指導老師：顧婷婷制作人：李霞電化學生物傳感器基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器DNA電化學傳感器原理及結構DNA生物傳感器基本的原理是DNA堿基的互補配對，通過電極表面固定的已知捕獲DNA序列與檢測樣本中DNA的互補配對作用形成可傳遞電子的雙鏈DNA，從電極上電信號的變化來對樣本中的DNA進行定性檢測，當加入樣本中的DNA序列與捕獲探針上的序列存在非配對現象，則電子傳遞鏈斷開，產生的電信號就很微弱，因此通過電信號變化就可以檢測出樣本中是否存在突變。DNA電化學傳感器一般是由敏感元件即生物敏感膜、轉換元件即轉換器、信號輸出三個部分組成。其中敏感元件和轉換元件是生物傳感器最主要的兩個部分。DNA電化學傳感器特點成本低設計簡單設備小巧能耗低靈敏度高靈敏度更高納米材料特點比表面積大表面反應活性高活性位點豐富催化效率高吸附能力強易于微型化特異性更強單壁碳納米管(SWNTs)作為一種新型的碳納米材料，其高的長徑比、大的比表面積有利于負載大量的探針分子，且其超高的導電性能，能在電化學傳感檢測中起到催化作用，從而提高分析靈敏度。但由于

SWNTs本身是非水溶性碳材料，且缺乏功能基團，其應用受到了限制。以有機小分子通過共價或非共價模式對

SWNTs進行修飾，是提高其溶解性和功能性的重要途徑。單壁碳納米管(SWNTs)基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器十二醛(DA)月桂醛LauraldehydeCH3(CH2)10CHO學名十二醛。無色液體。冷時凝成白色蠟燭固體。有不愉快的氣味，在高度稀釋時有像紫羅蘭的香氣。密度0.828~0.836.熔點44℃。沸點227~235℃。折射率1.433~1.440。溶于乙醇，不溶于水。暴露空氣中聚合成二聚體，有微量無機酸存在時更快。氧化時生成月桂酸。用于配置多種花香型香精。由月桂醇經氧化，或十二（烷）酸和甲酸的鋇鹽經蒸餾，或十二（烷）酸和甲酸的蒸汽通過催化劑而制的。

DA分子的長脂肪鏈通過疏水性作用纏繞在

SWNTs外圍，減弱了碳管外壁之間的

π－π堆積和范德華力，從而起到穩定劑的作用。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器六氰合鐵絡合離子[Fe(CN)6]3-/4-[Fe(CN)6]3-六氰合鐵絡合離子，Fe是+3價

[Fe(CN)6]4-六氰合亞鐵絡合離子，Fe是+2價由于DNA雜交產生的電流信號比較微弱，因而需要加入一些具有電活性的物質來提高儀器的敏感性。指示劑是一類可以與ssDNA或者dsDNA以不同方式相互作用的電活性物質，其電活性可以使檢測物質的電信號增大，提高檢測靈敏度。六氰合鐵絡合離子[Fe(CN)6]3-/4-

可作電活性探針。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器亞甲基藍(MB)亞甲藍（Methyleneblue），又稱亞甲基藍、次甲基藍、次甲藍、美藍、品藍、甲烯藍、瑞士藍（Swissblue），國際非專利藥品名稱(INN)為methylthioniniumchloride。是一種芳香雜環化合物。MB是一種水溶性多核芳烴染料(典型的服用吩噻嗪染料),它在不同電極表面上電催化活性都很高。常被用作化學指示劑、染料、生物染色劑和藥物使用。MB作為蛋白質的穩定劑應用于電化學作為雜交指示劑。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器將單壁碳納米管(SWNTs)和十二醛(DA)混合超聲分散，得到均勻、穩定的無機－有機納米復合材料(SWNTs－DA)。將其滴涂在玻碳電極表面晾干得到復合材料修飾電極(SWNTs－DA/GCE)，再通過胺醛縮合反應將末端修飾氨基的單鏈DNA探針共價固定在SWNTs－DA/GCE表面，構建了一種新型的DNA電化學傳感器。以六氰合鐵絡合離子[Fe(CN)6]3-/4-為電活性探針，采用循環伏安法和電化學阻抗法對傳感器的層層組裝過程進行表征。以亞甲基藍(MB)作為雜交指示劑，考察了傳感器分析性能

SWNTs－DA復合物的制備(A)及

DNA電化學傳感器的檢測示意圖(B)如下：實驗原理基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器實驗部分三電極系統：玻碳電極或各修飾電極為工作電極，Ag/AgCl電極為參比電極，鉑絲電極為輔助電極。實驗步驟：1、SWNTs-DA復合材料的制備2、修飾電極的制備3、DNA探針的固定及雜交4、MB的富集及檢測基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器1、SWNTs-DA復合材料的制備取

