CN112881473B - 一种可插层识别阿霉素的dna单分子器件及其应用 - Google Patents

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    • G01N27/06—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid

Abstract

本发明公开了一种可插层识别阿霉素的DNA单分子器件及其应用。本发明的一种可插层识别阿霉素的DNA单分子器件，DNA单分子器件以单链DNA分子作为识别元件，其序列为ACGCGCGT，3’端修饰有巯基。本发明利用STM‑BJ技术检测插层DOX与未插层DOX的DNA分子结的电导变化从而来实现对DOX的识别。本专利是利用DNA分子所具有的序列和长度可定制、分子结构易进行化学修饰等特点，设计和构筑出对于药物分子具有识别和检测能力的DNA分子结,为后续研发出基于DNA分子结的高特异性、高灵敏度的生物检测原型器件提供一种新型策略。

Description

一种可插层识别阿霉素的DNA单分子器件及其应用
技术领域
本发明涉及分子电子学技术领域，尤其涉及一种可插层识别阿霉素的DNA单分子器件及其应用。
背景技术
经历多年的发展，现阶段的超大规模集成电路的发展面临着极大的挑战。在市场对缩减硅芯片尺寸和提升电路集成度的不断要求下，强电场、热耗散和量子效应等问题变得尤为突出。制造上的困难无法被突破，这成为基于硅的电子学难以逾越的技术障碍，摩尔定律也会遇到瓶颈。为在电子器件和集成电路上做出实质性突破，科学家们开始跳出“自上而下(Top-down)”的固有思维，转而从“自下而上(Bottom-up)”的模式思考问题，分子电子学由此孕育而生[2]。而尺寸在0.5和3nm之间的分子，拥有丰富的电子、光、磁、热电、机电和分子识别性能，是硅CMOS装置的理想替代者。
众所周知，DNA是染色体的重要组成部分，储存有生物代系之间传递的遗传信息。DNA分子又因其独特结构而具有很多特性：它是一种理想的自组装体系，通过基团的修饰或是结构的设计，容易组装出满足需要的分子片段。DNA分子又具有很好的延展性，其持久长度可以达到50nm，因此甚至可以充当“飞线”，承担起对分子电路的修复和改造功能。典型的DNA分子的直径约为2nm，与分子器件的尺寸相契合。因此，DNA分子可以作为一种构筑单分子器件的材料。随着微纳米加工技术的快速发展，科研者已经能够制备出与DNA分子的长度相匹配的纳米间隔电极对。利用纳米间隔电极对，研究者可以方便地构筑形如电极—DNA分子—电极的分子结，从而把DNA分子接入到宏观的电学测试装置中，进而开展DNA分子电输运性质的相关研究。
DNA又是许多临床癌症药物的主要分子靶标，药物分子作用于DNA可以在基因水平上破坏特定的基因表达，用于治疗病原性疾病，尤其是癌症和病毒性疾病。阿霉素(Doxorubicin，DOX)作为一种抗生素类药物，是蒽环类抗癌药物家族的一员，广泛应用于多种恶性肿瘤的临床治疗，对固体和液体肿瘤的癌细胞杀伤效果显著。作为一种DNA插入剂，DOX包含三个功能区域，一是插入在dsDNA的两个碱基对(BP)之间的蒽醌环；二是蒽醌环中的一个子区域，该子区域通过与DNA碱基形成氢键(HBs)来稳定DOX-DNA复合物；三是柔红胺，具有氨基糖基的结构区域，充当凹槽粘合剂。DOX的插入可引起dsDNA构象发生变化，干扰酶拓扑异构酶Ⅱ，从而抑制dsDNA复制和转录，达到控制癌细胞分裂扩散的目的。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提出一种可插层识别阿霉素的DNA单分子器件及其应用。
本发明的一种可插层识别阿霉素的DNA单分子器件，DNA单分子器件以单链DNA分子作为识别元件，其序列为ACGCGCGT，3’端修饰有巯基。
