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西北大学硕士学位论文纳米材料修饰电化学DNA和适体生物传感器的研究姓名：刘晓荣申请学位级别：硕士专业：分析化学指导教师：郑建斌20100601西北人学硕士学位论文摘要纳米材料修饰电化学ＤＮＡ和适体生物传感器的研究（摘要）电化学ＤＮＡ和适体生物传感器已成为当今电分析化学的研究热点之一。
本论文以凝血酶和重金属离子Ｈ９２＋、ａｂ２＋为检测对象，以ＤＮＡ和适体作为分子识别物质，构置新型电化学ＤＮＡ和适体生物传感器。
该研究对于发展新型电化学生物传感、丰富电分析化学研究内容具有一定的意义。
全文共分三章，作者的主要研究工作如下：１．基于Ｈ９２＋和ＤＮＡ的碱基胸腺嘧啶（Ｔ）之间存在的特异结合能力，构置了一种金纳米粒子（ＡｕＮＰｓ）修饰的电化学ＤＮＡ生物传感器检测水溶液中二价汞离子（Ｈ孑＋）含量。
研究表明，该传感器可检测到的Ｈ９２＋浓度范围为１．０ｘ１０。
９—１．０ｘ１０石ｔｏｏｌ・Ｌ一，检出限为５ｘ１０ｄｏｍｏｌ・Ｌ１。
方法具有灵敏度高、选择性好、无污染等特点。
２．构置了一种基于碳纳米管增强的以凝血酶为检测对象的高效、高灵敏、特异性识别的电化学适体生物传感器。
研究表明，该电化学适体生物传感器检测凝血酶的浓度线性范围为１．０ｘ１０ｍ～５．０ｘ１０。
１０ｍ０１．Ｌ～，检出限可以达到５ｘ１０‘１３ｍ０１．Ｌ～。
方法特异性高，选择性好。
３．基于Ｐｂ２＋和凝血酶适体之间存在的高度结合能力，构置了ＥＭＩＭＢＦ４一Ｃｅ０２＝ＭＷＣＮＴｓ纳米复合材料放大的电化学适体传感器检测二价铅离子（Ｐｂ２＋）含量。
研究表明，差分脉冲伏安（ＤＰＶ）峰电流大小和ｐｂ２＋浓度在１．０ｘ１０一～１．０ｘ１０～ｍｏｌ・Ｌ‘１范围内呈现良好的线性关系，检出限为５ｘ１０母ｔｏｏｌ・Ｌ～。
关键词：电化学生物传感器；纳米材料；ＤＮＡ；适体西北大学硕士学位论文摘要Ｉｎｖｅｓｔｉ２ａｔｉｏｎＮａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓＭｏｄｉｆｉｅｄＥｌｅｃｔｒＩｈｅｍｉｃａ１０ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ－ＭｏｄＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｎＶｅＳｔｌ２ａｔｌｏｎＤＮＡａｎｄＡｐｔａｍｅｒＢｉｏｓｅｎｓｏｒ（Ａｂｓｔｒａｃｔ）ＴｈｅｔｈｅｓｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｎｅｗｔｙｐｅｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＤＮＡａｎｄａｐｔａｍｅｒｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｒｏｍｂｉｎａｎｄｉｎｏｒｇａｎｉｃｈｅａｖｙｍｅｔａｌｉｏｎｓＨ９２＋ａｎｄＰｂ２＋，ｕｓｉｎｇＤＮＡａｎｄａｐｔａｍｅｒａｓｍｏｌｅｃｕｌａｒｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｉｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｎｅｗＤＮＡａｎｄａｐｔａｍｅｒｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓａｓｗｅｌｌａｓｉｎｅｎｒｉｃｈｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌｙｔｉｃａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ．Ｔｈｅｒｅａｒｅｔｈｒｅｅｃｈａｐｔｅｒｓｉｎｔｈｅｔｈｅｓｉｓ．Ｔｈｅｍａｉｎｓｔｕｄｉｅｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄａｓｆｏｌｌｏｗｓ，１．