沈建磊副教授和樊春海院士课题组通过单链DNA实现疏水性金纳米团簇的温和转相与生物功能化

原子精确的金纳米团簇（Au NC）因其独特的光物理性质而成为一类新型功能材料。它的独特性质主要来自于其超小的尺寸，通常有几个到几百个金原子大小，这导致了离散的电子能级，使得其在光学和电子学领域有着广泛的应用。目前，金纳米团簇在近红外II区脑血管成像、X射线成像、生物治疗和癌症相关生物标志物检测方面已显示出重要应用潜力。然而，由于制备的金纳米团簇常被疏水配体保护，阻碍了其在生理环境中的应用。为了克服这一限制，相转移剂如γ-CD-MOF、癸酸四甲基铵和阴离子等被广泛应用于疏水金纳米团簇转相。然而，所得到的金纳米团簇均质性差，并多以聚集体状态存在，这使得它们随后的生物功能化很难控制。因此，开发一种针对疏水金纳米团簇的通用方法实现温和相转移和生物功能化非常重要。

DNA是一种高度精确的可编程聚合物材料，由带电的磷酸盐骨架和四种碱基组成。DNA被报道与多种无机纳米材料表现出高亲和力，包括单壁碳纳米管、量子点、上转换纳米颗粒、层状金属二硫化合物（MoS₂和WS₂）、氧化石墨烯、一些金属氧化物（Fe₃O₄和ZnO）和金属纳米颗粒（Ag NPs）。然而，DNA分子是否能介导疏水性金纳米团簇的转相仍有待探索。

上海交通大学沈建磊副教授和樊春海院士课题组开发了一种基于单链DNA的普适性疏水性团簇转相方法，转相后的团簇保持了其物理完整性，转相效率在90%左右。为了在分子水平上揭示DNA与团簇的作用机制，作者采用理论模拟的方法来研究DNA和Au NCs之间的相互作用。从经典分子动力学模拟的典型构象可以看出， DNA链与Au NCs上疏水配体层通过多价静电疏水相互作用，使得单链DNA通过在糖-磷酸盐主链键的灵活扭转找到低能构象，实现DNA与Au NC接触界面最大化，最终导致单链DNA缠绕在Au NC表面（图1a）。

除此之外，作者还通过密度泛函理论计算了Au NC和不同长度DNA的吸附能，研究了DNA长度对DNA/Au NC吸附的影响。所有DNA序列均显示出较大的吸附能，表明DNA与Au NC之间存在较强的亲和力。当单链DNA长度小于20 nt时，吸附能随DNA长度线性增加。同时，DNA碱基与配体之间的弱疏水作用，进一步增强了表面亲和力（图1b）。这些结果表明DNA与疏水配体之间的多价静电和疏水相互作用导致了单链DNA的高转移效率。

此外，作者利用单链DNA成功地将3种具有不同核尺寸和配体化学性质的Au  NCs转移到水溶液中，验证了该转相方法的通用性。在性质应用方面，形成的DNA保护层不仅可以提高金纳米团簇的荧光量子产率和光稳定性。同时，单链DNA在界面上任然保留着生物识别功能，从而赋予了疏水性金团簇生物识别能力。基于这些显著的优势，作者认为所提出的相转移和表面功能化方法将推动疏水金纳米团簇在生物领域的应用。

图1 (a) Au NC上DNA结合的分子动力学模拟结果图；(b) 不同长度的单链 DNA序列的吸附能统计图。

该成果以“Phase transferring luminescent gold nanoclusters via single stranded DNA”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi: 10.1007/s11426-022-1238-2）。

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通讯作者简介

沈建磊，上海交通大学化学化工学院副教授（长聘教轨）、硕士生导师。2010年于合肥工业大学获学士学位，2016年于中国科学院大学获博士学位，2016~2018年在华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室从事博士后研究工作（合作导师：唐本忠院士）。研究方向为：功能DNA纳米结构及单分子光学探针。

樊春海，中国科学院院士，上海交通大学王宽诚讲席教授，化学化工学院教授，现任转化医学研究院执行院长、国家转化医学科学中心唐仲英首席科学家。兼任美国化学会ACS Applied Materials& Interfaces副主编，Science China Chemistry、 Angewandte Chemie、Accounts of Chemical Research、ACS Nano等国际知名杂志编委，ChemPlusChem编委会共同主席。入选美国科学促进会(AAAS)、国际电化学学会(ISE)、美国医学和生物工程院(AIMBE)和英国皇家化学会(RSC)会士。