一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体、制备方法及其在重金属离子检测方面的应用与流程

[0001]
本发明属于有机半导体小分子材料应用技术领域，具体涉及一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体、制备方法及其在重金属离子检测方面的应用。


背景技术：

[0002]
环境污染是当今社会面临的一个重大问题。重金属在痕量水平上具有高毒性，并且它们的污染对全世界的环境和公共健康构成了巨大威胁。探索一种高效、灵敏的检测重金属方法成为了高需求下的必然趋势。目前一些比较传统的检测分析手段，比如电感耦合等离子体质谱、原子吸收光谱、紫外-可分见光光度法、x-射线荧光光谱等被大量的使用在分析水体的重金属污染程度。但这些方法通常依赖大型机器，仪器维修的成本也比较高，而且检测时制样工艺繁琐，因此传统的检测技术存在很大的局限性。
[0003]
八羟基喹啉铝(alq3)第一次被提及是在1987年，用于有机发光二极管的材料制备上。此后关于alq3的研究，多集中于提高alq3的亮度和长期的稳定性上。尤其是制备一维的纳米线和纳米棒方面引起了人们的广泛关注。如2008年，yadong li课题组首次提出，在表面活性剂辅助下制备了具有六棱柱型的alq3微米棒。此次报道虽然对alq3棒在表面活性剂溶液中自组装的机理进行了解释，但止步于实际应用方面研究。
[0004]
dna分子结构中，两条多聚脱氧核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕，构成双螺旋结构，dna不仅是一种天然的生物信息载体，还是一种具有多种功能的结构材料。受dna独特的物理和化学特性的启发，科研工作者们利用dna来构建设计合理架构的纳米物体。例如，dna独特的碱基配对规则和结构特征可以将等离子体纳米粒子组装成具有实用性质的结构。


