一种框架核酸的电化学制备方法及其应用技术

本发明专利技术提供一种框架核酸的电化学制备方法及其应用，包括：电化学装置的构建：电化学装置通过PDMS层与玻璃片层粘贴而成，包括：反应区和控制区，以银/氯化银为工作电极，以氧化铱为参比电极、铱为对电极；框架核酸的自组装：通过电化学策略构建形貌、生物化学性质可设计的框架核酸，提供所需的DNA单链，加入反应区，通过向工作电极施加一定的电位使反应区内发生水的氧化反应，溶液pH降低，发生DNA变性；通过向工作电极施加另一电位使反应区内发生水的还原反应，溶液pH升高，发生DNA复性，实现框架核酸的电化学自组装。本发明专利技术利用控制工作电极电位可快速精准调控溶液pH的特点，从而得到一系列尺寸及特定官能团修饰的框架核酸。系列尺寸及特定官能团修饰的框架核酸。系列尺寸及特定官能团修饰的框架核酸。

【技术实现步骤摘要】
一种框架核酸的电化学制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及纳米材料
，具体涉及一种框架核酸的电化学制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]DNA纳米技术利用具有精确结构DNA双螺旋和严格的Watson
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Click碱基互补配对原则实现精确的二维和三维的静态或动态DNA纳米结构，在医学诊断和分子机器等领域具有广阔的应用前景。其中，DNA纳米结构的构建主要是利用DNA单链间的碱基互补原则，利用不同长度及序列的DNA单链间的结合能差异实现DNA纳米结构最稳定构型的获得。然而，在DNA单链中，由于一些非特异性的相互作用，往往会产生一些二级或三级结构(在动力学陷阱中)，因此DNA折纸组装往往需要借助加热或者其他手段打开 DNA可能存在的二级或三级结构，继而利用DNA间的碱基互补原则，实现DNA链的可控折叠、杂交与组装。
[0003]当前，实现DNA纳米结构的可控组装手段主要包含了热变性技术和非电离辐射 (微波和太赫兹)技术等。其中，热变性技术是一种最为常见和成熟用于打开DNA自身或者不同DNA间非特异性相互作用的手段。通常在90℃条件下，DNA经历热变性的过程，二级结构(在动力学陷阱中)被打开，DNA单链恢复为初始松散状态，随后在降温过程中发生DNA复性，互补配对的DNA形成有序的双螺旋结构。其中，商用的聚合酶链反应(polymerase chain reaction,PCR)核酸扩增仪仪器可以实现对反应体系温度的精确控制，因此，被广泛用于DNA纳米结构的组装。但商用的PCR成本昂贵且可携带性差，因此限制了其在资源有限的情况下使用。此外，近年来有报道称，微波和太赫兹(Thz) 体系中的非电离辐射可以在没有任何序列修改的情况下实现DNA纳米结构的组装/解组装。然而，该体系并不适用于微型DNA纳米结构合成体系，且成本高昂。总的来说，目前可用于打开DNA中非特异性相互作用继而实现DNA纳米结构的可控组装的技术是有限的。
[0004]最新研究表明，DNA双螺旋结构中的氢键对于溶液pH非常敏感，在低pH条件下氢键被破坏，DNA双链被打开，而在碱性条件下DNA双链再次杂交。基于此，一系列基于pH调控的DNA分子机器及聚合酶链式反应的工作被相继报道(Y.Zhang,Q.Li,L. Guo,Q.Huang,J.Shi,Y.Yang,D.Liu and C.Fan,Ion
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Mediated Polymerase Chain ReactionsPerformed with an Electronically Driven Microfluidic Device.Angew.Chem.,Int.Ed.Engl., 2016,55,12450
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12454.)。因此，通过调控溶液体系的pH为组装DNA纳米结构提供了新思路。而实现溶液体系的pH调控是一个实验室常规操作，但是微型的DNA纳米结构合成体系给pH调控提出了新的要求和挑战。如常见的“体积滴定”方法在调控pH过程中会引入外源性物质，并且改变体系的总体积，因此并不适用于微型的DNA纳米结构合成。而电化学方法具有灵敏度高、响应迅速、易于控制的特点，通过电化学方法电解水产生质子，实现对体系的pH的调控，对体系的体积影响微小，且不会产生任何无关累积废物，因此，非常适合用来对微体系的pH值进行调控。2008年，日本的Hiroaki Suzuki 课题组报道了一种非经典三电极电化学体系。利用氧化铱电极对pH敏感特性和银/氯化银电极的不可极化性质，
实现了对微型体系pH的精准快速调节和稳定。(K.Morimoto,M. Toya,J.Fukuda and H.Suzuki,Automatic Electrochemical Micro