Ａｎｏｖｅｌｇｏｌｄｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ（ＡｕＮＰｓ）一ｂａｓｅｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＤＮＡｂｉｏｓｅｎｓｏｒｆｏｒｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｍｅｒｃｕｒｙ（ＩＩ）ｉｏｎｓ（Ｈ旷十）ｉｎａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅ．ＴｈｅｓｅｎｓｏｒＣａｎｄｅｔｅｃｔｔｈｅＨ９２＋ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｒａｎｇｅｏｆ１．０ｘｌ０。
中国基础科学研究进展2007 3 Chi na B a si c Sci ence 21一种新型电化学DNA 纳米生物传感器 CDS!樊春海发展新型DNA 检测方法是后基因组时代的需求,诸如生物安全(生物恐怖袭击、SARS 等高致病性传染病以及健康(肝炎、H I V 等等领域都需要快速、便捷的DNA 或RNA 检测技术。
电化学技术具有快速、灵敏、低能耗、易于微型化和集成化等优点,被认为是在时效、成本等有较高限定要求的场合实现DNA 检测的首选技术之一。
我们课题组在国家自然科学基金委、中国科学院和上海市科委等相关项目支持下研制出一种新型的电化学DNA 纳米生物传感器 CDS(chronocoulo m etric DNA sensor。
该生物传感器具有高灵敏度和高特异性。
CDS 生物传感器有两个比较明显的特色。
其一是实现了DNA 探针分子在电极界面上的组装和精细调控。
研究表明,高密度的DNA 探针不利于其捕获靶标DNA 分子,这是由于DNA 分子带有负电荷,相互之间有静电斥力,同时过高的密度也增加了位阻效应。
当DNA 探针分子在金电极表面上的组装密度合适的情况下,可以实现接近80%的捕获效率,可以极大提高传感器的检测灵敏度。
其二是引入金纳米粒子进行电化学信号放大。
金纳米粒子可以与含巯基修饰的信号DNA 分子形成非常稳定的复合物,同时由于纳米粒子的高比表面积,一个20nm 的金纳米粒子表面可以负载数百条信号DNA 分子。
采用一种夹心式的检测方法,在靶标DNA 存在时可以把负载信号DNA 分子的金纳米粒子一起通过杂交反应连接到电极表面。
这样一次杂交事件就可以产生数百倍的信号放大,因而显著提高了DNA 检测的灵敏度。
该生物传感器可在1 2h 内快速检测到约2万多个DNA 分子,检测灵敏度达到10M f (飞摩尔/升,比常规荧光DNA 检测方法(约10p M 提高了约3个数量级。
同时,该生物传感器也具备高特异性,即使在大量干扰DNA 存在下仍然可以检测出靶标。
基于DNA纳米技术的新型生物传感器研究DNA纳米技术是指运用DNA分子结构的特性，以基因工程和纳米技术相结合的方法，构建各种具有结构化和功能性的纳米材料、纳米器件和纳米机器等纳米系统。
近年来，随着科技的不断发展，DNA纳米技术在生物学、物理学、化学和材料科学等多个领域的应用越来越广泛。
其中，基于DNA纳米技术的新型生物传感器研究已经成为了研究的热点之一。
基于DNA纳米技术的新型生物传感器，主要是通过改变DNA 分子的构形、特性和功能，来实现对生物识别分子（如蛋白质、酶、核酸等）和小分子化合物（如药物、毒素等）的高灵敏、高特异和高速度检测。
这种生物传感器在医学诊断、环境监测、食品安全等领域的应用具有广泛的应用前景。
由于DNA分子本身就是一种天然的生物传感器，在生物体内起着基础性的作用，所以利用DNA纳米技术来构建生物传感器是非常可行的。
基于DNA纳米技术的生物传感器可以通过多种方式来实现对靶分子的检测，主要包括：1）DNA分子间的相互作用（如杂交、链切割），2）DNA分子与其他分子的作用（如蛋白质-核酸相互作用），3）DNA分子的形态变化（如弯曲、外界环境引起的结构改变），4）DNA分子的光学和电学信号变化。
其中，DNA分子间的相互作用是基于DNA分子的互补性原理，即两条DNA单链可以通过碱基配对形成一条稳定的双链结构，实现对靶分子的高特异检测。
例如，可以将一个DNA单链固定在传感器表面或纳米材料上，另一个DNA单链标记上荧光信号或其他化学标记物，当两条DNA单链互补配对时，荧光信号或其他化学标记物就会发生相应的变化，从而实现对靶分子的检测。
