CN104391018A

CN104391018A - 三维dna纳米结构、电化学生物传感器及其制备方法和应用

Info

Publication number: CN104391018A
Application number: CN201410566537.4A
Authority: CN
Inventors: 盛庆林; 刘江涛; 张赛; 武倩; 聂菲; 郑建斌
Original assignee: Northwest University
Current assignee: Northwest University
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2034-10-22
Also published as: CN104391018B

Abstract

本发明涉及三维DNA纳米结构、电化学生物传感器及其制备方法和应用。所述三维DNA纳米结构为六面体结构，且所述六面体结构可通过与不同目标分子相结合而发生结构转变并导致电化学信号转变。所述三维DNA纳米结构单元底面四个顶点通过自组装作用固载在金电极表面。本发明将该DNA纳米结构组装在电极表面构置了新型电化学生物传感器，六面体结构的DNA具有高特异性识别目标分子和高稳定性的特性，提高了电化学生物传感器的分析性能；本发明所构置的电化学生物传感器可通过替换DNA链实现凝血酶、溶菌酶等不同待测物的检测，应用范围广泛。

Description

三维DNA纳米结构、电化学生物传感器及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种三维DNA纳米结构、基于所述三维DNA纳米结构的电化学生物传感器及其制备方法和应用。

背景技术

DNA电化学生物传感器是一种利用DNA分子卓越的自组装和识别能力，由固定化的生物敏感材料核酸作识别元件与电极及信号放大装置构成的分析工具或系统。由于其具有灵敏度高、成本低、易于微型化等特点已成为目前分析化学研究中最活跃的领域之一。然而，采用一维(单链DNA)或二维结构(如发夹结构)DNA作为识别元件，其传感界面的均一性在制备过程中难以得到有效控制，尤其是其稳定性仍不高，因而影响了传感器分析特性的提高以及在实际检测中的应用前景。三维结构DNA探针由于具有高结构稳定性和刚性，能在电极表面实现精确的纳米构筑，因而可以有效提高DNA探针在表面分布排列的均一性，精确调控探针之间的距离，为具有优异分析特性的新型生物传感平台的功能设计注入了新的活力，并成为电分析发展的最前沿。

为了实现基于三维DNA纳米结构的生物传感界面的构筑，首先需要建立高特异性、高稳定性的三维DNA纳米结构，而组装效率和结构稳定性是该研究中的关键因素之一。

研究发现，组装效率会随着目标结构的尺寸降低而增加，四面体结构的组装效率可达90％，而十二面体的组装效率降低为76％，对于巴克球结构其组装效率仅69％，表明形成三维DNA的结构越复杂就需要越多的结节，且组装效率也相应降低。若利用一条由286个核苷酸组成的DNA链在体组装成为具有四面体结构的DNA纳米结构，可简化组装过程并消除了配比影响，从而提高了三维DNA的组装效率，并具有易扩增、易制备、稳定性高等特点。

最近，人们发现利用DNA组装形成的机械强度与结构稳定性高的“金字塔”状DNA四面体结构非常适用于将生物分子固定在电极表面，从而构建新型生物传感界面，并且组装效率也提高至85％。

然而，一个理想的分析体系，不仅应该具有高灵敏的优点，还应该具有可控的功能以实现复杂体系中高选择性检测、高稳定性的优点。与基于一维和二维DNA纳米结构的生物传感器相比，虽然一维和二维DNA纳米结构DNA序列在识别目标物时具有很高的特异性，但仍非常容易受到剩余序列部分的背景干扰、核酸降解以及非特异性建合等干扰，尤其是针对复杂生物环境下的基因检测。

发明内容

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的目的之一是提供一种三维DNA纳米结构。

为此，本发明的三维DNA纳米结构，其P1、P2、P3和P4四条链，其中：

5'端到3'端P1链的组成为：P1标记碳链、P1骨架DNA序列、P1非目标识别DNA序列、P1转角DNA序列、目标一识别DNA序列、P1电化学标记DNA序列；

5'端到3'端P2链的组成为：P2标记碳链、P2骨架DNA序列、与目标二识别DNA序列杂交的DNA序列、P2转角DNA序列、与P1非目标识别DNA序列杂交的DNA序列、P2电化学标记DNA序列；

