上圖裡不是藍莓、青梅、蔓越莓,而是能在溶液中快速運動並特異性檢測DNA分子的「結構色微馬達」,右下角比例尺為160微米。這些微馬達由東南大學趙遠錦教授團隊設計合成,具體如何合成,它們又如何運動、如何識別DNA,且聽分解:
Step1合成「口型紅細胞」形貌的二氧化矽膠體晶體簇
在含有二氧化矽膠體納米粒子液滴的溶劑中,研究者通過快速溶劑萃取法,誘導膠體粒子進行自組裝。這一過程中,萃取界面的移動速度比膠體粒子在液滴中的擴散速度快得多,於是液滴的頂部向內摺疊,形成具有口型紅細胞(stomatocyte,一種異常形態的紅細胞)形態的膠體晶體簇。
二氧化矽膠體晶體簇的整體形態(左,比例尺50微米)和表面微觀結構(右,比例尺600納米)
而在更微觀層面上,膠體納米粒子排列為六方密堆結構。這種晶體結構具有光子禁帶,展現出顯著的結構色。使用不同尺寸的二氧化矽膠體粒子,則可以合成出擁有不同顏色的晶體簇。
不同顏色的二氧化矽膠體晶體簇,比例尺250微米
Step2 合成「心裡有鉑」的水凝膠微馬達
將上述二氧化矽膠體晶體簇置於含有鉑微米粒子的水凝膠前驅體液體中,水凝膠前驅體進入晶體簇內部,而體積較大鉑粒子則停留在晶體簇的空腔中。洗脫原有二氧化矽膠體粒子,並誘導水凝膠前驅體形成水凝膠後,就得到了完美複製原有晶體簇結構、且空腔中含有鉑粒子的水凝膠微馬達。由於水凝膠微馬達複製了晶體簇的微觀結構,所以同樣顯示出結構色特徵。
水凝膠微馬達合成過程(上)及其結構色(下,比例尺160微米)
微馬達如何動起來?
鉑粒子可以催化H2O2分解,所以在置於H2O2溶液中時,鉑催化H2O2分解產生氣泡,氣泡便推動微馬達進行無規運動。如果在微馬達中加入磁性物質,還可以用外加磁場控制微馬達的運動方向。
微馬達在有(b)無(a)外加磁場條件下的運動,可見氣泡
1 吐著泡泡前進的結構色微馬達
2 無磁場條件下的微馬達運動
3 磁場引導下微馬達定向運動
如何檢測DNA?
在微馬達上連接DNA探針,就可以特異性識別相應的DNA分子。由於微馬達擁有三種不同顏色,就可以在不同顏色微馬達上連接對應不同DNA分子的探針,從而在同一體系中檢測多種DNA分子,實現多元分析。
而且,由於微馬達可以自發運動,它能夠與DNA分子相遇的機會更大。在本研究中,微馬達能夠將檢測下限降低至10-13mol/L,比無自主運動功能的微球低了3個數量級。
用三色微馬達檢測三種DNA分子,上圖為光鏡,下圖為顯示DNA分子的螢光顯微鏡圖像,比例尺350微米。
以上研究結果表明,基於該新型結構色微馬達可以開發出簡單、靈敏、高效的檢測方法,在生物檢測領域具有無限的應用潛能。