金属DNA纳米线的制作方法

刘 昊 王文红

聊城大学物理科学与信息工程学院，山东 聊城 252059

金属DNA纳米线的制作方法

刘 昊 王文红

聊城大学物理科学与信息工程学院，山东 聊城 252059

DNA分子的独特的双螺旋结构，使得DNA具有热力学上的稳定性、线性的分子结构及机械性等特征，是作为制备金属纳米线的理想模板。通过以DNA为模板形成金属纳米线，提高了DNA导电性，使得DNA分子作为纳米导线构筑纳米器件成为可能，在构筑生物纳米器件的领域会有广阔的应用前景。

DNA；金属纳米线；自组装

前 言

DNA分子的独特的双螺旋结构，使得DNA具有热力学上的稳定性、线性的分子结构及机械性等特征，是作为制备金属纳米线的理想模板，在纳米器件制备方面有着广阔的应用空间。有人提出了以DNA为模板的方法，在DNA周围包裹金属颗粒制备金属纳米线，从而有效改善了DNA的物理和化学特性，大大提高了DNA的导电性和热稳定性。实验中常用的Au、Ag、Cu、Ni、Pd、Pt、Co等金属材料，由于具有良好的光学、电学和磁学方面的特性而成为制备金属纳米线的首选材料。研究表明，以DNA为模板制备金属纳米线是一种简便、高效的技术和方法，同时，也为自下而上制备纳米器件提供了广阔的空间。

1. DNA模板金属纳米线制备原理

目前来讲，制备金属纳米线的方法主要有：直接沉积法、光诱导法、电化学沉积法及化学还原法等几种方法，而各种方法之间又相互交叉渗透。一般来说，以DNA为模板制备金属纳米线是基于以下三个步骤：首先，DNA分子活化。将金属离子与DNA结合，带正电的金属离子在静电作用下与DNA上带负电的磷酸基团相互吸引，金属离子沿DNA骨架吸附在DNA上，实现了DNA的金属化，该过程又叫DNA的活化过程，该过程在整个制备过程中是至关重要的，DNA的活化程度决定了DNA上的金属覆盖程度以及产生的纳米线的结构。第二步，还原。还原过程是将DNA上的金属离子还原成粒子，被还原的金属粒子作为晶种吸附在DNA骨架上。通常用的还原剂有二甲基硼烷、抗坏血酸、对苯二酚以及硼氢化钠等，此外，也用光照法还原金属粒子。最后，金属粒子团簇生长。还原剂和被还原的金属晶种在进一步还原过程中起到自动催化还原作用，被还原的金属粒子沿晶种生长，最后成膜覆盖在DNA周围[1]。

由于实验方法不同、实验条件不同、实验过程不同，得到的金属纳米线的结构、形状也不同。本文将分别对上述几种方法及其研究结果作一系统介绍。

2. 直接沉积法

所谓直接沉积法就是将金属粒子直接沉积在已经固定好的DNA模板上的方法。

2008年Ge Ban[2]等人直接将银颗粒滴在固定好的DNA上，发现DNA对银纳米颗粒的大小及溶胶浓度均有选择性，且DNA分子上颗粒排列不紧密，分析原因：首先，APS处理的云母表面本身带有微弱的正电，带正电的银颗粒受到表面斥力作用而远离DNA模板，同时，DNA并非逐点与云母吸附，未吸附的部分带有负电荷与银颗粒相互吸引，当引力大于斥力时银颗粒才能固定在DNA上。

3. 光诱导法

2009年Jingling Lu[3]等人利用紫外光照射Ag+-DNA得到Ag纳米线。其实验过程是：先将Ag+与DNA在室温下混合2小时，然后再将活化后的DNA固定在云母上，最后用紫外光照射。吸附在DNA上的Ag+在紫外光的照射下被还原，被还原的银粒子作为“晶种”吸附在DNA骨架上，于是就形成银纳米线，如图2所示。实验同时发现通过控制照射时间和DNA浓度就可以控制纳米线的结构和形状。当照射时间太短时，DNA上的被还原的银颗粒太少，以至于不能形成连续的纳米线，如果照射时间太长，DNA上被还原的颗粒太多，以至于形成的纳米线不规整，如图2a所示。DNA浓度对纳米线结构也有很大影响，溶液中的DNA过多，DNA上吸附的金属离子相对不足，不能形成连续的MDNA，经过光照形成的纳米线也不连续，相反，如果溶液中DNA相对较少，DNA上吸附的金属离子相对较多，光照时被还原的银颗粒沿DNA径向生长，形成的纳米线直径较大，且多有树杈，由图2b知。