5'端到3'端P3链的组成为：P3标记碳链、P3骨架DNA序列、与目标一识别DNA序列杂交的DNA序列、P3转角DNA序列、P3非目标识别DNA序列、P3电化学标记DNA序列；

5'端到3'端P3链的组成为：P4标记碳链、P4骨架DNA序列、与P3非目标识别DNA序列杂交的DNA序列、P4转角DNA序列、目标二识别DNA序列、P3电化学标记DNA序列；

所述P1、P2、P3和P4四条链之间匹配连接组成三维六面体DNA纳米结构。

优选的，所述P1标记碳链、P2标记碳链、P3标记碳链、P4标记碳链均为HS-C6；

所述P1、P2、P3和P4四条链的骨架DNA序列均为4～30个A或T碱基，且四条链的骨架DNA序列相同；

所述目标一识别DNA序列为对待测物一具有特异性识别的适体链，其长度为15～60个碱基构成；

所述目标二识别DNA序列为对待测物二具有特异性识别的适体链，其长度为15～60个碱基构成；

所述P1转角DNA序列、P2转角DNA序列、P3转角DNA序列、P4转角DNA序列均由2～4个A或T碱基构成，四条链的转角DNA序列相同或不同；

所述P1非目标识别DNA序列为15～60个碱基；

所述P3非目标识别DNA序列为15～60个碱基；

P1非目标识别DNA序列与P3非目标识别DNA序列相同或不同；

所述四条链的电化学标记DNA序列为二茂铁DNA序列、联吡啶钌DNA序列、亚甲基蓝DNA序列、过氧化物酶DNA序列或葡萄糖氧化酶DNA序列，且四条链的电化学标记DNA序列相同或不同。

上述三维DNA纳米结构的制备方法，该制备方法包括：

将含有P1链、P2链、P3链、P4链、氯化镁和氯化钠的混合溶液置于75～95℃条件下处理适当时间后，再在4℃条件下处理适宜的时间得到六面体DNA纳米结构。

优选的，混合溶液中P1链的浓度均为0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1；P2链的浓度均为0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1；P3链的浓度均为0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1；P4链的浓度均为0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1；四条链的浓度相同或不同，氯化镁的浓度为10～50.0mM；氯化钠的浓度为0.1～0.5M75～95℃条件下处理30秒～2分钟，4℃条件下处理5秒～30秒。

针对现有技术的缺陷或不足，本发明的又一目的是提供一种基于三维DNA纳米结构的电化学生物传感器的制备方法。

为此，本发明提供的基于三维DNA纳米结构的电化学生物传感器的制备方法包括：将金电极置于权利要求1-2中任一权利要求所述六面体DNA纳米结构的溶液中，避光条件下反应后得到电化学生物传感器。

优选的，将金电极置于上述含有0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1的六面体DNA纳米结构的溶液中，避光震荡条件下反应一段0.5-10小时，用含有0.1～0.5M NaCl的10.0mM、pH 7.4的TE缓冲液淋洗后即得到电化学生物传感器。