技术实现要素：

[0005]
为了克服现有技术中的检测方法通常依赖大型机器，仪器维修的成本也比较高，而且检测时制样工艺繁琐等缺陷，本发明提供了一种具有重金属离子检测功能的核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体，核酸分子在结晶有机半导体中能够起到替代传统表面活性剂的作用，即在单链dna的引导下，alq3能够自组装形成六棱柱形貌的聚集体。而且dna作为一种可以携带信息的功能分子与alq3的掺杂能够起到增强材料的功能性的作用，通过互补dna在alq3表面杂化，可以起到对alq3荧光增强的作用。dna较表面活性剂而言，具有传递和承载信息的功能性，具有对不同物质特异性识别的专一性。借助dna序列的可编程性，结构设计的灵活性，以及特定dna序列对特定目标物的特异性识别作用，可以利用自组装形成的聚集体中的dna序列与目标物的竞争互补引起的纳米结构变化及其引起的光学信号的变化，可以实现对目标物进行检测方面的突破。
[0006]
本发明通过如下技术方案实现：
[0007]
一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体，该聚集体是以alq3粉末为材料，
通过生物导向，使用能与特定重金属离子特异性识别碱基序列的核酸分子(dna)辅助自组装合成出的alq3棒状聚集体，在自组装过程中，核酸分子能够嵌入在alq3棒状有机半导体聚集体中。
[0008]
优选地，所述特定重金属离子为铅、镉、汞或砷重金属离子。
[0009]
优选地，所述核酸分子的序列号分别如下：
[0010]5’-
ttctttcttccccttgtttgtt-3’、
[0011]5′-
gggttcacagtccgtt-3
′
、
[0012]5′-
atgcaaacccttaagaaagtggtcgtccaaaaaaccattg-3
′
或
[0013]5′-
ggttggtgtggttgg-3
′
。
[0014]
一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体的制备方法，具体步骤如下：
[0015]
取不同碱基序列的核酸分子水溶液与用四氢呋喃溶解的alq3粉末溶液中，搅拌、避光、常温放置过夜，得到核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体；其中，核酸分子水溶液与alq3粉末溶液的体积比为8:1。
[0016]
优选地，所述不同碱基序列的核酸分子水溶液的浓度为每16ml的溶液中含有500nm的单链dna。
[0017]
优选地，所述核酸分子的序列号分别如下：
[0018]5’-
ttctttcttccccttgtttgtt-3’、
[0019]5′-
gggttcacagtccgtt-3
′
、
[0020]5′-
atgcaaacccttaagaaagtggtcgtccaaaaaaccattg-3
′
或
[0021]5′-
ggttggtgtggttgg-3
′
。
[0022]
本发明还提供了一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体在重金属离子检测方面的应用。
[0023]
与现有技术相比，本发明的优点如下：
[0024]
本发明通过在单链dna溶液中制备了六棱柱棒型的alq3微米棒，且核酸分子嵌入在棒状聚集体中，alq3棒具有稳定的荧光特性。通过对不同的dna链进行挑选，选择了四条不同的dna序列，分别对汞、镉、砷、铅四种重金属离子特异性识别。与重金属离子特异性识别后，alq3棒的荧光强度明显下降。通过观察alq3棒的荧光强度的变化，可以作为一种定性定量的手段，对重金属离子在短时间内有灵敏的响应。对比传统的检测手段，检测方法更简便，耗时短，响应快，检测效果更明显。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0026]
图1为本发明的一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体的示意图；
[0027]
其中，(a)为扫描电子显微镜，(b)为高分辨率透射显微镜，(c)为能量色散谱图；
[0028]
图2为时间对加入和未加入汞离子对alq3棒溶液荧光强度变化影响的对比图；
[0029]
其中，(a)为扫描电子显微镜图、(b)为高分辨率透射显微镜图；
[0030]
图3为本发明的一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体对铬离子的检测荧
光谱图；
[0031]
图4为本发明的一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体对砷离子检测的荧光谱图；
[0032]
图5为本发明的一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体对铅离子检测的荧光谱图。
具体实施方式
[0033]
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0034]
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
[0035]
实施例1
[0036]
一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体，该聚集体是以alq3粉末为材料，通过生物导向，使用能与特定重金属离子特异性识别碱基序列的核酸分子(dna)辅助自组装合成出的alq3棒状聚集体，在自组装过程中，核酸分子能够嵌入在alq3棒状有机半导体聚集体中。
[0037]
所述特定重金属离子为铅、镉、汞或砷重金属离子。
[0038]
所述核酸分子的序列号分别如下：
[0039]5’-
ttctttcttccccttgtttgtt-3’、
[0040]5′-
gggttcacagtccgtt-3
′
、
[0041]5′-