0.5mgSWNTs加入至1mL無水乙醇中超聲分散得到

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

100μL無水乙醇混合得

2.3mol/LDA溶液。取

50μL0.5g/LSWNTs分散液與50μL2.3mol/LDA溶液混合，搖勻后，超聲分散

3h，得到黑色均勻的

SWNTs－

DA復合材料分散液，備用。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器2、修飾電極的制備將玻碳電極依次用粒徑為1.0、0.3和

0.05μm的

α-Al2O3拋光粉打磨成鏡面，每次拋光后先用DDW（二次蒸餾水）洗去表面污物，再依次用HNO3溶液、乙醇溶液、DDW超聲清洗，得到活化干凈的裸

GCE。在預處理好的裸GCE上滴加

10μLSWNTs－DA分散液，自然晾干，用水淋洗表面未固定的復合材料，自然晾干后即制得修飾玻碳電極(SWNTs－DA/GCE)。采用相似方法制備了

SWNTs和

DA單成分修飾電極，分別記為

SWNTs/GCE和

DA/GCE。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器3、DNA探針的固定及雜交將修飾好的SWNTs－DA/GCE電極浸泡在100μL1.0×10-7mol/L探針

DNA(S1)中

12h，使修飾電極表面的醛基和

S1末端的氨基發生胺醛縮合反應，隨后將該電極浸入1.0×10-7mol/L的

NaBH4中1h，除去未固定的S1，得到S1/SWNTs－DA/GCE探針

DNA修飾電極。將

S1/SWNTs－DA/GCE浸入不同濃度的互補鏈

DNA(S2)雜交液中于42℃下反應40min，取出后用

TE洗去未雜交的S2，得到雜交電極(S2－S1/SWNTs－DA/GCE)。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器4、MB的富集及檢測將

S1/SWNTs－DA/GCE放5.0×10-5mol/LMB溶液中，富集

45min，取出用

pH6.86的

PBS（磷酸鹽緩沖溶液）空白溶液淋洗，再將電極置于空白

PBS緩沖溶液中進行循環伏安(CV)和電化學阻抗法(DPV)測定。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器結果與討論SWNTs－DA的分散性及形貌表征不同修飾電極的電化學表征探針

DNA的固定及表征傳感分析：（1）MB的電化學行為（2）富集時間的影響（3）不同序列

DNA的電化學檢測（4）目標序列的定量檢測基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器SWNTs－DA的分散性及形貌表征結果表明DA能作為一種很好的分散劑用于SWNTs的分散，且能保持很好的穩定性。這是由于DA分子的長脂肪鏈通過疏水性作用纏繞在SWNTs外圍，減弱了碳管外壁之間的π－π堆積和范德華力，從而起到穩定劑的作用。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器不同修飾電極的電化學表征全抑制了[Fe(CN)6]3-/4-在電極表面的電子傳遞過程。相反地，在SWNTs－DA復合材料修飾電極上，背景信號較DA/GCE有了很大提高(曲線d)，同時氧化還原電流明顯增大，說明由于SWNTs的高導電性，使得復合物修飾電極的表面電子傳導能力顯著增強。采用循環伏安法(CV)對電極的修飾過程進行表征a.GCE；b.SWNTs/GCE；c.DA/GCE；d.SWNTs－DA/GCE基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器[Fe(CN)6]3-/4-在SWNTs/GCE上的氧化還原峰電流值明顯增大，產生這種現象的原因是由于SWNTs的電化學催化活性高，有效地提高了[Fe(CN)6]3-/4-在電極表面的電子傳導速率。而當裸

GCE電極表面修飾上DA后(曲線c)，未觀察到[Fe(CN)6]3-/4-在DA/GCE電極上產生任何氧化還原信號，表明由于DA的非導電性完探針

DNA的固定及表征[Fe(CN)6]3-/4-在

SWNTs－DA/GCE(a)和S1/SWNTs－DA/GCE(b)上的循環伏安圖基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器Fe(CN)6]3-/4-在S1/SWNTs－DA/GCE的電化學響應增強，當電極表面的-CHO與DNA探針末端的-NH2發生胺醛縮合，并被還原成-CH2-NH-單鍵基團后，電極表面空隙增大，有利于Fe(CN)6]3-/4-通過空隙與電極表面接觸，從而導致電化學信號增強。該結果也說明，通過復合物上DA末端醛基與DNA末端的修飾氨基之間的胺醛縮合反應已成功將探針DNA固定在電極表面。傳感分析MB的電化學行為不同掃速下

5.0×10-5mol/LMB溶液在S1/SWNTs－DA/GCE上的循環伏安圖由圖可知，MB在探針

DNA修飾電極上具有

1對明顯的氧化還原信號，表明

MB在傳感器表面具有良好的電化學響應。隨著掃速增大，氧化還原峰電流值逐漸增大。這是因為掃速越大，達到相同電位所需的時間越短，擴散層越薄，擴散流量越大，所獲得的電流也越大。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器隨著富集時間的增加，氧化峰電流值逐漸增大，但在富集一定時間后，氧化峰電流基本穩定，說明