4. 电化学还原法

电化学还原法是一种通过在溶液中加电势还原DNA分子表面吸附的金属离子从而制备金属纳米线的方法。

2007年Shiqiang Cui等人利用电化学方法还原吸附在DNA上的Ag+而得到不同结构的连续的银纳米线[4]。其实验过程是：首先将DNA固定在金电极上，然后将金电极浸在2mMol/L的硝酸银溶液中，活化DNA，待活化过程结束后给溶液加电势，电解还原吸附在DNA上的Ag+，形成直径50nm长6μm的银纳米线，如图3所示。实验同时发现影响纳米线结构和形状的几个因素：电解势、DNA浓度、硝酸银浓度、活化时间和电解时间。在没有DNA的情况下银颗粒堆积在电极表面而不能得到纳米线，活化时间越长，DNA上吸附的Ag+越多，还原后得到的纳米线越连续，否则DNA上吸附的Ag+越少，银颗粒间空隙越大，得到的纳米线越不连续。电解时间越长还原得到的银颗粒越多，DNA上沉积的颗粒越多，得到的纳米线直径越大，纳米线上“树枝”也越多。硝酸银浓度越大，活化过程中DNA上吸附的Ag+越多，还原后得到的纳米线直径也越大。

5. 化学还原法

化学还原法制备金属纳米线是通过还原剂将吸附在DNA上的金属离子还原成金属粒子，被还原的金属粒子沿DNA骨架吸附在DNA上形成金属纳米线。通常情况下，还原剂主要采用二甲基硼烷、对苯二酚以及硼氢化钠等。

2008年Qun Gu等利用化学还原法以DNA为模板在溶液得到直径约70nm的Co-Pd-DNA核壳纳米线[5]，如图4所示。其实验过程是：首先将Na2PdCl4与DNA混合一夜，活化DNA，得到Pd2+-DNA,然后向活化的DNA中添加还原剂DMAB和CoCl2，还原剂将Pd2＋还原成Pd颗粒，Pd粒子作为“晶种”在静电作用下沿DNA骨架吸附在DNA上，形成Pd-DNA纳米线。溶液中的还原剂对Co2+不起还原作用，Co2+只有在Pd粒子的催化还原作用下被还原成Co粒子，被还原的Co粒子只能在Pd粒子上沉积，于是得到Co-Pd-DNA纳米线。

6. 结语

长期以来，由于微电子技术的快速发展，常规的集成电路已经不能满足需要，DNA的独特的双螺旋结构和自组装特性为微纳米电子器件的制作提供了一个可供选择的空间。DNA本身的弱导电性决定了不能直接将DNA应用于微电路中，必须进行处理，本文介绍了几种金属DNA纳米线的制备方法，在其外包裹一层金属膜形成金属纳米线，可以大大提高DNA的导电能力。这将为DNA在纳米领域的应用提供一个广阔的空间。

[1] Richer J．Metallization of DNA．Physical E，2003，16(2)：157-173．

[2] Ge Ban，Ruixin Dong，Ke Li，et al．Preparation of DNA Silver Nanowire and Its Raman Spectra[J]．Spectroscopy and Spectral Analysis，2009，29(2)：402-405．

[3] Jingling Lu,Liangbao Yang,et al.DNA-templated photo-induced silver nanowires:Fabri cation and use in detection of relative humidity[J]．Biophysical Chemistry，2009，145：91- 97．

[4] Shiqiang Cui，Yuchun Liu，Zhousheng Yang，etal．Construction of silver nanowires on DNA template by an electrochemical technique[J]．Mater and Design，2007，28：722-725．

[5] Q.Gu，D.T，et al.Palladium nanoparticle-controlled growth of magnetic coba-lt nanowi res on DNA templates[J].Mater Lett,2008,01(131):1-4．

DNA-Templated Nanowire Fabrication

LIU Hao, WANG Wen-honng
School of Physics Science and Information Engineering, Liao cheng University, Liaocheng 252059, China

DNA molecules have many characteristics, such as good thermal stability, linear geometry structure and mechanical rigidity, which can be used as ideal templates for nanowire fabrication. Fabricate nanowires with DNA as templates can improve the DNA conductivity, which provides a possibility of constructing nano-devices by metalized DNA molecules and have broad application prospects in constructing bio-nano devices.

DNA； Metallic nanowires；Self-assembly

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.005.010

刘昊，1982年生，聊城大学物理科学与信息工程学院硕士研究生。