本发明所使用的金电极为内径1mm的金盘电极，电极表观面积约为0.785mm²。

具体的，所述四条P1、P2、P3和P4DNA链分别为：

P1：

5'-HS-C6-TTTTTTTTTTTTTATCACCAGGCAGTTGATTGGTTGGTGTGGTTGGTTT-Fc-3’；

P2：

5'-HS-C6-TTTTTTTTTTTTCTAAGTAACTCTGCACTCTTTAGCCCTGATTTTCAACTGCCTGGTGATATTT-Fc-3’；

P3：

5'-HS-C6-TTTTTTTTTTTTCCAACCACACCAACCTTTTCAGACTTAGGAATGTTTT-Ru(bpy)₃ ²⁺-3’；

P4：

5'-HS-C6-TTTTTTTTTTTTACATTCCTAAGTCTGAATTATCAGGGCTAAAGAGTGCAGAGTTACTTAGTTT-Ru(bpy)₃ ²⁺-3’；

本发明的另一目的是提供上述方法制备的电化学生物传感器用于检测凝血酶和溶菌酶的应用，该应用包括：

电解液为0.1M的PBS溶液，循环伏安图的测量设定扫速为50mV·s^–1，电化学微分脉冲伏安图谱的测量设定脉冲宽度0.02s，脉冲高度0.04V，脉冲周期0.1s。电位范围为–0.2～1.3V。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明构置了具有刚性结构的六面体形状DNA纳米结构，且DNA纳米结构通过四个巯基固载在电极表面，大大提高了所制备的传感器的稳定性，识别层结构有序以及空间可控的特点还提高了传感器的灵敏度和选择性；同时与传统DNA传感器相比，本发明基于三维DNA纳米结构所构置的传感器具有灵敏度高、选择性好和稳定性高的特点。

(2)本发明制备的DNA纳米结构可通过对凝血酶、溶菌酶等目标物的识别，进行六面体结构的转变，因而所构置的传感器具有高特异性的特点；还可通过将制备的DNA纳米结构组装在纳米金、石墨烯等纳米材料表面，有利于修饰分子在电极表面的大量固定，有效增加信号分子与工作电极之间的电子传递速率，从而构置出高性能电化学生物传感器。

(3)本发明应用范围广泛，可通过替换与不同目标分析物识别的DNA链、标记分子以及酶等标记物，构置出不同传感器，可用于凝血酶、溶菌酶等不同被分析物的检测。

附图说明

图1为四条链P1、P2、P3和P4的组装图；

图2为六面体DNA纳米结构和电化学生物传感器的组装图；

图3为实施例1的六面体DNA纳米结构TEM图；

图4为实施例2的六面体DNA纳米结构在金电极表面组装AFM图；

图5为实施例3的电化学传感器对应于凝血酶、溶菌酶传感过程的循环伏安对照图；

图6为实施例3的电化学传感器对应于凝血酶传感过程的微分脉冲伏安图；

图7为实施例3的电化学传感器对应于溶菌酶传感过程的微分脉冲伏安图；

图8为实施例3的电化学传感器对应于凝血酶、溶菌酶传感过程的微分脉冲伏安图；

图9为实施例3的电化学生物传感器用于凝血酶、溶菌酶测定的线性关系图；

图10为实施例4的电化学生物传感器用于实际样品中凝血酶测定的柱状图；

图11为实施例4的电化学生物传感器用于实际样品中溶菌酶测定的柱状图。

具体实施方式

本发明的六面体DNA纳米结构的构成由四条DNA链通过碱基互补配对作用结合而成，每条DNA链的组成结构单元均由六部分构成：

序列(1)标记碳链；

序列(2)骨架DNA序列；

序列(3)目标识别适体DNA序列(或适体匹配DNA序列)；

序列(4)转角DNA序列；

序列(5)非目标识别DNA序列(或非目标识别匹配DNA序列)；

序列(6)电化学标记DNA序列。

其中：

序列(1)优选HS-C6；巯基标记碳链是DNA进行修饰的一种方法，可由生物公司合成；将DNA进行巯基标记可使DNA能通过-SH(巯基)与金电极(Au)之间形成Au-S键，从而将DNA组装在电极表面。

序列(2)可由4～30个A或T碱基作为构成六面体DNA的骨架序列，设计原则是与其它DNA序列发生杂交的比率要低；

序列(3)要选择对待测物具有高特异性识别的适体链，其长度由待测物决定，可由15～60个碱基构成(适体DNA序列确定后，其匹配序列即可确定)；

序列(4)转角DNA序列可由2～4个A或T碱基构成；

序列(5)非目标识别DNA序列可随机选择，设计原则是与其它DNA序列发生杂交的比率要低，其长度可为15～60个碱基(非目标识别匹配DNA序列确定后，其匹配序列即可确定)；