MB在

S1/SWNTs－DA/GCE上已經富集飽和。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器傳感分析富集時間的影響不同富集時間下

5.0×10-5mol/LMB溶液在S1/SWNTs－DA/GCE上的

DPV圖b所得的電化學信號與探針DNA修飾電極(a)幾乎一致，表明無雜交反應發生。而當傳感器與三堿基錯配序列(c)和完全互補序列(d)雜交后，隨著目標DNA與探針DNA發生雜交程度的增大，DNA雙鏈骨架逐漸形成，其嵌插

MB的作用越大，峰電流值也依次增大。表明制備的

DNA電化學探針能有效識別完全互補和非互補

DNA序列，顯示了很好的選擇性。S1/SWNTs－DA/GCE與互補序列S2(b)、非互補序列S3(c)和三堿基錯配序列S4(d)雜交的差示脈沖伏安圖傳感分析不同序列

DNA的電化學檢測基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器隨著S2濃度的升高，氧化峰電流值逐漸增大，說明MB在電極表面的吸附量越來越大。這是因為隨著S2雜交濃度的提高，電極表面形成的雙螺旋DNA量增大，通過嵌插作用和靜電作用結合了更多MB分子。氧化峰電流Ip與濃度對數lgcS2作圖，表明該傳感器能在寬濃度范圍內對互補序列進行定量分析，且具有較高的靈敏度。基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器傳感分析目標序列的定量檢測為MB在不同濃度互補序列(S2)雜交電極上的差示脈沖伏安圖氧化峰電流Ip與濃度對數

lgcS2作圖（插圖）通過超聲分散制備了一種新型的SWNTs－DA復合材料，DA的存在能夠顯著提高SWNTs的分散性和穩定性。將SWNTs－DA修飾于玻碳電極表面，并利用DA末端醛基與DNA末端修飾氨基之間的縮合反應制備了一種新型的DNA電化學傳感器。該固定方法直接、高效、條件溫和且不需要其它活化劑對功能基團進行預活化，為電化學傳感器的制備提供了新思路。以亞甲基藍(MB)為雜交指示劑，采用差示脈沖伏安法(DPV)考察了傳感器的雜交性能。實驗結果表明傳感器能在1.0×10-15～1.0×10-10mol/L濃度范圍內對目標序列進行檢測，檢出限為2.0×10-16mol/L。此外，選擇性實驗表明該傳感器可有效地用于區分三堿基錯配、互補與非互補序列。結論基于單壁碳納米管--十二醛復合材料的DNA電化學傳感器參考文獻［1］

LiYQ，GuoYJ,LiXF,PanJH．Talanta,2007,71(1):123－128．［2］

FengMJ,LeiY,WangK,ChenYZ,LiGW,LuoHB,LinXH.J.Instrum.Anal.(馮美娟,雷云,王昆,陳元仲,李光文,羅紅斌,林新華,分析測試學報),2011,30(5):

492－497．［3］

CaiP,HuangQY,LiM,LiangW．

ColloidsSurf.:B,2008,62(2):299－306．［4］

GorodetskyAA,BuzzeoMC,BartonJK.BioconjugateChem.,2008,19(12):2285

－2296．［5］

PheeneyCG,BartonJK．Langmuir,2012,28(17):7063－7070．［6］

SuniII．

TrendsAnal.Chem．,2008,27(7):604－611．［7］

WangRY,JiaDZ,ChaoYL．Electrochim.Acta,2012,72:101－107．［8］

LiYJ,HuangFY,LuoZX,XuB,WangXX,WangF,LiYC.Electrochem.Acta

,2012,74:280－286．［9］

XueR,KangTP,LuLP.J.Instrum.Anal.(薛瑞,康天放,魯理平.分析測試學報)

,2012,31(8):940－944．［10］

HoangPH,ParkH,KimDP.J.Am.Chem.Soc.,2011,133(37):14765－14770．［11］

WangH,YangRH,YangL,TanWH.ACSNano,2009,3(9):2451－2460．［12］

HongT,ZhouQ,DuanDL,WuY,CaoQE,DingZT.J.Instrum.Anal.(洪濤,周

群,段德良,武云,曹秋娥,丁中濤.分析測試學報),2011,30(9):976－982．參考文獻［13］

ZhuQ,WeiY,WuXQ.Chem.Res.Appl.(朱瓊,魏雅,吳霞琴.化學研究與應用)

,2011,23(4):413－417．［14］

CaiZ,MoLJ,DuLW,MoCR,LiangXY,MoLS,HuangFRChem.Res.Appl.

(蔡卓