离子液体与硫堇在纳米结构材料表面的缔合行为及其与DNA的相互作用

【摘要】：功能性有机小分子,如生物染料硫董、用作绿色溶剂的离子液体、药物分子类黄酮等在胶束、金属纳米粒子等纳米结构材料表面的缔合将有效地改善纳米结构材料的表面性质,并可能导致材料结构与性能的变化,这种缔合行为在生物医药领域的研究中具有重要的应用价值。然而,基于功能性小分子在纳米结构材料表面的缔合特性去构建功能性复合材料,拓展其在生命科学中的应用,需要解决两个问题：一是功能性小分子在纳米结构材料表面的缔合机理；二是这种缔合特性在生命科学中的应用,如生物大分子DNA或蛋白质的提取与分离、药物分子在DNA、蛋白质等中的作用方式等。针对这些问题,本文进行了以下研究工作： 1、采用浊度法、动态光散射(DLS)、负染-低温透射电镜(cryo-TEM)、ζ电势测定、核磁共振氢谱(1HNMR).傅立叶变换红外光谱法(FT-IR).等温滴定微量热法(ITC)和密度泛函理论(DFT)计算等方法研究了离子液体1-烷基-3-甲基咪唑溴盐(CnmimBr,n=4,8,12)诱导的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)胶束向囊泡转变的行为。研究发现离子液体能诱导胶束自发地向囊泡转变,且需要一最低浓度,在此浓度后浊度显著增加。DLS实验清晰地表示了胶束向囊泡的转变过程,TEM图像证实了囊泡的存在。所形成的囊泡为多分散的多层结构,并对时间和温度非常稳定。随着离子液体CnmimBr链长的增加,胶束向囊泡转变的起始浓度CMVT由C4mimBr的15 mM降低到C12mimBr的1 mM,表明链长越长,诱导胶束结构转变的能力越强。在胶束向囊泡转变的过程中,只有部分离子液体分子缔合到SDBS聚集体上。新形成的囊泡带有负电荷,可以通过改变离子液体与SDBS的摩尔比来调节囊泡表面的电荷密度。ITC实验表明C4mimBr诱导胶束向囊泡转变为吸热过程,其焓变为△HMVT=3.1 kJ/mol。1HNMR和FT-IR结果表明Bmim+(即：C4mim+)的咪唑环及与其相连的甲基和亚甲基基团与SDBS苯环具有较强的静电引力,Bmim+和SDBS烷基链之间存在疏水作用。我们提出了胶束向囊泡转变的分子机理：低浓度BmimBr条件下,单个的BmimBr分子缔合到相反电荷的SDBS胶束分子的头基上形成C4mim+-DBS-离子对,咪唑环以-C4H和-C5H基团指向SDBS的苯环。静电作用和疏水作用促使SDBS胶束解离,形成C4mim+-DBS-离子对,并进而形成低曲率的聚集体。随着离子液体浓度增大,疏水作用进一步驱动胶束向囊泡转变。此外,采用密度泛函理论计算得到的Cnmim+-DBS-分子的几何堆积模型和生成热验证了上述转变机理。 2、通过紫外光谱、荧光光谱、透射电子显微镜、动态光散射、循环伏安法、红外光谱和量子化学计算系统地研究了染料分子硫堇在不同尺寸金纳米粒子表面的吸附行为。紫外光谱表明在硫堇体系中逐渐加入金纳米粒子使得硫堇的H型二聚体峰强度持续增加,而单体峰强度先增加后下降。金纳米粒子的加入使得硫堇单体与H型二聚体之间的平衡向二聚体方向移动。由于硫堇分子与金纳米粒子间的电子相互作用,金纳米粒子的加入对硫堇的荧光猝灭增强,并且这种猝灭是静态和动态共存的。TEM图像和动态光散射测定表明硫堇的加入导致了金纳米团簇的形成,进一步支持了上述光谱的结果。