于纳米颗粒组装和有机大分子组装等，极有可能成为下一代复杂纳米材料与器件组装的模板。

本研究采用DNA折纸术模板构建金属纳米图案，该工作主要分为三个部分：第一部分主要构建正方形DNA 折纸；第二部分主要利用正方形DNA 折纸构建金属纳米图案；第三部分主要利用原子力显微镜（AFM），扫描电子显微镜(SEM)，高分辨透射电镜(HR-TEM)等测试手段对折纸结构的形成及负载状况进行表征和分析。

2.1设计的基本内容

材料制备：根据目标图形设计并计算所需订书钉连序列，按照一定比例将所需的订书钉链、M13mp18脚手架链与缓冲液进行混合，后经退火、超滤得到正方形DNA折纸。制备金纳米棒并构建金属纳米图案。

材料表征：对得到的正方形DNA折纸以及构建的金属纳米图案进行结构表征和形貌表征，通过原子力显微镜（AFM），扫描电子显微镜(SEM)，高分辨透射电镜(HR-TEM), 琼脂糖凝胶电泳法等测试手段对折纸结构的形成及负载状况进行表征和分析。

2.2设计目标

1、查阅不少于15篇的关于DNA折纸术的相关资料，英文文献不少于5篇，完成开题报告。

2、采用DNA折纸术形成三角形和矩形结构的图案，分析形成机理。

3、采用纳米金负载在DNA结构上，测试相应的性能并分析。

4、完成不少于5000字的英文文献翻译。

5、完成毕业论文，字数不少于1.2万字。

2.3拟采用的技术方案及措施

1、DNA折纸的设计：首先参考文献，使用cadnano软件设计正方形DNA折纸，生成所需订书钉短链序列，然后订购特定序列的订书钉短链以及所需脚手架链M13mp18DNA，最后利用碱基互补配对原理获得设计的DNA折纸图案。

2、DNA折纸的合成：首先将所有订书钉链用Milli-Q水稀释到100uM待用，然后配置1×TAE-Mg² 缓冲液（40mM Tris，20mM 醋酸，1mMEDTA，12.5mM 乙酸镁的摩尔比进行配制）。脚手架链M13mp18与订书钉链混合物，按照1：10的摩尔浓度比进行混合，用1×TAE-Mg² 缓冲液补足50uL，在PCR中退火（退火程序：令退火速度为1℃/100s，95℃时保持5分钟，目的是让形成的二级结构充分解链，使反应物从95℃至20℃退火）；然后用1×TAE-Mg² 缓冲液作清洗液，使用超滤管，将反应后的DNA折纸液过滤离心三次，以除去过量的订书钉链。

3、DNA折纸的表征：将10uL的DNA折纸液滴在新揭的云母片上，然后用原子力显微镜AFM进行表征。

4、DNA折纸的修饰：在正方形DNA折纸的正反面，分别设计7和8个位点，呈交叉的“X”状，根据位点的设计修改特定的碱基序列并订购碱基序列；

5、合成金纳米棒并进行修饰：

①金纳米棒种子合成：CTAB溶液(5mL,0.1M)在大力搅拌下混入10mM，0.125mL的HAuCl₄溶液，再加入0.3mL，0.01M的冰NaBH₄溶液形成棕黄色液体，继续搅拌2min，静置在25℃条件下。

②金纳米棒的生长：在25℃下，270μL，0.06mM的AgNO₃溶液加入到CTAB溶液(40mL, 0.10M)，然后2mL，0.01M的HAuCl₄溶液被加入,接着加入0.45mL，0.064M的抗坏血酸，最后, 450μL种子液被加入。静置几个小时后，金纳米棒被合成，其浓度用UV-Vis光谱检测。

③DNA修饰金纳米棒：1mL，0.95nM的AuNRs和10μL，500μM（包含0.01% SDS的1×TBE 缓冲液）的硫醇化的DNA混合,在室温下培育几个小时，再在20h内分10次加入10μL，5M的NaCl溶液，然后用0.5×TBE缓冲液，在2.5%的琼脂糖凝胶电泳下纯化。

6、手性金纳米棒的组装：21μL，3nM的已纯化的DNA折纸分别与5.1μL,7.7μL和11.6μL，13.5nM的AuNRs混合，混合物在1xTAE-Mg2 缓冲液中从40℃到25℃退火4次（1℃/10min），从而分别组装得到包含9，4和2个金纳米棒的手性结构。

7、金纳米棒手性结构的表征及性能测试：

①形貌表征：用TEM观看是否组装得到手性结构；

②圆二色性测试：用圆二色光谱检测其对R和L圆偏振光的吸收程度。

第1-2周：查阅相关文献资料，明确研究内容，确定实验方案，了解试验仪器和设备，完成开题报告。

第3-4周：学习使用实验仪器和设备（包括ATM,SEM,离心机，PCR仪，移液管等），并逐步开始制备样品。

第5-12周：采用DNA折纸术形成三角形和矩形结构的图案，进行金属的负载，并对结果进行测试表征。

第13-14周：撰写毕业论文。

第15-16周：准备论文答辩相关工作。

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