与传统的生物传感器相比，基于DNA纳米技术的生物传感器具有以下几个优点。
首先，DNA分子具有高度的特异性和亲和性，可以实现对靶分子的高度选择性识别和检测。
其次，基于DNA纳米技术的生物传感器可以通过改变DNA分子的构形和作用方式，实现对不同种类、不同结构的生物识别分子和小分子化合物的检测，具有较好的通用性和适应性。
５ＩＩｌＩ含５ｍＭＥＤＡＣ的ＰＡＭＡＭ溶液中缓慢搅拌１２小时，ＰＡＭＡＭ浓度为２ｍｇ／ｍｌ。
ＥＤＡＣ是～种偶联化合物１８０，引ｌ，它能促进缩氨酸键的形成。
因此在加入ＥＤＡＣ后，四代ＰＡＭＡＭ与电极表面的连接方式主要是通过ＰＡＭＡＭ外围的氨基和电极表面的羧酸基之间反应形成缩氨酸键。
３．２．５ＤＮＡ探针在ＰＡＭＡＭ修饰电极表面的固定将ＰＡＭＡＭ修饰电极浸入含有２．２５女１０曲Ｍ探针ＤＮＡ的醋酸缓冲溶液５ｈ（ｐＨ５．２），同时加入ＥＤＡＣ使ＥＤＡｃ的最终浓度为５ｍＭ。
在室温下搅拌反应ｌＯ小时。
随后电极分别用醋酸缓冲溶液和二次蒸馏水洗涤５分钟，去除多余ＤＮＡ。
通过上述步骤，ＤＮＡ以５’末端的磷酸基团与ＰＡＭＡＭ外围的氨基反应形成磷酸氨基酯键。
探针ＤＮＡ与ＰＡＭＡＭ的连接如图３．１．所示图３．１ＤＮＡ与ＰＡＭＡＭ修饰电极共价固定过程３．２．６基于ＰＡＭＡＭ修饰的ＤＮＡ电化学生物传感器制备过程基于ＰＡＭＡＭ修饰的ＤＮＡ电化学生物传感器的制备过程如图３－２．所示。
图３．２基于ＰＡＭＡＭ修饰的ＤＮＡ电化学生物传感器制备过程及其在杂交检测中应用示意图３．２．７杂交与电化学检测将探针ＤＮＡ修饰电极放入含有不同浓度目标ＤＮＡ的ＰＢＳ（Ｏ．３Ｍ，ｐ１４７．３）溶液中搅拌３０分钟，温度为３７＊（２。
随后用Ｏ．１％的十二烷基硫酸钠（ＳＤＳ，ｐｒＩ７．３）洗涤三次，将非特异性吸附的目标ＤＮＡ洗去。
然后放置在含有１．０ｘ１０４Ｍ柔红霉素的ＰＢＳ（Ｏ．１Ｍ，ｐｒＩ７．３）缓冲溶液中，缓慢搅拌５分钟。
在这之后，用０．１％的十二烷基硫酸钠（ＳＤＳ，ｐＨ７．３）洗涤电极５分钟，去除由于物理吸附而黏附在电极表面的柔红霉素。
对于杂交后的电化学检测，我们采用三电极系统，以杂交后的金电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为对电极。
循环伏安和差分脉冲伏安扫描都在１０ｍＬ电化学检测池中进行。
差分脉冲伏安扫描在ＰＢＳ（Ｏ．１Ｍ，ｐｎ７．３）溶液中进行，电压范围为．０．１０Ｖ至Ｏ．５０ｖ。
纳米生物传感器的研究进展及其应用纳米生物传感器是一种将纳米技术与生物分子检测技术相结合的新型传感器。
该技术可以直接监测生物体内的分子，对于生物学、医学、环境科学等领域的研究具有广泛的应用前景。
本文将介绍纳米生物传感器的研究进展以及其在科研和实际应用中的重要性。
一、纳米生物传感器的研究进展目前，纳米生物传感器的研究已经取得了很大的进展。
事实上，它是一种基于纳米尺度上的纳米材料和生物分子相互作用，实现生物分子检测与监测的技术手段。
关于纳米生物传感器的研究，主要分为以下几个方面。
1. 纳米生物材料的研究传感器的灵敏度、选择性、响应速度、稳定性等性能主要取决于传感器所使用的材料。
纳米生物传感器所使用的材料主要有金、碳、铁氧体、氧化铝等。
这些材料常用于纳米结构、生物分子功能修饰和表层可控化等方面的研究，以实现对不同生物分子的监测。
2. 生物分子的植入和功能修饰为了增强传感器的灵敏度和选择性，通常需要在纳米材料上植入一些生物分子，如酶、抗体、DNA等。
在植入前，对生物分子进行适当的功能修饰，可以改变其在传感器上的空间排列和电化学特性，从而提高传感器的检测效率和灵敏度。
选择合适的生物分子研究对纳米生物传感器是非常重要的。
3. 生物分子检测的信号转化传感器对于生物分子的检测涉及的信号形式多种多样，如光、电、声、热、色等。
因此，对于不同的信号形式，纳米生物传感器需要采用不同的信号转化技术。
例如，积累或产生电荷运动的传感器可以采用电化学信号转化技术，而光生物传感器则可以采用荧光、表面增强拉曼光谱等技术。
二、纳米生物传感器的应用纳米生物传感器在生物体内、环境监测、医学和药物研究等领域均有广泛的应用。
1. 生物体内成分检测纳米生物传感器可以检测人体内的低浓度组分，如血清蛋白、DNA、RNA、小分子药物等。