本发明的一种可插层识别阿霉素的DNA单分子器件识别阿霉素的方法，基于扫描隧道裂结技术，利用液相中的DNA分子与金属针尖及表面镀有金属的基底分别相互作用并连结，形成金属—DNA分子—金基底形式的分子结，并与外界测量回路电连接，监测采集其电导信号；利用液相中的含有插层DOX的DNA分子与金属针尖及表面镀有金属的基底分别相互作用并连结，形成金属—DOX-DNA分子复合物—金基底形式的分子结，并与外界测量回路电连接，监测采集其电导信号；在电导测量时，插层有DOX的DNA分子结与未插层DOX的DNA分子结的电导值会有明显的变化，电导统计峰会发生明显的偏移，从而到达检测识别DOX的目的。
STM-BJ技术：通过测量金属针尖与表面镀有金属的基底之间的隧道电流来确定金属针尖与表面镀有金属的基底之间的距离，利用驱动压电陶瓷来精准控制金属针尖逼近表面镀有金属的基底表面直至二者发生碰撞，并挤压形成接触，当达到预设接触电导值时，金属针尖被反向提起，由于金属针尖和表面镀有金属的基底的金属材质的延展性，接触区域将会逐渐缩小，最终经历一个单原子点接触构型，继续提起金属针尖，则该单原子点接触断裂，直到形成与DNA分子相匹配的纳米间隔。
本发明基于单个DNA分子电导对结构非常敏感的特点，而对于本发明DNA所构建的单分子器件，通过DOX的插层可改变dsDNA的构象从而改变其电导信号，利用STM-BJ技术检测插层DOX与未插层DOX的DNA分子结的电导变化从而来实现对DOX的识别，本发明是利用DNA分子所具有的序列和长度可定制、分子结构易进行化学修饰等特点,设计和构筑出对于药物分子具有识别和检测能力的DNA分子结,为后续研发出基于DNA分子结的高特异性、高灵敏度的生物检测原型器件提供一种新型策略。
附图说明
图1为DNA分子的一维电导统计图；
图2为DNA分子的二维电导-距离统计图；
图3为DOX-DNA复合分子的一维电导统计图；
图4为DOX-DNA复合分子的二维电导-距离统计图；
图5为水及DOX的一维电导统计图；
图6为DOX的二维电导-距离统计图；
图7为水的二维电导-距离统计图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来进一步说明本发明的实质性内容，实施例仅为了更好理解本发明但不局限与本发明范围，实施例中方法如无特殊说明均为常规方法，使用的试剂如无特殊说明均为常规市售试剂或按常规方法配制的试剂。
1.准备步骤：清洗溶剂瓶、溶剂瓶、液池、O圈以及备用的镀金硅基底。
将备用的试剂瓶、溶剂瓶、液池、O圈以及镀金硅基底放入盛有体积比为浓硫酸：双氧水＝3∶1的食人鱼洗液的烧杯中浸泡至少2h，去除试剂瓶、溶剂瓶、液池、O圈以及镀金硅基底表面的杂质。此过程需用水进行液封，并且在通风橱中进行，避免产生的酸性气体污染环境。浸泡完毕后将废液倒入废液缸中，用超纯水反复冲洗泡好的备用品多遍再用超纯水煮沸3遍。清洗完毕后放入105℃的烘箱，烘干备用。
2.DNA样品的处理与制备
用含有0.1mM TCEP的10XPBS溶解将人工合成的ssDNA稀释至工作浓度为20μM的溶液，取20μL ssDNA溶液室温下还原3h，接着加入10mM MgCl2溶液，于金属浴上95℃加热10min，再放于室温中缓慢降温3h，制备获得浓度为10μM的dsDNA。
3.配制待测DOX分子溶液
用精确度为0.01mg的微量天平称取相对分子质量为543.52g/mol的DOX分子0.054g置于容量为1.5mL的EP管中，再用1mL 10XPBS溶液稀释成浓度100mM的母液。取100μL母液置于另一洁净的EP管中，取900μL10×PBS将其稀释成工作浓度为10mM的DOX分子溶液。按体积比1：1将10mM DOX分子溶液与10μM DNA溶液混合均匀，室温放置24小时后备用。
4.金电极的刻蚀与包蜡
将无水乙醇和浓盐酸体积比1：1进行混匀配置刻蚀所需溶液。截取一段长约5mm，直径为0.25mm的金属丝，利用电化学工作站对金电极的尖端进行刻蚀处理，然后用石蜡包裹金电极的尖端，避免电极在水环境中出现漏电流现象。
5.主电极安装
用镊子轻轻夹住上述金属丝的中部，将球端朝外插入到直径为0.26mm的针孔中组成针尖组装体，并检查金丝与针尖之间的牢固程度以避免针尖震荡时从针孔中脱落。将顶杆下降到适当的高度后将针尖组装体与顶杆相连，完成一边电极的安装。
