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DNA电化学传感器的构建及其应用研究

作　者: 张曦元
导　师: 李念兵
学　校: 西南大学
专　业: 物理化学
关键词: 电化学传感器 DNA片段 i-motif pH 银离子
分类号: TP212.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

DNA电化学传感器结合了电分析化学与分子生物学,是一种全新的生命科学研究方法,并在生命科学领域引起了广泛关注。DNA电化学传感器既具有电分析化学的特点,又具有生物分子间的特异性亲和能力和对目标物的特定识别能力,因此实现了对目标物高灵敏高选择地检测。由于DNA电化学传感器具有简便、快速、灵敏、成本低的特点,近年来,它在食品安全、环境检测、药物研究和临床医学等多个领域有着广泛的应用前景,具有重要的研究和应用价值。本文采用电化学阻抗和差分脉冲技术,构建了三种DNA电化学传感器。主要研究工作如下：1、基于辅助探针构建灵敏免标记的阻抗DNA传感器利用固定在捕获探针旁的辅助探针,采用电化学交流阻抗为检测方法,建立了一种高灵敏、免标记的电化学DNA传感器。该传感器是由5’端标记巯基的捕获探针、3’端标记巯基的辅助探针,以及无标记的指示探针三条单链DNA构成,采用巯基己醇封闭非特异性结合位点。利用交流阻抗法研究了电极制备、DNA杂交和目标物检测的变化过程。探讨了辅助探针对传感器提高灵敏度的效果,对比了有辅助探针的传感器和无辅助探针的传感器检测相同目标物的灵敏度。实验表明,辅助探针能够有效地放大检测信号,提高传感器的灵敏度。由于DNA带有负电荷,随着电极表面DNA的增多,电极表面负电荷增多,对带有负电荷探针的排斥力增强,因此,电信号逐渐增强。由于辅助探针相当于固定剂,使指示探针靠近并牢牢固定在电极表面。加入目标DNA后,电极表面的负电荷不仅增多了,而且电极表面的DNA结构发生变化,增大了电极表面的空间位阻,有效地阻碍了电极表面和电解液间的电子转移,电信号显著增强。结果表明,阻抗的增量与目标DNA浓度呈良好的线性关系(R2=0.9972)该传感器具有较宽的线性范围(0.1nM-0.5μM)和较高的灵敏度(6.3pM)。本研究为构建DNA传感器提供了新的方法。2、以结晶紫作为i-motif结构探针,构建可逆免标记的电化学pH传感器采用结晶紫作为i-motif结构的选择性探针和信号指示剂,建立了一种简单的电化学pH传感器。巯基修饰的富-C碱基ssDNA通过金-硫键固定在电极表面构成了电化学转换器。结晶紫属三苯甲烷类染料,具有良好的电化学性质,由于三个苯环的π-π共轭作用,使其能与i-motif结构结合。通过结晶紫的电化学行为,研究i-motif构型随pH的变化,在酸性溶液中,由于i-motif结构的形成,结晶紫能接近电极表面而产生明显的信号。在中性或碱性溶液中,i-motif结构解离成单链,使结晶紫离开电极表面,产生弱的信号。在pH值为4.6-7.3范围内,峰电流值与检测溶液pH值呈现较好的线性关系(R=0.989)。该pH传感器具有简单、灵敏、选择性较高和可逆性较好的优点。3、选择性检测Ag+和半胱氨酸的免标记电化学传感器的研制利用Ag+与C-C碱基对的选择性结合和Ag+与半胱氨酸(Cys)的较强结合作用,以[Fe(CN)6]3-/4-为指示剂,建立检测Ag+和Cys的电化学传感器。以5’端标记巯基的富含胞嘧啶的单链核苷酸(Crich ssDNA)作为捕获探针,通过金硫作用固定在电极表面构成了电化学传感器。采用交流阻抗法、循环伏安法研究了电极制备和目标物检测的变化过程。由于Ag+能与C-C错配碱基对特异性结合形成C-Ag+-C碱基对,加入Ag+使C-rich ssDNA形成发卡结构,发卡结构能够有效增大电极表面的空间位阻,有效地减少电子转移,阻抗随着Ag+浓度而增大。实验表明,Ag+浓度在0.5nM-3.0μM范围内,阻抗的增量与Ag+浓度的对数呈现良好的线性关系(R2=0.9988)。由于Ah+和Cys间存在强烈的相互作用,Cys能将Ag+从C-Ag+-C碱基对中夺取出来。因此,阻抗随着Cys浓度增大而减小。Cys浓度在0.5nM-1.0μM范围内,阻抗的减量与Cys浓度的对数呈现良好的线性关系(R2=0.9809)。该方法具有简单、灵敏、选择性好的优点。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
Part Ⅰ Introduction  10-34
  1. Introduction of electrochemical biosensor  10-12
    1.1 The properties of deoxyribonucleic acid  10-11
    1.2 The theory of electrochemical biosensor  11
    1.3 The classification of electrochemical biosensor  11-12
  2. The study of DNA-based electrochemical sensor for analysis and testing  12-22
    2.1 The assay of DNA-based electrochemical sensor for detection of DNA sequence  12-18
      2.1.1 Electrochemical-active indicator labeled DNA-based electrochemical sensors  12-15
      2.1.2 Gold nanoparticles labeled DNA-based electrochemical sensors  15-16
      2.1.3 Quantum dots labeled DNA-based electrochemical sensors  16
      2.1.4 Enzymes labeled DNA-based electrochemical sensors  16-17
      2.1.5 Label-free DNA-based electrochemical sensors  17-18
    2.2 The assay of DNA-based electrochemical sensor for detection of heavy metal ions  18-21
      2.2.1 DNA-based electrochemical sensors for detection of Ag~+ and Hg~(2+) based on metal-mediated base pairs  19
