电化学生物传感器

指导老师：顾婷婷制作人：李霞电化学生物传感器基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器DNA电化学传感器原理及结构DNA生物传感器基本的原理是DNA碱基的互补配对，通过电极表面固定的已知捕获DNA序列与检测样本中DNA的互补配对作用形成可传递电子的双链DNA，从电极上电信号的变化来对样本中的DNA进行定性检测，当加入样本中的DNA序列与捕获探针上的序列存在非配对现象，则电子传递链断开，产生的电信号就很微弱，因此通过电信号变化就可以检测出样本中是否存在突变。DNA电化学传感器一般是由敏感元件即生物敏感膜、转换元件即转换器、信号输出三个部分组成。其中敏感元件和转换元件是生物传感器最主要的两个部分。DNA电化学传感器特点成本低设计简单设备小巧能耗低灵敏度高灵敏度更高纳米材料特点比表面积大表面反应活性高活性位点丰富催化效率高吸附能力强易于微型化特异性更强单壁碳纳米管(SWNTs)作为一种新型的碳纳米材料，其高的长径比、大的比表面积有利于负载大量的探针分子，且其超高的导电性能，能在电化学传感检测中起到催化作用，从而提高分析灵敏度。但由于

SWNTs本身是非水溶性碳材料，且缺乏功能基团，其应用受到了限制。以有机小分子通过共价或非共价模式对

SWNTs进行修饰，是提高其溶解性和功能性的重要途径。单壁碳纳米管(SWNTs)基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器十二醛(DA)月桂醛LauraldehydeCH3(CH2)10CHO学名十二醛。无色液体。冷时凝成白色蜡烛固体。有不愉快的气味，在高度稀释时有像紫罗兰的香气。密度0.828~0.836.熔点44℃。沸点227~235℃。折射率1.433~1.440。溶于乙醇，不溶于水。暴露空气中聚合成二聚体，有微量无机酸存在时更快。氧化时生成月桂酸。用于配置多种花香型香精。由月桂醇经氧化，或十二（烷）酸和甲酸的钡盐经蒸馏，或十二（烷）酸和甲酸的蒸汽通过催化剂而制的。

DA分子的长脂肪链通过疏水性作用缠绕在

SWNTs外围，减弱了碳管外壁之间的

π－π堆积和范德华力，从而起到稳定剂的作用。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器六氰合铁络合离子[Fe(CN)6]3-/4-[Fe(CN)6]3-六氰合铁络合离子，Fe是+3价

[Fe(CN)6]4-六氰合亚铁络合离子，Fe是+2价由于DNA杂交产生的电流信号比较微弱，因而需要加入一些具有电活性的物质来提高仪器的敏感性。指示剂是一类可以与ssDNA或者dsDNA以不同方式相互作用的电活性物质，其电活性可以使检测物质的电信号增大，提高检测灵敏度。六氰合铁络合离子[Fe(CN)6]3-/4-

可作电活性探针。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器亚甲基蓝(MB)亚甲蓝（Methyleneblue），又称亚甲基蓝、次甲基蓝、次甲蓝、美蓝、品蓝、甲烯蓝、瑞士蓝（Swissblue），国际非专利药品名称(INN)为methylthioniniumchloride。是一种芳香杂环化合物。MB是一种水溶性多核芳烃染料(典型的服用吩噻嗪染料),它在不同电极表面上电催化活性都很高。常被用作化学指示剂、染料、生物染色剂和药物使用。MB作为蛋白质的稳定剂应用于电化学作为杂交指示剂。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器将单壁碳纳米管(SWNTs)和十二醛(DA)混合超声分散，得到均匀、稳定的无机－有机纳米复合材料(SWNTs－DA)。将其滴涂在玻碳电极表面晾干得到复合材料修饰电极(SWNTs－DA/GCE)，再通过胺醛缩合反应将末端修饰氨基的单链DNA探针共价固定在SWNTs－DA/GCE表面，构建了一种新型的DNA电化学传感器。以六氰合铁络合离子[Fe(CN)6]3-/4-为电活性探针，采用循环伏安法和电化学阻抗法对传感器的层层组装过程进行表征。以亚甲基蓝(MB)作为杂交指示剂，考察了传感器分析性能

