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金纳米粒子飞秒激发产生的纳米级热梯度中 DNA 变性的机理理解
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2022-01-04 , DOI: 10.1021/acsami.1c19411
David A Hastman 1, 2 , Parth Chaturvedi 3 , Eunkeu Oh 4 , Joseph S Melinger 5 , Igor L Medintz 1 , Lela Vuković 3 , Sebastián A Díaz 1
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人们对开发能够通过局部温度调制精确控制生物分子的结构和功能的光热系统产生了浓厚的兴趣。一种具体应用是通过金纳米粒子 (AuNP) 的飞秒 (fs) 激光脉冲光学加热使双链 (ds) DNA 变性;然而,这些系统中 DNA 熔解的机制尚不完全清楚。在这里,我们使用具有表面束缚 dsDNA 的 55 nm AuNPs,使用 fs 激光脉冲局部加热以诱导 DNA 熔化。通过改变 dsDNA 与 AuNP 表面的距离和激光脉冲能量注量,该系统用于研究纳秒持续时间的温度增加和 AuNP 周围的陡峭温度梯度如何影响 dsDNA 去杂交。通过将 dsDNA 和 AuNP 表面之间的距离修改 3。2,去杂交率范围为每脉冲 0.002 至 0.05 个 DNA,并且仅在 100 秒的照射时间内,释放到溶液中的 DNA 总量控制在 26-93% 的范围内。通过将 dsDNA 位置移动小至 ∼1.1 nm,平均 dsDNA 去杂交率可改变高达 30 ± 2%,从而对 DNA 熔解和释放提供高水平的控制。通过将 dsDNA 周围的理论温度与实验得出的温度进行比较,我们发现当 dsDNA 更接近 AuNP 表面以及使用较低的激光脉冲能量密度时,最大或峰值温度对去杂化率的影响更大。此外,模拟金纳米粒子周围的光热热脉冲的分子动力学模拟提供了对去杂化的随机性质的机械洞察,并证明了与稳态加热相比,激光脉冲加热期间金纳米粒子表面附近的碱基对分离增加。了解生物材料如何对金纳米粒子的飞秒激光脉冲光学加热所固有的短寿命和非均匀温度升高作出反应,对于提高该技术的功能和精度至关重要,以便将其实施到更复杂的生物系统中。



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更新日期:2022-01-19
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