      2.2.2 DNA-based electrochemical sensors for detection of Pb~(2+)  19-21
    2.3 Other assays of DNA-based electrochemical sensors  21-22
      2.3.1 DNA-based electrochemical sensing for the assay of DNA methyltransferase and inhibitor screening  21
      2.3.2 DNA-based electrochemical sensing for detection of pH  21-22
  3. The significance of this study  22-23
  References  23-34
Part Ⅱ Main research works  34-78
  1. A sensitive and label-free impedimetric biosensor based on an adjunct probe  34-52
    1.1 Introduction  34-36
    1.2 Experimental  36-38
      1.2.1 Chemicals and reagents  36-37
      1.2.2 Apparatus  37
      1.2.3 Fabrication of the biosensor  37-38
    1.3 Results and discussion  38-46
      1.3.1 Design strategy of adjunct probe-aided electrochemical impedance biosensor  38-39
      1.3.2 Effect of adjunct probe concentration  39-40
      1.3.3 Optimization of hybridization time  40
      1.3.4 Characterization of the electrochemical impedance biosensor  40-42
      1.3.5 Improved sensitivity by the adjunct probe  42-43
      1.3.6 Detection of target DNA with electrochemical impedance biosensor  43-44
      1.3.7 Selectivity of the biosensor  44-45
      1.3.8 Analytical application of the biosensor  45-46
    1.4 Conclusions  46-47
    References  47-52
  2. Crystal violet as an i-motif structure probe for reversible and label-free electrochemical pH sensor  52-66
    2.1 Introduction  52-54
    2.2 Experimental section  54-55
      2.2.1 Reagents  54
      2.2.2 Apparatus  54-55
      2.2.3 Fabrication and preparation of the electrochemical pH sensor  55
      2.2.4 Electrochemical measurements of pH sensor  55
    2.3 Results and discussion  55-62
      2.3.1 Design strategy of the electrochemical pH sensor  55-57
      2.3.2 Opitmizaiton of condiitons  57-59
      2.3.3 Differential pulse voltammetry tests of pH sensor in different pH buffers  59-61
      2.3.4 Reversibility and selectivity of pH sensor  61-62
    2.4 Conclusions  62-63
    References  63-66
  3. A simple electrochemical biosensor for detection of silver(Ⅰ) ions and cysteine based on the label-free cytosine-rich ssDNA  66-78
    3.1 Introduction  66-67
    3.2 Experimental section  67-69
      3.2.1 Reagents  67-68
      3.2.2 Apparatus  68
      3.2.3 Fabrication of the biosensor  68-69
      3.2.4 Ag~+ detection  69
      3.2.5 Cys detection  69
    3.3 Results and discussion  69-74
      3.3.1 Design strategy of the electrochemical biosensor  69-70
      3.3.2 Characterization of the electrochemical impedance biosensor  70-72
      3.3.3 Sensitivity and selectivity of biosensor for detection of Ag~+  72-73
      3.3.4 Sensitivity and selectivity of biosensor for detection of Cys  73-74
    3.4 Conclusions  74-75
    References  75-78
Part Ⅲ Conclusions and outlook  78-80
Appendix:Paper published during the graduate  80-82
致谢  82

DNA电化学传感器的构建及其应用研究

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