序列(6)电化学标记可选择具有良好电化学响应的物质作为标记物，例如二茂铁、联吡啶钌、亚甲基蓝、过氧化物酶、葡萄糖氧化酶等，DNA序列通常可由2～4个A或T碱基构成，电化学标记DNA是使DNA结构的变化能通过电化学方法进行检测的一种方法，标记的物质本身具有氧化还原活性，从而通过标记物质的电化学响应实现检测。

本发明四条链中的巯基标记碳链保持一致是为了防止链与链之间形成杂交而影响结构准确性的一种方式，一般都设计成一致的。

本发明四条链中骨架DNA序列也是为了防止链与链之间形成杂交而影响结构准确性。

本发明四条链中电化学标记DNA序列保持一致是为了降低非特异性杂交的发生。

将按上述原则设计的四条DNA链按合适的比例混合时，例如1:1:1:1的摩尔比例，每条DNA链中的适体DNA序列和非目标识别DNA序列就会与DNA链中的适体匹配DNA序列和非目标识别匹配DNA序列发生杂交，形成三维DNA纳米结构。

在制备生物传感器时，4个标记末端同时与金电极通过金-标记末端结合在电极表面时，即形成六面体DNA纳米结构。

以可用于识别凝血酶和溶菌酶的电化学生物传感器构置为例，DNA序列为P1、P2、P3和P4，其中P1和P2两条核苷酸链为钌联吡啶标记，另两条P3和P4为二茂铁标记。四条链的序列构成参见表1。

以下是发明人提供的具体实施例，以帮助公众对本发明的技术方案作详细理解。

实施例1：

该实施例为六面体纳米结构的制备：

将等摩尔质量的四条DNA链(P1、P2、P3和P4，四条链的序列如表1所示)，四条链的浓度为5.0×10^–6mol·L^–1，加入到含有10mM MgCl₂和0.1M NaCl的20.0mM TE(pH 8.0)缓冲液中，混合均匀后置于95℃水浴中30秒，然后转入到4℃水浴中30秒，即得到六面体DNA纳米结构。

如图1和2所示，六个面中各个边分别由表1中的1-9序列构成，其中，a，b，c，d边相同，对应于表1中1，2序列；e边对应于表1中3和3’序列；f边对应于表1中5和5’序列；g边对应于表1中7和7’序列；h边对应于表1中8和8’序列。

将得到的DNA纳米结构用TEM表征，所制得的六面体结构DNA如图3中A图所示；当电镜照射时间延长，如图3中B图所示，DNA纳米结构由于被分解而逐渐消失，从而在电镜图中形成空白斑点。

实施例2：

该实施例为生物传感器的制备：

(1)将金电极分别用0.3μm和0.05μmγ-Al₂O₃粉将其打磨至光滑镜面，用去离子水仔细冲洗干净后，将电极置于H₂SO₄/H₂O₂(3:1)的混合液中，超声洗涤5分钟，再依次用乙醇和去离子水各超声洗涤5分钟，最后用氮气吹干备用。

(2)如图2所示，将处理后的金电极置于实施例1制得的含有六面体DNA纳米结构的溶液中，避光震荡条件下反应10小时，通过-SH(巯基)与金电极(Au)之间形成Au-S键，从而将DNA组装在电极表面，用缓冲液淋洗后即得到电化学生物传感器。

电极表面采用AFM进行形貌表征，如图4所示，DNA纳米结构均匀的组装在金电极表面。

实施例3：

该实施例是利用实施例2得到的电化学生物传感器检测凝血酶、溶菌酶：

图2下方所示的三个金电极分别表示：六面体结构DNA修饰金电极对应于待测溶液中仅含有凝血酶、同时含有凝血酶和溶菌酶、仅含有溶菌酶时，DNA纳米结构在电极表面结构的变化。

检测1：将实施例2制得的电极置于含有5.0×10^–10mol·L^–1的待测物凝血酶的溶液中，反应一段时间后，将电极转移至空白缓冲溶液中，记录其电化学信号。电化学循环伏安图谱的测量在含有0.1M的PBS溶液中进行，扫速50mV·s^–1，电位范围为–0.2～1.3V，当体系中未加入待测物质时，循环伏安曲线出现两对氧化还原峰(图5曲线a)，一对峰电位为0.25V，另一对峰电位为1.03V。

