一种DNA纳米网络编织碳电极及其制备方法技术

本发明专利技术ＤＮＡ纳米网络编织碳电极及其制备方法，特征是将碳基础电极置于１μｇ／ｍｌ～５ｍｇ／ｍｌ的ＤＮＡ溶液中，在相对于５０ｍｍｏｌ／Ｌ　　ＮａＣｌ－Ａｇ／ＡｇＣｌ参比电极１．５～２．２Ｖ的施加电极电位下，向碳基电极表面上沉积成分子链条充分伸展开的、纵横交错、互相叠连的ＤＮＡ，自组装编织成的网眼、网线为纳米尺度的三维网状结构，其ＤＮＡ与基础电极之间以导电化学键连接，使电极有效表面积增大１００～１０００倍，伏安响应的灵敏度提高５０～６００倍，而不显著增加电极尺寸；可在ｐＨ３～１２、１００℃以下溶液中使用，为高性能的ＤＮＡ电化学传感器，可用于微电化学探针、新型储能电极、新型药物控制释放电极。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电分析化学、生物传感器
，特别是涉及DNA自组装纳米网络编织碳电极及其制备方法。
技术介绍
《生物化学(上)》(中国高等教育出版社，1990，p329)指出，脱氧核糖核酸(DNA)是以磷酸-戊糖为骨架的螺旋状长链杂聚物分子，含有腺瞟呤(A)、鸟瞟呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)四个碱基，并由这四个碱基编码记录生物物种的遗传信息，DNA是地球上除RNA病毒以外所有生命共同的基因载体，具有一种纳米尺度的可寻址结构，因此，在信息储藏、纳米生物技术、生物化学传感等方面具有广阔的应用前景。例如美国专利US 5,591,578；US 5,705,348；US 5,780,234；US5,770,369；US6,238,870都在DNA链上锚定给体-受体对，该给体-受体对分别起注入电子与接收电子的作用，引导DNA分子上电子的定向流动。但上述方法需要采用特殊化学修饰手段，在DNA上的特定位置锚定某种金属络合物作为给体基团或受体基团。事实上，DNA分子不加修饰就可以直接吸附组装在电极表面上，但是这样的固载效果并不理想，所制作的电化学传感器电流灵敏度较低。已有如美国《电分析》(Electroanalysis，1992，4929-932)报道可以使用活性偶合试剂催化DNA与电极建立共价键连接，但所用DNA仅限于含有G碱基和/或C碱基的特定单链DNA，因此有局限性；最近有荷兰《生物传感器与生物电子学》(Biosensors& Bioelectronics，2003，18555-564)报道用双向电泳将双链DNA分子拉伸并连接在金或铝的叉状电极之间的方法，但要求叉状电极叉指间的距离相当小，仅几个微米，不适合在常规电极上操作。美国《朗缪尔》(Langmuir，2003，193830-3839)还报道了DNA分子在高规则热解石墨上的吸附组装，但DNA在热解石墨上的吸附作用较弱，使得DNA分子不够稳定。
技术实现思路
本专利技术提供一种DNA纳米网络编织碳电极及其制备方法，直接以DNA的3′端与电极进行共价键导电连接，可使电极有效表面积增大到基础碳电极的100～1000倍，伏安响应灵敏度增大到50～600倍。本专利技术的DNA纳米网络编织碳电极，其特征在于在碳材基础电极表面上沉积有分子链条充分伸展开的、纵横交错、互相叠连的DNA，自组装编织成的网眼、网线为纳米尺度的三维网状结构；所述碳材基础电极，包括碳纤维电极、玻璃碳电极、石墨电极、高规则热解石墨电极或碳纳米材料电极。所述DNA，包括生物中提纯的DNA、人工合成的DNA，以及经过热变性解链的DNA。本专利技术的DNA纳米网络编织碳电极的制备方法，其特征在于将碳材基础电极在适当配制的DNA溶液中、在施加电极电位下，对DNA进行电化学沉积；所述适当配制的DNA溶液，包括以纯水、或含有0～100mmol/L NaCl的pH范围为5.0～8.0的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(Tris)、醋酸缓冲溶液或磷酸缓冲溶液作为溶剂的浓度在1μg/ml～5mg/ml的DNA溶液；所述施加电极电位，是在电极表面施加的相对于50mmol/L NaCl-Ag/AgCl参比电极的直流稳定电位，范围在1.5～2.2V。还可以对上述所制备获得的电极进行碱处理或热处理。所述碱处理，是在pH12～14的NaOH溶液中浸泡5～10分钟，清除吸附分子，水解不稳定化学建，以稳定电极的化学性能。所述热处理，是在80～100℃热水中浸泡3～5分钟，让电极表面的DNA分子变性，以使电极适合于在热溶液中工作。