循环伏安法和红外光谱的研究表明硫堇通过-NH2上的氮原子强烈地缔合到金纳米粒子表面,并为基于密度泛函理论的量子化学结构计算结果所证实。硫堇在金纳米粒子表面的吸附行为还与粒子的尺寸有关。对于15-20 nm和3-6 nm粒子,每个金粒子表面分别吸附大约7.66×104和1.21×103个硫堇分子,并且小尺寸粒子的作用表现比较显著。硫堇分子不仅能通过它两端的-NH2基缔合在一个金纳米粒子表面形成致密的单层,还以一个硫堇分子的两个-NH2基分别与两个金纳米粒子缔合。这种独特的缔合行为为设计新型的染料—纳米粒子复合功能纳米材料提供了重要的途径。 3、以电导率法、荧光光谱法、动态光散射、低温透射电子显微镜、圆二色谱、31P核磁共振谱、傅里叶变换红外光谱、等温滴定微量热法以及量子力学计算研究了典型的离子液体(IL)1-甲基-3-丁基咪唑盐酸盐([bmim]Cl),一种新型的绿色溶剂,和DNA之间的缔合特性和分子机理。研究发现,DNA的存在导致[bmim]Cl的临界聚集浓度下降,表明[bmim]Cl与DNA之间发生了作用。随着[bmim]Cl的加入,嵌入DNA的荧光探针溴化乙锭会发生连续猝灭,表明离子液体和DNA之间的相互作用很强,足以将溴化乙锭从DNA中挤出。动态光散射结果表明[bmim]Cl在低浓度下,可诱使DNA从线圈形转变为球形,这可通过DNA-IL复合物的cryo-TEM得到验证。随着[bmim]Cl的加入,形成的球形DNA的结构和伸展的DNA线圈首先被压缩,但当离子液体浓度大于0.06 mol·L-1,这两种DNA结构尺寸随着[bmim]Cl的加入而增加。在缔合过程中,DNA保持B型构象,但其碱基堆积和螺旋结构在一定程度上发生变化。31P核磁共振和红外光谱表明,bmim+阳离子的头基与DNA的磷酸盐通过静电吸引,而bmim+的烷烃链部分和DNA的碱基通过强烈的疏水作用而相互缔合。ITC清楚地描述了[bmim]Cl在DNA表面的缔合过程,得出[bmim]Cl与DNA作用的焓变为-5.03-5.23 J-mol-1,并且表明尽管bmim+阳离子的头基与DNA的磷酸盐部分的静电作用非常重要,但是它非常微弱,而bmim+的烷烃链部分和DNA的疏水部分的疏水作用则是主要的推动力。基于量子力学计算,可以推断出IL在低浓度下,阳离子头基位于DNA磷酸基团表面的的几个A范围内,而疏水链将平躺在DNA表面。当离子液体的浓度高于0.06 mol·L-1时,[bmim]Cl的阳离子头基则位于靠近DNA的磷酸基团处,而烷烃链将站在DNA表面。 4、利用紫外光谱法和荧光光谱法研究了硫堇与DNA之间的相互作用模式。结果表明当DNA与硫堇之间的摩尔比浓度较低时,两者之间的作用方式以嵌插作用为主；当该摩尔比较高时,则以静电作用为主。紫外光谱法和荧光光谱法结果进一步表明,随着金纳米粒子的浓度增加,硫堇在DNA体系中的减色效应和荧光猝灭逐渐减弱,甚至在金纳米粒子达一定浓度后减色效应消失,表明硫堇在DNA上嵌插作用的程度降低,甚至嵌插作用被完全抑制。动态光散射和透射电镜结果表明金纳米粒子的加入导致硫堇-DNA体系形成更紧密的复合物,并使得硫堇从DNA中置换出来。在该作用过程中,金纳米粒子的出现使得硫堇缔合的DNA构象从B型逐渐向A型转变。因此,可以利用金纳米粒子调节硫堇与DNA的相互作用方式。