检测2：将实施例2制得的电极置于含有5.0×10^–10mol·L^–1的待测物溶菌酶的溶液中，反应一段时间后，将电极转移至空白缓冲溶液中，记录其电化学信号；当向体系中加入凝血酶时，循环伏安曲线中峰电位为0.25V的峰消失，峰电位为1.03V的峰保持不变(图5曲线b)；当向体系中加入溶菌酶时，循环伏安曲线中峰电位为1.03V的峰消失，峰电位为0.25V的峰保持不变(图5曲线c)；

检测3：将实施例2制得的电极置于含有5.0×10^–10mol·L^–1的溶菌酶和5.0×10^–10mol·L^–1的凝血酶的待测溶液中，反应一段时间后，将电极转移至空白缓冲溶液中，记录其电化学信号。若同时将凝血酶、溶菌酶加入到体系中，两对氧化还原峰均消失(图5曲线d)。

电化学微分脉冲伏安图谱的测量在含有0.1M的PBS溶液中进行，脉冲宽度0.02s，脉冲高度0.04V，脉冲周期0.1s。

检测4：图6所示为实施例2制得的传感器在含有5.0×10^–12mol·L^–1凝血酶的0mol·L^–1、5.0×10^–13mol·L^–1、5.0×10^–12mol·L^–1、5.0×10^–11mol·L^–1、5.0×10^–10mol·L^–1、5.0×10^–9mol·L^–1溶菌酶溶液中反应后获得的微分脉冲伏安图(按该段所述浓度顺序依次为图6曲线a～g)。

检测5：图7所示为实施例2制得的传感器在含有5.0×10^–12mol·L^–1溶菌酶的0mol·L^–1、1.0×10^–13mol·L^–1、5.0×10^–13mol·L^–1、8.0×10^–13mol·L^–1、1.0×10^–12mol·L^–1、5.0×10^–12mol·L^–1、1.0×10^–11mol·L^–1、5.0×10^–11mol·L^–1、5.0×10^–10mol·L^–1、5.0×10^–9mol·L^–1凝血酶溶液中的微分脉冲伏安图(按该段所述浓度顺序依次为图7曲线a～j)。

检测6：图8为实施例2制得的传感器对于含有0mol·L^–1、2.0×10^–13mol·L^–1、5.0×10^–13mol·L^–1、1.0×10^–12mol·L^–1、5.0×10^–12mol·L^–1、1.0×10^–11mol·L^–1、5.0×10^–11mol·L^–1、1.0×10^–10mol·L^–1、5.0×10^–10mol·L^–1凝血酶、溶菌酶同时检测的微分脉冲伏安图(按该段所述浓度顺序依次为图8曲线a～i)。

图9为传感器对于凝血酶、溶菌酶检测的线性关系图，线性范围均为2.0×10^–13～5.0×10^–10mol·L^–1，检出限为7×10^–14mol·L^–1(S/N＝3)。

实施例4：

将实施例1制得的传感器应用于实际样品中凝血酶、溶菌酶的测定，见图10和图11，分别将可卡因加入到20％、50％的血样中，采用电化学法进行了测定。结果表明，实际样品中的复杂组分不会干扰凝血酶、溶菌酶的测定，可应用于血样中凝血酶、溶菌酶的检测。

Claims

1.一种三维DNA纳米结构，其特征在于，其包括P1、P2、P3和P4四条链，其中：

5′端到3′端P1链的组成为：P1标记碳链、P1骨架DNA序列、P1非目标识别DNA序列、P1转角DNA序列、目标一识别DNA序列、P1电化学标记DNA序列；

5′端到3′端P2链的组成为：P2标记碳链、P2骨架DNA序列、与目标二识别DNA序列杂交的DNA序列、P2转角DNA序列、与P1非目标识别DNA序列杂交的DNA序列、P2电化学标记DNA序列；

5′端到3′端P3链的组成为：P3标记碳链、P3骨架DNA序列、与目标一识别DNA序列杂交的DNA序列、P3转角DNA序列、P3非目标识别DNA序列、P3电化学标记DNA序列；

