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DNA框架模板介导的高亮度金属团簇纳米聚集体

作者：X-MOL 2024-06-22

原子级精细金属纳米团簇的光致发光特性在化学传感和生物成像领域引起了广泛的关注。然而，单个纳米团簇有限的发光亮度限制了它们的实际应用。近日，上海交通大学樊春海院士、沈建磊副教授、陈静副研究员团队报道了一种基于DNA框架模板介导的高亮度金属团簇纳米聚集体。

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图1. 两亲性DNA框架的设计和工作原理

原子精确金属纳米团簇具有明确的结构-性能-功能关系、优越的光稳定性和生物相容性，因此在化学传感、生物成像和疾病诊断等领域具有广泛的应用潜力。配体工程是提高纳米团簇发光量子产率的公认策略，通过加强配体到金属的电荷转移过程或限制分子内运动来提高发射效率。但是受限于配体工程化的复杂设计性以及缺乏对团簇发光机制的详细理解，在水溶液中实现高亮度纳米团簇仍然是一个巨大的挑战。

上海交通大学团队通过利用金属纳米团簇的聚集诱导发光（aggregation-induced emission, AIE）效应，使用DNA折纸引导疏水性团簇在水溶液中的可控聚集，成功构建了尺寸均一的高化学发光效率的团簇纳米聚集体。作者以桶状DNA纳米结构为模板，通过在折纸内部修饰疏水性烷基链，构建两亲性DNA框架结构，介导疏水性团簇在折纸内部的聚集。通过该方法，作者合成了尺寸为10 nm的团簇纳米聚集体颗粒。该策略适用于多种不同的疏水性团簇结构，并且最多可提升团簇的荧光强度3011倍，提高量子产率87倍。

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图2. 两亲性DNA框架介导Au8-TPA团簇纳米聚集体的表征

作者首先探究了两亲性DNA框架是否能控制金属团簇的聚集，以具有聚集诱导发光效应的Au8-TPA团簇作为研究对象，并用TEM对模板法合成的团簇纳米聚集体进行了表征。电镜二维叠加结果显示，加入了金属团簇后折纸模板中心区域信号显著增强，表明疏水核成功介导了团簇聚集体的形成。尺寸统计显示，DNA框架介导金属团簇形成了尺寸高度均一的聚集体 (10.1 ± 1.2 nm)，该聚集体的直径与折纸模版中空腔的尺寸高度相符。光谱研究表明，Au8-TPA纳米聚集体的荧光强度较单分散的团簇提高了17倍，量子产率提高了12倍。

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图3. 两亲性DNA框架介导团簇纳米聚集体的通用性验证

随后，作者选择了三种不同结构的金属团簇，验证了该DNA模板方案的通用性。TEM结果表明，所有金属团簇均在DNA框架的作用下形成了尺寸为10 nm的均一聚集体。荧光光谱显示，通过该方法合成的三种纳米聚集体在荧光强度上相较游离的金属团簇分别提升96倍、801倍和3011倍，量子产率分别提升16倍、46倍和87倍。

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图4. Au8-TPA团簇纳米聚集体的单颗粒光谱

此外，单颗粒光谱表明，DNA框架模板的团簇纳米聚集体相较无模板的聚集体具有均一的光子数分布和更强的光稳定性。

总之，DNA模板策略引入了一种概念创新方法，以纳米级精度研究聚集体的光致发光特性，并有望拓展高亮度金属团簇纳米颗粒的生物应用。

这一成果近期发表在J. Am. Chem. Soc.上，文章的第一作者是上海交通大学的博士生郑浩然、周岩以及博士后闫冰洁。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

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DNA Framework-Guided Self-Limiting Aggregation for Highly Luminescent Metal Cluster Nanoaggregates

Haoran Zheng, Yan Zhou, Bingjie Yan, Gaoang Zhou, Xinyi Cheng, Sicheng Lin, Mulin Duan, Jiang Li, Lihua Wang, Chunhai Fan, Jing Chen*, and Jianlei Shen*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c02401

导师介绍

樊春海

https://www.x-mol.com/university/faculty/188467

沈建磊

https://www.x-mol.com/university/faculty/350886

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