基于微流控技术的纳米生物传感器可以通过微型采样流程实现快速、准确的检测，为精准医学研究提供了有力的支持。
2. 环境监测纳米生物传感器可以检测地下水、污水等水质信息，还可以监测大气中的有害气体、环保指示物等。
纳米生物传感器的研究进展纳米生物传感器是一种利用纳米材料和生物分子相互作用的技术，用于检测和测量生物体系中的生物分子，如蛋白质、DNA和细胞。
它具有高灵敏度、高选择性、实时监测和非侵入性等优点，因此在医学诊断、环境监测和食品安全等领域具有广阔的应用前景。
以下将对纳米生物传感器的研究进展进行详细描述。
首先，研究人员发展了各种纳米材料作为传感器的基础材料，如金纳米粒子、量子点、碳纳米管和二维材料等。
这些材料具有特殊的光电性质和表面增强效应，可以在低浓度下实现高灵敏度的检测。
例如，金纳米粒子可以通过表面等离子体共振效应增强荧光信号，从而实现低浓度蛋白质的检测。
碳纳米管和二维材料则具有高载流子迁移率和生物相容性，可用于电化学传感器。
其次，研究人员通过修饰纳米材料表面的生物分子，提高传感器的选择性和特异性。
例如，通过修饰抗体和核酸的生物分子，可以使纳米材料选择性地与目标分子结合，实现对蛋白质和DNA的检测。
同时，还可以利用生物分子之间的相互作用，如亲和、酶促和DNA杂交等，在纳米材料表面构建多层的生物反应层，提高传感器的灵敏度和稳定性。
此外，研究人员还结合微流控技术和纳米技术，开发了基于纳米材料的微流控生物传感器。
这种传感器可以实现样品的自动处理和分离，减少样品体积和检测时间，并且可以与微流控芯片集成，实现高通量和多参数的检测。
例如，可以利用纳米孔阵列在纳米尺度上进行DNA测序，实现单分子水平的高通量测序。
此外，研究人员还通过结合纳米材料和光学、电化学、质谱和生物声学等技术，实现多模式的检测。
这种多模式的检测可以充分利用不同技术的优势，提高检测的灵敏度和特异性。
例如，通过结合纳米金材料和质谱技术，可以实现在单细胞水平上对代谢物的检测，有助于理解细胞代谢的变化和疾病的发生。
综上所述，纳米生物传感器在材料选择、生物分子修饰、微流控技术和多模式检测等方面都取得了重要的研究进展。
随着纳米技术和生物医学的不断发展，纳米生物传感器将在生物医学、环境监测和食品安全等领域发挥越来越重要的作用。
新型DNA电化学生物传感器的构建及其在生物分析中的应用中期报告目录：一、课题研究背景二、国内外研究现状三、课题研究目标和内容四、预期研究成果五、课题研究进展情况六、存在问题及解决途径七、下一步工作计划一、课题研究背景随着DNA的广泛应用，开发一种新型DNA电化学生物传感器具有重大的理论意义和实际应用价值。
传统的生物传感器利用的是光或热等信号，而新型DNA电化学生物传感器采用电化学信号。
由于其具有高灵敏度、高选择性、快速反应和易于集成等优点，在生物分析领域有很大的应用前景。
因此，构建新型DNA电化学生物传感器并在生物分析中应用，已成为当前生物传感器研究领域的热点问题。
二、国内外研究现状国内外已有很多关于DNA电化学生物传感器的研究报道。
国外研究主要在于采用不同的技术制备新型电化学生物传感器，并针对不同的生物分析问题进行研究。
例如，有研究报道将DNA修饰在金属纳米粒子表面上，构建出一种高灵敏度、高选择性的银电极DNA电化学生物传感器。
国内研究主要在于探索DNA传感器的灵敏度和选择性等性能的优化方法。
例如，有研究报导采用纳米材料修饰的方法来提高传感器的灵敏度和稳定性。
三、课题研究目标和内容本课题旨在构建一种新型DNA电化学生物传感器，并将其应用于生物分析领域。
具体研究内容包括：1. 采用不同的材料制备电极表面，探索电极表面对传感器性能的影响；2. 设计具有高灵敏度、高选择性的电化学DNA传感器，分析其电化学行为及性能；3. 优化传感器性能，提高其灵敏度、选择性和稳定性；4. 针对特定的生物分析问题，开展传感器应用研究，验证其应用价值；5. 对研究结果进行分析和总结，撰写研究成果发表论文。
四、预期研究成果本研究旨在构建一种新型DNA电化学生物传感器，并将其应用于生物分析领域。
预期的研究成果包括：1. 构建一种高灵敏度、高选择性的电化学DNA传感器；2. 探索电极表面对传感器性能的影响并设计优化方案；3. 针对特定的生物分析问题，开展传感器应用研究，验证其应用价值；4. 对研究结果进行分析和总结，撰写研究成果发表论文。