5′端到3′端P3链的组成为：P4标记碳链、P4骨架DNA序列、与P3非目标识别DNA序列杂交的DNA序列、P4转角DNA序列、目标二识别DNA序列、P3电化学标记DNA序列；

2.如权利要求1所述的三维DNA纳米结构，其特征在于，

所述P1标记碳链、P2标记碳链、P3标记碳链、P4标记碳链均为HS-C6；

所述P1转角DNA序列、P2转角DNA序列、P3转角DNA序列、P4转角DNA序列均由2～4个A或T碱基构成，且四条链的转角DNA序列相同；

所述P1非目标识别DNA序列为15～60个碱基；

所述P3非目标识别DNA序列为15～60个碱基；

P1非目标识别DNA序列与P3非目标识别DNA序列相同；

所述四条链的电化学标记DNA序列为二茂铁DNA序列、联吡啶钌DNA序列、亚甲基蓝DNA序列、过氧化物酶DNA序列或葡萄糖氧化酶DNA序列，且四条链的电化学标记DNA序列相同。

3.如权利要求1所述的三维DNA纳米结构，其特征在于：

所述四条P1链、P2链、P3链和P4链序列分别为：

P1：

5′-HS-C6-TTTTTTTTTTTTTATCACCAGGCAGTTGATTGGTTGGTGTGGTTGGTTT-Fc-3’；

P2：

5′-HS-C6-TTTTTTTTTTTTCTAAGTAACTCTGCACTCTTTAGCCCTGATTTTCAACTGCCTGGTGATATTT-Fc-3’；

P3：

5′-HS-C6-TTTTTTTTTTTTCCAACCACACCAACCTTTTCAGACTTAGGAATGTTTT-Ru(bpy)₃ ²⁺-3’；

P4：

5′-HS-C6-TTTTTTTTTTTTACATTCCTAAGTCTGAATTATCAGGGCTAAAGAGTGCAGAGTTACTTAGTTT-Ru(bpy)₃ ²⁺-3’。

4.如权利要求1所述的三维DNA纳米结构的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：

5.如权利要求4所述的三维DNA纳米结构的制备方法，其特征在于，

混合溶液中P1链的浓度均为0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1；P2链的浓度均为0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1；P3链的浓度均为0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1；P4链的浓度均为0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1；四条链的浓度相同或不同，氯化镁的浓度为10～50.0mM；氯化钠的浓度为0.1～0.5M；

75～95℃条件下处理30秒～2分钟，4℃条件下处理5秒～30秒。

6.一种电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：

将金电极置于权利要求1-3中任一权利要求所述六面体DNA纳米结构的溶液中，避光条件下反应后得到电化学生物传感器。

7.如权利要求6所述的电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括：将金电极置于上述含有0.1×10^–6mol·L^–1～5.0×10^–6mol·L^–1的六面体DNA纳米结构的溶液中，避光震荡条件下反应一段0.5-10小时，用含有0.1～0.5M NaCl的10.0mM、pH 7.4的TE缓冲液淋洗后即得到电化学生物传感器。

8.如权利要求7所述的电化学生物传感器的制备方法，其特征在于，所述金电极为内径是1mm的金盘电极，电极表观面积为0.785mm²。

9.如权利要求6所述的电化学生物传感器的制备方法，其特征在于：

所述四条P1链、P2链、P3链和P4链序列分别为：

P1：

5′-HS-C6-TTTTTTTTTTTTTATCACCAGGCAGTTGATTGGTTGGTGTGGTTGGTTT-Fc-3’；

P2：

P3：

P4：

10.权利要求9所述制备方法制备的电化学生物传感器用于检测凝血酶和溶菌酶的应用，其特征在于，该应用包括：

电解液为0.1M的PBS溶液，循环伏安图的测量设定扫速为50mV·s^–1，电化学微分脉冲伏安图谱的测量设定脉冲宽度0.02s，脉冲高度0.04V，脉冲周期0.1s，电位范围为–0.2～1.3V。