SWNTs－DA复合物的制备(A)及

DNA电化学传感器的检测示意图(B)如下：实验原理基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器实验部分三电极系统：玻碳电极或各修饰电极为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极。实验步骤：1、SWNTs-DA复合材料的制备2、修饰电极的制备3、DNA探针的固定及杂交4、MB的富集及检测基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器1、SWNTs-DA复合材料的制备取

0.5mgSWNTs加入至1mL无水乙醇中超声分散得到

0.5g/LSWNTs分散液;另取100μL(4.6mol/L)十二醛(DA)与

100μL无水乙醇混合得

2.3mol/LDA溶液。取

50μL0.5g/LSWNTs分散液与50μL2.3mol/LDA溶液混合，摇匀后，超声分散

3h，得到黑色均匀的

SWNTs－

DA复合材料分散液，备用。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器2、修饰电极的制备将玻碳电极依次用粒径为1.0、0.3和

0.05μm的

α-Al2O3抛光粉打磨成镜面，每次抛光后先用DDW（二次蒸馏水）洗去表面污物，再依次用HNO3溶液、乙醇溶液、DDW超声清洗，得到活化干净的裸

GCE。在预处理好的裸GCE上滴加

10μLSWNTs－DA分散液，自然晾干，用水淋洗表面未固定的复合材料，自然晾干后即制得修饰玻碳电极(SWNTs－DA/GCE)。采用相似方法制备了

SWNTs和

DA单成分修饰电极，分别记为

SWNTs/GCE和

DA/GCE。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器3、DNA探针的固定及杂交将修饰好的SWNTs－DA/GCE电极浸泡在100μL1.0×10-7mol/L探针

DNA(S1)中

12h，使修饰电极表面的醛基和

S1末端的氨基发生胺醛缩合反应，随后将该电极浸入1.0×10-7mol/L的

NaBH4中1h，除去未固定的S1，得到S1/SWNTs－DA/GCE探针

DNA修饰电极。将

S1/SWNTs－DA/GCE浸入不同浓度的互补链

DNA(S2)杂交液中于42℃下反应40min，取出后用

TE洗去未杂交的S2，得到杂交电极(S2－S1/SWNTs－DA/GCE)。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器4、MB的富集及检测将

S1/SWNTs－DA/GCE放5.0×10-5mol/LMB溶液中，富集

45min，取出用

pH6.86的

PBS（磷酸盐缓冲溶液）空白溶液淋洗，再将电极置于空白

PBS缓冲溶液中进行循环伏安(CV)和电化学阻抗法(DPV)测定。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器结果与讨论SWNTs－DA的分散性及形貌表征不同修饰电极的电化学表征探针

DNA的固定及表征传感分析：（1）MB的电化学行为（2）富集时间的影响（3）不同序列

DNA的电化学检测（4）目标序列的定量检测基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器SWNTs－DA的分散性及形貌表征结果表明DA能作为一种很好的分散剂用于SWNTs的分散，且能保持很好的稳定性。这是由于DA分子的长脂肪链通过疏水性作用缠绕在SWNTs外围，减弱了碳管外壁之间的π－π堆积和范德华力，从而起到稳定剂的作用。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器不同修饰电极的电化学表征全抑制了[Fe(CN)6]3-/4-在电极表面的电子传递过程。相反地，在SWNTs－DA复合材料修饰电极上，背景信号较DA/GCE有了很大提高(曲线d)，同时氧化还原电流明显增大，说明由于SWNTs的高导电性，使得复合物修饰电极的表面电子传导能力显著增强。采用循环伏安法(CV)对电极的修饰过程进行表征a.GCE；b.SWNTs/GCE；c.DA/GCE；d.SWNTs－DA/GCE基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器[Fe(CN)6]3-/4-在SWNTs/GCE上的氧化还原峰电流值明显增大，产生这种现象的原因是由于SWNTs的电化学催化活性高，有效地提高了[Fe(CN)6]3-/4-在电极表面的电子传导速率。而当裸

