High-quality single crystal growth of DNA-functionalized nanoparticles

DNA 功能化纳米粒子的高质量单晶生长

• 批准号: 19H02555
• 负责人: 田川 美穂
• 金额: $ 10.82万
• 依托单位: Nagoya University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19H02555/
• 关键词: DNA; ナノ粒子; コロイド結晶成長; X線小角散乱; 自己組織化; 自己集合; Self-assembly; 結晶成長; 機能性ナノ材料

本研究は、DNA修飾ナノ粒子（DNA-NP）の結晶化を結晶成長学的に追求し、DNAの選択的結合性と自己集合の性質を利用したコロイド結晶化における高品質単結晶成長法を確立することを目的としている。具体的には、核生成頻度や過飽和度制御により、理想的な結晶成長条件を探っている。本年度の成果は下記の通りである：［１］ナノ粒子の粒径やDNAの鎖長を変化させることにより、様々な粒子体積率のDNA-NP結晶を作製し、それらの結晶性をX線小角散乱（SAXS）により解析した。結晶性の指標としては、結晶の歪を表す歪因子（gファクター）というパラメータで評価した。（gファクターの値が小さいほど、結晶性が良いことを表している。）水和状態及び脱水収縮後のDNA-NP結晶に対し、粒子体積率に対するgファクターの変化を明らかにしたことで、乾燥収縮時に結晶対称性が維持される条件を見出すことができた。また、水和状態から乾燥状態へ変化する時に、gファクターが殆ど変化しないDNA-NP結晶の粒子体積率条件があることを発見した。本成果により、これまで水和状態でしか結晶構造を保持できないと考えられていたDNA-NP結晶を、乾燥状態でも結晶性が保持できる条件があることがわかったため、応用が広がると期待できる。更に、10nm以下のナノ粒子を用いた系において、乾燥収縮によりナノ粒子間を4nm以下まで収縮させることに成功したため、ナノ粒子超格子の量子的な性質を利用した応用も拓ける。［２］結晶化の際の溶媒の組成を工夫することにより、結晶の沈降を抑制し、従来法に比べ大きな結晶を作製することに成功した。また、沈降を抑制することで、結晶サイズの向上だけでなく、結晶性も向上することを発見した。

这项研究旨在以晶体生长的方式追求DNA修饰的纳米颗粒（DNA-NP）的结晶，并建立了一种高质量的单晶生长法来利用DNA的选择性结合和自组装特性。具体而言，通过控制成核频率和过饱和度来探索理想的晶体生长条件。今年的结果如下：[1]通过改变纳米颗粒的粒径和DNA的链长，制备具有各种颗粒体积分数的DNA-NP晶体，并通过X射线小角度散射（SAXS）分析其结晶度。作为结晶度的指数，代表晶体应变的参数“应变因子（G因子）”。 （g因子值越小，结晶度越好。）通过澄清水合和脱水收缩后DNA-NP晶体的颗粒体积分数的变化，我们能够找到一个条件，在干燥和收缩过程中保持晶体对称性。还发现，当状态从水合状态变为干燥状态时，DNA-NP晶体的粒子体积分数条件几乎不会改变。这一发现发现，在某些情况下，DNA-NP晶体以前被认为只能在水合状态下保留其晶体结构，即使在干燥状态下也可以保持，并且可以预期它可以扩大其应用。此外，在使用10 nm或以下的纳米颗粒的系统中，我们通过干燥收缩成功地将纳米颗粒与4 nm或更少的纳米颗粒收缩，并可以使用纳米颗粒超级晶格的量子性能的应用。 [2]通过在结晶过程中设计溶剂的组成，抑制了晶体的沉积，并且成功产生了比常规方法更大的晶体。还发现，抑制沉积不仅可以改善晶体尺寸，还可以改善结晶度。

项目成果

Optimization of crystallization conditions for the enlargement of the size ofDNA-functionalized nanoparticles crystals

DNA功能化纳米颗粒晶体尺寸放大的结晶条件优化

• 发表时间: 2021
• 作者: Lidong Zhang;Xinyi Zhou;Hayato Sumi;Noboru Ohta;Hiroshi Sekiguchi;Shunta Harada;Toru Ujihara;Miho Tagawa
• 通讯作者: Miho Tagawa

Two-step nanoparticle crystallization via DNA-guided self-assembly and non-equilibrium dehydration process

通过 DNA 引导的自组装和非平衡脱水过程进行两步纳米颗粒结晶

• DOI: 10.1021/acs.cgd.1c00398
• 发表时间: 2021
• 期刊: Crystal Growth & Design
• 影响因子: 3.8
• 作者: Hayato Sumi;Noboru Ohta;Hiroshi Sekiguchi;Shunta Harada;Toru Ujihara;Katsuo Tsukamoto;Miho Tagawa
• 通讯作者: Miho Tagawa

DNA修飾ナノ粒子超格子の結晶サイズ向上のための成長条件最適化

优化生长条件以提高 DNA 修饰纳米粒子超晶格的晶体尺寸

• 发表时间: 2021
• 作者: 張 力東;横森 真麻;周 幸儀;鷲見 隼人;太田 昇;関口 博史;原田 俊太;宇治原 徹;田川 美穂
• 通讯作者: 田川 美穂

Structural stability analysis of DNA-guided nanoparticle superlattice by direct dehydration

DNA引导纳米粒子超晶格直接脱水结构稳定性分析

• 发表时间: 2019
• 作者: Hayato Sumi;Noboru Ohta;Hiroshi Sekiguchi;Shunta Harada;Toru Ujihara;Miho Tagawa
• 通讯作者: Miho Tagawa

Effect of polyethylene glycol induced depletionattraction on DNA-functionalized nanoparticle crystalization

聚乙二醇诱导的耗尽吸引对 DNA 功能化纳米粒子结晶的影响

• 发表时间: 2019
• 作者: Shoko Kojima;Hayato Sumi;Noboru Ohta;Hiroshi Sekiguchi;Shunta Harada;Toru Ujihara,Miho Tagawa
• 通讯作者: Toru Ujihara,Miho Tagawa