新型DNA电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究【摘要】：随着基因的结构与功能的研究不断深入，特别是人类基因组计划(HGP)的发展，基因的分离及分析检测在卫生防疫、医学诊断、药物研究、环境科学及生物工程等领域发挥着越来越重要的作用。
许多新的生物技术的开发，为发展高灵敏度、高特异性的生物分析检测方法注入了活力，其中利用DNA分子间的特异性互补配对规律发展起来的各种DNA生物传感技术，引起了国内外生物分析工作者的广泛关注。
DNA电化学生物传感器是一门新兴的，涉及生物化学、电化学、医学及电子学等领域的交叉学科，它提供了一种全新的DNA(基因)检测技术，具有简单、可靠、价廉、灵敏和选择性好等优点，并且与目前的DNA生物芯片技术兼容，在分子生物学和生物医学工程领域具有很大的实际意义和应用价值。
与传统的同位素标记基因检测技术方法相比，它具有快速、准确、操作简便、无污染的特点，并且与其他DNA生物传感器一样，不仅具有分子识别功能，而且还有无可比拟的分离纯化基因的功能，在疾病基因诊断、抗癌药物的筛选、环境监测、法医鉴定及食品卫生检验等方面显示了广阔的应用前景，已成为当今生物学、医学领域的前沿性课题。
纳米材料被认为是跨世纪材料研究领域的热点，有“21世纪最有前途的材料”之美誉。
当物质的结构单元进入纳米量级(1～100nm)时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、光吸收、生物医药、磁介质及新材料等方面得到了广泛的应用。
纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、催化效率高、吸附能力强等这些优异性质，为生物医学研究提供了新的研究途径。
本论文的主要创新之处就是将纳米技术、核酸分子杂交技术与电化学分析技术相结合，研制具有高灵敏度高选择性的基于纳米材料修饰的新型DNA摘要新型DNA电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究电化学生物传感器，成功地应用于对特定序列DNA片断的选择性测定和对DNA链中的碱基尤其是单个碱基突变的快速、灵敏和准确的识别，为基因的快速分析测定提供了一种简便、快捷、廉价的检测装置。
纳米电化学生物传感器一、本文概述本文旨在深入探讨纳米电化学生物传感器的基本原理、最新进展以及应用前景。
纳米电化学生物传感器结合了纳米技术、电化学分析和生物识别等多个领域的知识，通过纳米材料独特的物理化学性质以及生物分子的高特异性识别能力，实现了对生物分子、离子、小分子等目标分析物的超灵敏、高选择性检测。
文章首先简要介绍纳米电化学生物传感器的基本概念和分类，然后重点论述其设计原理、制备方法以及性能优化策略。
接着，综述纳米电化学生物传感器在生物医学、环境监测、食品安全等领域的应用实例和最新研究成果。
对纳米电化学生物传感器面临的挑战和未来的发展趋势进行展望，以期为推动该领域的研究与应用提供参考和借鉴。
二、纳米电化学生物传感器的基本原理纳米电化学生物传感器是一种结合了纳米技术、电化学技术和生物识别技术的先进传感器。
其基本原理主要基于纳米材料优异的电学、光学和化学性质，以及生物分子特异性识别的能力，通过电化学转换实现对生物分子的高灵敏、高选择性检测。
纳米材料作为传感器的核心部分，具有大的比表面积、高电导率、良好的生物相容性等特性。
这些特性使得纳米材料在生物传感器中能够提供良好的电子传递通道，增强生物分子与电极之间的电子交换效率，从而提高传感器的灵敏度和响应速度。
生物识别分子，如酶、抗体、核酸等，通过化学键合或自组装等方式固定在纳米材料表面，形成生物识别层。
这些生物识别分子能够特异性地识别目标生物分子，如蛋白质、DNA、细胞等，实现生物分子的捕获和识别。
当目标生物分子与生物识别层发生特异性结合时，会引起纳米材料表面电荷、电位或电导率等电化学性质的变化。
这些变化通过电化学工作站等检测设备进行监测和测量，从而实现对目标生物分子的定性和定量检测。
纳米电化学生物传感器的基本原理涉及纳米材料、电化学和生物识别等多个领域的知识，是一个多学科交叉的研究领域。