本专利技术的DNA纳米网络编织碳电极，由于在准确施加的电极电位下进行电化学沉积，使其DNA沉积物自组装编织形成纳米网络，DNA与碳基电极间建立牢固的导电性良好的化学键连接，使电极有效表面积增大100～1000倍，却不显著增加电极尺寸；在pH12～14的强碱性溶液中不水解脱落，成为高性能的电化学传感器。由于DNA分子的3′或5′端可以与碳电极表面以共价键结合，故可用于制备本专利技术所述纳米网络编织碳电极的DNA，包括生物中提纯的DNA、人工合成的DNA，以及经过热变性解链的DNA。与现有技术相比较，本专利技术DNA纳米网络编织碳电极有如下优点本专利技术由于在准确施加的电极电位下进行DNA纳米网络编织碳电极的电化学沉积，实现了DNA分子在电极表面的牢固的导电连接与组装，这是一种新的DNA自组装修饰方式，直接以DNA的3′或5′端与电极进行共价键导电连接，不需要预先在DNA上锚定电子给体或受体基团，也不靠吸附在电极表面沉积，更不需要活性偶合试剂，既可在常规电极上操作，也可以在微小或超微小电极上操作；由于DNA编织层中DNA分子链条交叉、重叠和相互连接，在支撑碳电极表面自组装编织成纳米网络，并与碳基电极间具有牢固的导电性良好的连接，使电极有效表面积增大100～1000倍，可作为一种新型能量或药物储藏电极；由于DNA编织层与碳基电极间具有牢固的导电性良好的连接，使电极的伏安响应灵敏度提高50～600倍，可用于低浓度、少量分子的研究与监测。由于本专利技术的DNA纳米网络编织电极，是网眼、网线在纳米尺度的三维结构，不会造成电极表观尺寸的明显增加；本专利技术的DNA编织电极，由DNA分子在控制电位作用下自组装所成，制作条件容易控制，不需要纳米操作技术，容易推广使用。本专利技术的DNA编织电极若经过强碱处理，则pH性能更好，可在pH3～12宽范围的介质中使用；若经过沸水热处理，则热稳定性更好，可在100℃以下热溶液中使用。本专利技术电极是一种高性能的电化学传感器。由于本专利技术纳米网络编织碳电极可以使用生物中提纯的DNA、人工合成的DNA，以及经过热变性解链的DNA，丰富了DNA电化学传感器的类型。附图说明图1是碳纤维盘天然双链小牛胸腺DNA修饰电极在5mmol/L pH7.1 Tris-HCl+50mmol/L NaCl+0.3mmol/L Co(phen)33+溶液中的循环伏安图。图2是碳纤维盘基础电极上Co(phen)33+的循环伏安图。图3是碳纤维盘单链小牛胸腺DNA修饰电极上Co(phen)33+的循环伏安图。图4是碳纤维盘天然双链小牛胸腺DNA修饰电极，经过10mmol/L Tris缓冲溶液沸腾处理3分钟后Co(phen)33+的循环伏安图。图5是碳纤维盘天然双链小牛胸腺DNA修饰电极，以0.2mol/L NaOH溶液浸泡10分钟前后Co(phen)33+的循环伏安曲线图。图6是原子力显微镜下视野为1μmX1μm的天然双链小牛胸腺DNA在高规则热解石墨电极上的纳米网络编织图的固载形貌照片。图7是碳纤维盘天然双链小牛胸腺DNA修饰电极测量溶液中多巴胺含量的微分脉冲伏安图。图8是本专利技术所用的碳纤维盘基础电极上多巴胺的微分脉冲伏安图。具体实施例方式实施例1碳纤维盘双链DNA修饰电极将配制好的天然双链小牛胸腺DNA溶于含有50mmol/L NaCl的三羟甲基氨基甲烷pH7缓冲溶液(Tris)溶液中，插入6微米直径碳纤维盘电极，施加1.5～2.2V相对于50mmol/LNaCl-Ag/AgCl的电位保持30分钟取出，用二次蒸馏水冲洗干净，置于空气中自然晾干。将该电极插入5mmol/L pH7.1 Tris-HCl+50mmol/L NaCl+0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＤＮＡ纳米网络编织碳电极，其特征在于在碳材基础电极表面上沉积有分子链条充分伸展开的、纵横交错、互相叠连的ＤＮＡ，自组装编织成的网眼、网线为纳米尺度的三维网状结构；所述碳材基础电极，包括碳纤维电极、玻璃碳电极、石墨电极、高规则热解 石墨电极或碳纳米材料电极；所述ＤＮＡ，包括生物中提纯的ＤＮＡ、人工合成的ＤＮＡ，以及经过热变性解链的ＤＮＡ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林祥钦，蒋晓华，鲁理平，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：34[中国|安徽]