GCE电极表面修饰上DA后(曲线c)，未观察到[Fe(CN)6]3-/4-在DA/GCE电极上产生任何氧化还原信号，表明由于DA的非导电性完探针

DNA的固定及表征[Fe(CN)6]3-/4-在

SWNTs－DA/GCE(a)和S1/SWNTs－DA/GCE(b)上的循环伏安图基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器Fe(CN)6]3-/4-在S1/SWNTs－DA/GCE的电化学响应增强，当电极表面的-CHO与DNA探针末端的-NH2发生胺醛缩合，并被还原成-CH2-NH-单键基团后，电极表面空隙增大，有利于Fe(CN)6]3-/4-通过空隙与电极表面接触，从而导致电化学信号增强。该结果也说明，通过复合物上DA末端醛基与DNA末端的修饰氨基之间的胺醛缩合反应已成功将探针DNA固定在电极表面。传感分析MB的电化学行为不同扫速下

5.0×10-5mol/LMB溶液在S1/SWNTs－DA/GCE上的循环伏安图由图可知，MB在探针

DNA修饰电极上具有

1对明显的氧化还原信号，表明

MB在传感器表面具有良好的电化学响应。随着扫速增大，氧化还原峰电流值逐渐增大。这是因为扫速越大，达到相同电位所需的时间越短，扩散层越薄，扩散流量越大，所获得的电流也越大。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器随着富集时间的增加，氧化峰电流值逐渐增大，但在富集一定时间后，氧化峰电流基本稳定，说明

MB在

S1/SWNTs－DA/GCE上已经富集饱和。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器传感分析富集时间的影响不同富集时间下

5.0×10-5mol/LMB溶液在S1/SWNTs－DA/GCE上的

DPV图b所得的电化学信号与探针DNA修饰电极(a)几乎一致，表明无杂交反应发生。而当传感器与三碱基错配序列(c)和完全互补序列(d)杂交后，随着目标DNA与探针DNA发生杂交程度的增大，DNA双链骨架逐渐形成，其嵌插

MB的作用越大，峰电流值也依次增大。表明制备的

DNA电化学探针能有效识别完全互补和非互补

DNA序列，显示了很好的选择性。S1/SWNTs－DA/GCE与互补序列S2(b)、非互补序列S3(c)和三碱基错配序列S4(d)杂交的差示脉冲伏安图传感分析不同序列

DNA的电化学检测基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器随着S2浓度的升高，氧化峰电流值逐渐增大，说明MB在电极表面的吸附量越来越大。这是因为随着S2杂交浓度的提高，电极表面形成的双螺旋DNA量增大，通过嵌插作用和静电作用结合了更多MB分子。氧化峰电流Ip与浓度对数lgcS2作图，表明该传感器能在宽浓度范围内对互补序列进行定量分析，且具有较高的灵敏度。基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器传感分析目标序列的定量检测为MB在不同浓度互补序列(S2)杂交电极上的差示脉冲伏安图氧化峰电流Ip与浓度对数

lgcS2作图（插图）通过超声分散制备了一种新型的SWNTs－DA复合材料，DA的存在能够显著提高SWNTs的分散性和稳定性。将SWNTs－DA修饰于玻碳电极表面，并利用DA末端醛基与DNA末端修饰氨基之间的缩合反应制备了一种新型的DNA电化学传感器。该固定方法直接、高效、条件温和且不需要其它活化剂对功能基团进行预活化，为电化学传感器的制备提供了新思路。以亚甲基蓝(MB)为杂交指示剂，采用差示脉冲伏安法(DPV)考察了传感器的杂交性能。实验结果表明传感器能在1.0×10-15～1.0×10-10mol/L浓度范围内对目标序列进行检测，检出限为2.0×10-16mol/L。此外，选择性实验表明该传感器可有效地用于区分三碱基错配、互补与非互补序列。结论基于单壁碳纳米管--十二醛复合材料的DNA电化学传感器参考文献［1］

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