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pH
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Stat for Biomicrosystems. Anal.Chem.,2008,80,905
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914)该工作为通过电化学方法精准快读速调控溶液pH继而实现DNA纳米结构的可控合成提供了新契机。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种框架核酸的电化学制备方法及其应用，从而解决现有热变性技术制备框架核酸过程中使用的精确控制体系温度的仪器设备存在的设备昂贵和设备体积大不易携带等问题。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]根据本专利技术的第一方面，提供一种框架核酸的电化学制备方法，所述电化学制备方法包括：电化学装置的构建：所述电化学装置通过PDMS层与玻璃片层粘贴而成，其包括：通过盐桥连接的反应区和控制区，所述反应区中以银/氯化银为工作电极，所述控制区中以氧化铱为参比电极、铱为对电极；框架核酸的自组装：通过电化学策略构建形貌、生物化学性质可设计的框架核酸，提供构建所述框架核酸所需的DNA单链，将 DNA单链的混合液加入所述反应区中，通过向所述工作电极施加一定的电位使所述反应区内发生水的氧化反应，溶液pH降低，发生DNA变性；通过向所述工作电极施加另一电位使所述反应区内发生水的还原反应，溶液pH升高，发生DNA复性，最终实现框架核酸的电化学自组装。
[0008]所述框架核酸是由多条DNA短链通过变性和复性形成的三维立体DNA纳米结构。应当理解的是，短链的数量根据设计的框架核酸大小而定。
[0009]较优选地，所述框架核酸的形状是四面体，但是应该理解的是，其他形状的框架核酸如立方体、八面体、三棱柱、三角双锥等框架核酸同样可以用在本专利技术中。
[0010]所述框架核酸的自组装还包括：通过对DNA单链的设计在所述框架核酸的结构上实现官能团的修饰。
[0011]较优选地，所述的功能框架核酸修饰的官能团是巯基，但是应该理解的是，其他化学基团和功能分子修饰的框架核酸如二茂铁、胺基、羧基、DBCO、苯、Cy3、Cy5、 Cy7、胆固醇、商业化荧光分子等修饰的框架核酸同样可以用在本专利技术中。
[0012]较优选地，所述巯基修饰的框架核酸中巯基与框核酸的计量比是3:1。
[0013]所述官能团在框架核酸上的修饰位点包括：框架核酸的顶点、框架核酸的内部空腔、或框架核酸的边框。
[0014]在所述框架核酸的电化学自组装过程中，捕获探针的方式包括：碱基互补配对作用、生物素和亲和素间的高亲和作用、抗原和抗体之间的相互作用、核酸适配体和特定靶标间的特异识别作用。
[0015]制备所述框架核酸的反应体系包括：NaCl反应体系或MgCl2反应体系，其中，所述框架核酸在NaCl反应体系中0.6M NaCl条件下的产率最高，在MgCl2反应体系中60 mM MgCl2条件下的产率最高。
[0016]所述框架核酸的自组装还包括：通过将官能团修饰的框架核酸修饰在金电极界面，从而构建一种基于框架核酸的生物传感器。
[0017]根据本专利技术的一个优选方案，制备的一种DNA生物传感器中巯基修饰在框架核酸
的顶点，其目的是借助Au
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种框架核酸的电化学制备方法，其特征在于，所述电化学制备方法包括：电化学装置的构建：所述电化学装置通过PDMS层与玻璃片层粘贴而成，其包括：通过盐桥连接的反应区和控制区，所述反应区中以银/氯化银为工作电极，所述控制区中以氧化铱为参比电极、铱为对电极；以及框架核酸的自组装：通过电化学策略构建形貌、生物化学性质可设计的框架核酸，提供构建所述框架核酸所需的DNA单链，将DNA单链的混合液加入所述反应区中，通过向所述工作电极施加一定的电位使所述反应区内发生水的氧化反应，溶液pH降低，发生DNA变性；通过向所述工作电极施加另一电位使所述反应区内发生水的还原反应，溶液pH升高，发生DNA复性，最终实现框架核酸的电化学自组装。2.根据权利要求1所述的电化学制备方法，其特征在于，所述框架核酸是由多条DNA短链通过变性和复性形成的三维立体DNA纳米结构。3.根据权利要求2所述的电化学制备方法，其特征在于，所述三维立体DNA纳米结构包括：四面体、立方体、八面体、三棱柱、或三角双锥。4.根据权利要求1所述的电化学制备方法，其特征在于，所述框架核酸的自组装还包括：通过对DNA单链的设计在所述框架核酸的结构上实现官能团的修饰。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈建磊，李茜，翟婷婷，孙晨蕴，樊春海，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：