随着纳米技术和生物技术的不断发展，纳米电化学生物传感器在生物医学、环境监测、食品安全等领域的应用前景将越来越广阔。
纳米电化学生物传感器一、引言随着科技的不断发展，人类对纳米技术的应用越来越广泛。
在医疗领域中，纳米技术以其独特的优势为疾病的诊断和治疗带来了革命性的变化。
本文将探讨纳米电化学生物传感器在医疗领域的应用及发展前景。
二、纳米电化学生物传感器的特点纳米电化学生物传感器是一种将生物传感器与电化学技术相结合的纳米级检测设备。
它具有高灵敏度、高特异性、低能耗、低成本等优点，在生物医学领域具有广泛的应用前景。
三、纳米电化学生物传感器的应用1、疾病诊断纳米电化学生物传感器在疾病诊断方面具有很高的价值。
例如，利用纳米生物传感器可以检测到癌症标记物、病毒、细菌等，为医生提供快速、准确的诊断结果。
2、药物研发在药物研发领域，纳米电化学生物传感器可以帮助科学家们快速筛选出有疗效的药物分子，加速新药的研发过程。
3、个性化治疗通过监测患者的生物标志物，纳米电化学生物传感器可以为医生提供实时、准确的病情信息，有助于实现个性化治疗。
四、纳米电化学生物传感器的发展前景随着纳米技术的不断进步，纳米电化学生物传感器的应用前景十分广阔。
未来，纳米电化学生物传感器将有望实现更灵敏、更准确的检测，为医疗领域提供更全面的支持。
五、结论纳米电化学生物传感器是未来医疗领域的重要发展方向。
它结合了纳米技术、生物技术和电化学技术的优点，具有很高的应用价值和发展前景。
随着技术的不断进步，纳米电化学生物传感器将有望为人类的健康事业带来更大的贡献。
六、一、引言石墨烯是一种由碳原子组成的二维材料，由于其独特的物理和化学性质，如高导电性、高比表面积和出色的化学稳定性，它在许多领域都展示了巨大的应用潜力。
特别是近年来，石墨烯纳米复合材料在电化学生物传感器领域的应用越来越受到。
电化学生物传感器是一种用于检测生物分子或细胞的高灵敏度分析工具，而石墨烯纳米复合材料的应用则使得这些传感器的性能得到了显著提升。
二、研究现状在过去的几年里，关于石墨烯纳米复合材料在电化学生物传感器中的应用已经取得了许多突破性成果。
研究报告新型磁性纳米电化学DNA 生物传感器的研究程圭芳 黄翠华 赵洁 谭雪莲 何品刚 方禹之*(华东师范大学化学系,上海200062)摘 要 利用高分子磁性纳米粒子有效地将磁性分离、富集和化学修饰电极的电化学检测相结合,构建以亚甲基蓝为嵌入式杂交指示剂的电化学DNA 生物传感器。
此传感器对碱基错配的序列有较好的选择性。
传感器对目标序列的响应在1 10-13~1 10-6m ol/L 范围内呈线性关系;检出限为4.3 10-14mo l/L 。
这种新型的高分子磁性纳米粒子电化学DNA 生物传感器具有高的灵敏度,其线性范围宽,成本低,为DNA 的痕量分析提供了一种新的思路。
关键词 电化学,脱氧核糖核酸,杂交,磁性纳米粒子,磁性分离富集,生物传感器 2008 06 20收稿;2008 09 03接受本文系国家自然科学基金(N os .20775027,20675031)和上海市纳米专项(N o .0652nm 006)资助项目*E m ai:l yzfang @che m.ec .cn1 引 言电化学生物传感器因其方法简便、灵敏度高、价格便宜等优点越来越受到广泛的关注[1~5]。
随着对电化学生物传感器的研究和应用的迅速发展,对其选择性、以及检测重现性等都提出了更高的要求。
目前提高检测灵敏度的方法主要有:利用PC R 扩增技术来弥补DNA 传感器灵敏度低的不足[6];通过化学修饰电极提高杂交指示剂在电极表面响应的灵敏度[7];用纳米材料作为固体基质增加探针的固定量[8]等。
高分子磁性纳米粒子是一种新型的亲和性固相载体,能够方便地将所需测定组分分离出来,并可有效地降低生物分子的非特异性吸附[9];国外有报道将磁性纳米粒子用于免疫分析,酶、基因、蛋白质固定,DNA 纯化,抗癌药物的运输等[10~12]。
W ang 等[10]开发出一种电化学基因磁性杂交检测装置,它是利用磁性分离以及酶标记放大的特性;Pa lecek 等[11]利用磁性纳米粒子开发出一种DNA 杂交的检测装置;Taton 等[13]研究发现纳米粒子功能化的寡聚核苷酸探针对DNA 杂交有很好的选择性。
本研究组在利用磁纳米粒子来提高DNA 检测的灵敏度方面进行了研究[14]。