atgcaaacccttaagaaagtggtcgtccaaaaaaccattg-3
′
或
[0042]5′-
ggttggtgtggttgg-3
′
。
[0043]
alq3在dna溶液中自组装可以形成具有荧光特性的六棱柱形貌的聚集体，并实现dna在聚集体中的嵌入。在加入与dna特异性识别的重金属离子溶液后，alq3聚集体的荧光强度明显下降，且下降幅度随着重金属浓度的升高而上升。从而达到对重金属离子定性和定量分析的目的。
[0044]
实施例2
[0045]
一种具有重金属离子检测功能的核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体的制备方法，具体步骤如下：配置16ml，500nm的不同碱基序列的单链dna(ss-dna)水溶液，分别加入用四氢呋喃溶解的1mg/ml的alq3粉末溶液，并搅拌两分钟，避光，常温下放置过夜。
[0046]
所述不同碱基序列的单链dna的序列表如表1所示。
[0047]
表1为四种不同碱基序列的dna的序列表
[0048][0049]
如图1(a)所示，通过扫描电子显微镜，我们可以清楚的看到alq3在单链dna溶液中成功的自组装形成了表面光滑的六棱柱棒型结构。并由高分辨率透射显微镜(hr-tem)，图1(b)进一步确认其实心六棱柱光滑棒型的形态。为了进一步确认alq3在dna溶液中自组装，将alq3棒的粉末样品涂在超薄多孔铜网上，根据图1(c)能量色散谱图(eds)，确认了铝(al)和磷(p)元素的存在，即alq3分子和ssdna分子的成分。
[0050]
为了进一步证明alq3棒溶液的稳定性，利用365nm的紫外灯照射alq3棒溶液，图2(a)所示，可以看到60分钟荧光强度有一定的变化，这是由于静置的过程中，溶液中alq3棒沉淀引起的。在晃动后，未加入重金属离子的溶液，荧光强度恢复到最初，alq3溶液保持稳定的荧光特性，加入了汞离子后，荧光强度随着时间的变化而减弱。进一步分析定量动力学荧光检测，用365nm作为激发波长，得到512nm处的荧光强度。如图2(b)所示，每隔一分钟测量一次充分摇晃，分散均匀的alq3棒溶液的荧光强度。在加入汞离子后，荧光强度明显下降，作为对比，未加入汞离子的alq3棒溶液荧光强度保持相对稳定。根据其荧光强度随时间的变化，其动力学方程可拟为：
[0051]
i(t)＝i
0 exp(-kt)
ꢀꢀ
(1)
[0052]
ln(i(t)/i0)＝-kt
ꢀꢀ
(2)
[0053]
其中i(t)为随着时间变化的荧光强度，i0为初始的荧光强度，k为荧光衰变的常数。其中未加入重金属离子的的k
before
＝0.010min-1
远小于加入重金属离子后的k
after
＝0.025min-1
。可以看出，alq3棒对重金属离子敏感，响应快。进一步证明了，该方法对检测重金属离子的快速高效的特点。
[0054]
实施例3
[0055]
本发明还提供了一种核酸分子嵌入的有机半导体小分子聚集体在重金属离子检测方面的应用。
[0056]
一：配置16ml，500nm的与汞离子特异性识别的单链dna(ss-dna)水溶液，该单链
dna的碱基序列为：5
’-
ttctttcttccccttgtttgtt-3’。加入2ml用四氢呋喃溶解的浓度为1mg/ml的alq3粉末溶液，并搅拌两分钟，避光，常温下放置过夜。
[0057]
将配置好的，浓度分别为10，100，200μg/ml的汞离子溶液以体积比为9：1的比例与上述制备的alq3棒混合。30min后比较反应前后的荧光强度。
[0058]
二：配置16ml，500nm的与镉离子特异性识别的单链dna(ss-dna)水溶液，该单链dna的碱基序列为：5
′-
gggttcacagtccgtt-3
′
。加入2ml用四氢呋喃溶解的浓度为1mg/ml的alq3粉末溶液，并搅拌两分钟，避光，常温下放置过夜
[0059]
将配置好的，浓度分别为10，100，200μg/ml的镉离子溶液以体积比为9：1的比例与上述制备的alq3棒混合。30min后比较反应前后的荧光强度。
[0060]
三：配置16ml，500nm的与砷离子特异性识别的单链dna(ss-dna)水溶液，该单链dna的碱基序列为：5
′-
atgcaaacccttaagaaagtggtcgtccaaaaaaccattg-3
′
。加入2ml用四氢呋喃溶解的浓度为1mg/ml的alq3粉末溶液，并搅拌两分钟，避光，常温下放置过夜
[0061]
将配置好的，浓度分别为10，100，200μg/ml的砷离子溶液以体积比为9：1的比例与上述制备的alq3棒混合。30min后比较反应前后的荧光强度。
[0062]
四：配置16ml，500nm的与铅离子特异性识别的单链dna(ss-dna)水溶液，该单链dna的碱基序列为：5
′-
ggttggtgtggttgg-3
′
。加入2ml用四氢呋喃溶解的浓度为1mg/ml的alq3粉末溶液，并搅拌两分钟，避光，常温下放置过夜
[0063]
将配置好的，浓度分别为10，100，200μg/ml的铅离子溶液以体积比为9：1的比例与上述制备的alq3棒混合。30min后比较反应前后的荧光强度。
[0064]
将该种方法适配到其他重金属离子时，如镉(cd),砷(as),铅(pb),也得到了同样良好的响应效果。alq3的荧光强度，随着重金属离子的浓度下降。
[0065]
可以由图3、4、5看出，在未加入重金属离子前，alq3有良好的荧光性质。加入等量的去离子水作为对照组，由于alq3被稀释，荧光在合理的范围内下降。加入不同浓度的重金属离子后，荧光大幅下降，并随着重金属离子浓度的增加，下降幅度增加。可以达到对重金属离子定性分析和初步的定量分析的目的。
[0066]
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
[0067]
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
[0068]
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。