本实验采用共沉淀的方法合成了一种表面羧基功能化的高分子磁性纳米粒子,应用于DNA 的固定、分离与富集,以亚甲蓝为杂交电化学指示剂,实现了靶寡聚核苷酸片段的检测。
检测过程中采用碳纳米管修饰电极,并用特制的电解池进行磁性富集,显著提高了检测灵敏度,为DNA 的痕量分析检测提供了良好的方法。
2 实验部分2.1 仪器与试剂以人体增殖基因PBGD (142~170号)作为探针序列:5 NH 2 CC TCC AGTGACTC AGC AC AGGTTC CCCAG 3 ;完全互补序列的DNA 目标序列:5 CTGGGGAACCTGTGCTGAGTC ACTGGAGG 3 ;3个碱基错配序列的DNA 目标序列:5 CTGGTGAACCTGTCCTCAGTCAC TGGAGG 3 ;非互补序列的DNA 目标序列:5 AACCCCTTAAACAAAATCAAGTGAATC AA 3 (上海申能博彩生物科技有限公司)。
EDC (美国S ig m a 公司);咪唑(江苏光耀化学公司)。
苯乙烯(S,t 上海试剂一厂),丙烯酸(AA,上海润捷化学试剂有限公司),二乙烯基苯(DVB ,上海化学试剂公司),以上试剂均经减压蒸馏;过氧化苯甲酰(BPO,上海东懿化学试剂公司);聚乙二醇4000第37卷2009年2月 分析化学(FENX I HUAXU E) 研究报告Ch i nese Journa l o f A na l y tica l Che m i stry 第2期169~173(PEG,上海浦东高南化工厂);无水乙醇(E t O H,上海云翔化工有限公司);Fe C l 3!6H 2O,FeSO 4!7H 2O,NH 3!H 2O (上海化学试剂公司);PBS 缓冲液(17.6g NaC l+0.2g KC l+1.15g N a 2H PO 4+0.2g KH 2PO 4,配成1000mL 溶液,p H 7.3);亚甲蓝(MB ,上海化学试剂厂);羧基化的多壁碳纳米管(MWNT -COOH )(南昌太阳纳米科技公司),直径:10~30nm,管长:1~10 m;水采用超纯水(艾科浦超纯化水机)。
C H I832电化学分析仪(美国C H I I nstr um en ts Inc .公司),自制电化学检测池;温控磁力搅拌器(HT Co .);501型超级恒温器(上海市实验仪器厂);M exus 670FT I R 红外光谱仪(美国N ico let 公司);JEOL 2010荧光透射电镜(美国GATAN M SC 794CCD Ca m era)。
2.2 实验方法2.2.1 电化学检测池的设计与制备 将玻碳(d =3mm )嵌入(5mm 5mm 1mm )PVC 材质底座中央为工作电极,与内部为倒椎体腔型高为2mm 相同材质的圆柱体组成电化学检测池,上下部分用螺丝旋紧,以免漏液。
采用三电极系统,其中铂对电极和Ag /AgC l 参比电极从上方插入溶液中;检测时可在电极下放置永久磁铁,使悬浮液中的磁纳米颗粒在磁场的作用下沉积在电极表面,达到富集的目的(见图1B)。
2.2.2 磁性高分子微球的制备 磁性Fe 3O 4纳米粒子的制备见参考文献[15]。
将10mL 新制备的磁性Fe 3O 4纳米粒子(0.05m ol/L)、3g PEG 、60mL E t O H 和10mL H 2O 混合,超声至PEG 完全溶解。
在N 2气氛保护下相继加入4m L S t 、4mL AA 、0.05m L DVB 和少量BPO (0.5g)。
机械搅拌10m i n ,升温到70∀,搅速300r /m i n ,反应9h ,得到棕黄色乳液。
磁性分离,并用无水乙醇反复浸洗,得棕黑色磁性聚苯乙烯粒子,平均粒径为20~30nm 。
电导滴定法测定该磁性纳米粒子表面的羧基含量为0.489mm o l/g 。
2.2.3 碳纳米管修饰电极的制备 玻碳电极用A l 2O 3微粒(粒径为0.05 m )磨至镜面,再分别用1.0m o l/L HNO 3、1.0m o l/L N a OH 和三次蒸馏水超声清洗5m in 。
将2 L MWNT COOH (0.2g /L)的水溶液均匀滴涂到处理好的玻碳电极表面,在空气中凉干。
置于PBS 中备用。
2.2.4 DNA 生物传感器的制备 在1.0mL 9.1m g /L 高分子磁性纳米粒子悬液中加入100 L 0.1m o l/L 的咪唑溶液室温下活化30m in 后,将1.0OD (33.0 g )的5 氨基修饰的ss DNA 探针和200 L 0.008m ol/L EDC 溶液加入到上述混合液中,室温下搅拌24h[16]。
通过磁性沉降,用PBS 洗涤至上清液中无ssDNA 存在后,贮于4∀冰箱中保存。
2.2.5 杂交与测试 在DNA 生物传感器悬浮液中加入一定量的目标核酸链,38∀下杂交40m in 后,用PBS 溶液洗涤数次;再加入一定量的杂交指示剂亚甲基蓝(M B)(C M B =1.03mm o l/L)5 L ,于38∀下缓慢搅拌10m in 后,用PBS 洗涤,将未嵌入的杂交指示剂亚甲基蓝除去。
然后,将溶液完全转移至自制的电解池中进行电化学检测。
实验过程见图1。
图1 DNA 生物传感器检测示意图F i g.1 Schema ti c representa ti on o f DNA b i osenso r preparati on and hybri d izati on (A )anddetection pattern (B)3 结果与讨论3.1 DNA 生物传感器的表征3.1.1红外光谱表征 将DNA 传感器的磁性纳米粒子的红外谱图(图2a)与单纯的高分子聚合物包裹170 分析化学第37卷的磁性纳米粒子红外谱图(图2b)相比,发现高分子聚合物包裹的磁性纳米粒子在1702c m -1的吸收峰消失;在1638c m -1处的吸收峰上升并位移至1645c m -1左右,此为酰胺键上的羰基C O 的伸缩振动峰;另外,在1076和1155c m -1上分别出现两个较强的吸收峰,代表C H 2O P的伸缩振动;这表明图2 高分子聚合物包裹的磁性纳米粒子(a)和DNA 探针(b)的红外光谱图F i g .2 I R spectra of po l ym er coated m agne tic nanopa rtic l es(a)and DNA probe(b)寡聚核苷酸探针序列已被固定到高分子磁性纳米粒子表面。
3.1.2 荧光标记核酸序列表征 为了进一步证实所制备DNA 传感器的有效性,分别将标记有荧光基团的寡聚核苷酸链直接固定到高分子磁性纳米粒子表面(图3A),或将标记有荧光基团的寡聚核苷酸互补链与DNA 传感器杂交(图3B )。
在荧光显微镜下可观察到固定了荧光标记核苷酸序列的磁性粒子有明显的荧光信号(A 2);而与标记荧光基团的互补DNA 序列杂交后的DNA 传感器(B 2)也有明显的荧光信号。
A 2和B 2都发射较强的荧光,进一步证明了本研究所采用的DNA 固定方式是可行的。
图3 (A )直接固定荧光标记ss DNA 的磁性纳米粒子透射电镜图(A 1)和荧光显微镜图(A 2);(B )DNA探针与荧光标记互补ss DNA 杂交后的透投射电镜图(B 1)和荧光显微镜图(B 2)F i g .3 (A )TE M (A 1)and fl orescentm icroscope (A 2)i m ages of m agnetic nanoparticles i m m obilized w it h fl uossDNA;(B )TE M (B 1)and florescent m icroscope (B 2)i m ages o f DNA probe hybr i diza ti on w it h fl uo ss DNA3.2 碳纳米管修饰电极对亚甲基蓝的电化学响应的表征在较高的离子强度下,亚甲基蓝M B 与DNA 的作用以嵌入方式为主[17]。
由MB 在修饰电极上响应图4 M B 在MWNT s 修饰电极(a)和裸玻碳电极(b)上的DPV 图,c M B =1 10-6mo l/L ,p H 7.3F ig .4 DPV plots of m ethylene b l ue (M B )at MW NT s COOH C M E (a )and bare GCE (b ),c M B =1 10-6m o l/L,p H 7.3的峰电流(a )要明显地高于裸电极(b),且峰电位由-0.238V 移至-0.220V(图4)可知,M C NT s 修饰电极对MB 的还原具有良好的催化作用。