6.安装液池、基底、副电极
液池是由聚四氟乙烯材料加工而成具有穿孔结构的四边体结构，在液池底部，预先留有与O型密封圈匹配的凹槽。将O型密封圈置于液池底部的孔内压紧，并将其用螺丝固定在基底上。同时将一根连接线路用的导线卡在螺丝中，由此接入外界测量回路。将以上组合好的基底与STM-BJ骨架的底端用磁条固定于针尖正下方，即完成另一电极的安装。
7.dsDNA分子的电导测试
首先在手动模式下操作控制软件，启动步进电机使针尖向下移动，直至针尖逼近镀金单晶硅片，此时用移液枪取约10μL的10μM DNA溶液均匀滴在针尖正下方，然后检查电路连通情况，关闭屏蔽箱，以阻隔震动和电磁信号对实验微环境的干扰，过大的外界干扰将导致针尖的剧烈抖动，以致待测目标分子无法稳定地与两电极形成分子结，进而降低测试的成结率。随后切换手动模式为自动模式，程序将自动切换到利用压电陶瓷控制针尖的移动。在压电陶瓷的微小形变下连带针尖一起下顶、上提，分子结反复地形成和断裂。待采集DNA的电学性质数据后停止实验记录。
8.插层有DOX的dsDNA分子的电导测试
更换新的基底和金电极，用移液枪吸取10μL插层有DOX的dsDNA分子溶液滴加到镀金硅片上，使待测分子混合溶液均匀分布于安装针尖位置的正下方。按照7中的步骤进行操作，并记录实验数据。
9.开始测试，进行数据采集
安装完毕后关闭屏蔽箱，启动步进电机使针尖向下移动，待针尖与镀金硅片刚好接触时(即线路连通，形成闭合回路)，自动切换到压电陶瓷控制针尖。在压电陶瓷微小的下顶、上提过程中，分子结反复地形成和断裂。此过程利用外界测量回路采集大量分子结的电流-时间数据，以针尖拉伸速度乘以时间得到两电极间的距离，以电流除以施加在两电极间的偏压得到电导。每5分钟记录一组数据，待后续分析。
图1为DNA分子的一维电导统计图，由图1可见，有明显金峰出现，说明针尖与基底接触良好。在10-3.5G0～10-4.5G0的电导范围内出现一个明显的电导峰，对分子电导峰进行高斯拟合，测得DNA分子电导值为10-4.13G0。
图2为DNA分子的二维电导-距离统计图，由图2可见，一个G0以上部分出现了明显且尖锐的电导统计云，该统计云对应一维电导统计图中的金峰，从侧面证明了测试环境的洁净度以及金电极与基底接触良好。在电导为10-3.5G0～10-4.5G0处出现一个明显的分子统计云，对应一维电导图中DNA分子电导峰。
图3为DOX-DNA复合分子的一维电导统计图，由图3可见，在10-1.5G0～10-2.5G0电导范围内出现一个明显的电导峰，对分子电导峰进行高斯拟合，测得DOX-DNA复合分子电导值为10-2.11G0。与DNA分子的一维电导统计图相比，电导峰位置发生明显变化，分子电导值大小也不相同。
图4为DOX-DNA复合分子的二维电导-距离统计图，由图4可见，在电导为10-1.5G0～10-2.5G0处出现一个明显的分子统计云，对应一维电导图中DOX-DNA复合分子电导峰。
图为5水及DOX的一维电导统计图，由图5可见，水及DOX不能与金电极两端锚定形成分子结，故而在金峰与背景峰之间的区域非常平滑未出现统计峰，不会影响DNA分子及DOX-DNA复合分子的电测量。
图6为DOX的二维电导-距离统计图，图7为水的二维电导-距离统计图，由图6、7可见，通过与纯溶剂水的二维电导-距离统计图相比，发现水与DOX均无明显电导台阶出现，侧面印证DOX不会影响DOX-DNA复合分子的电导测量。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例来做出各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的方向或者超越所附权利要求书所定义的范围。本领域的技术人员应该理解，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种可插层识别阿霉素的DNA单分子器件，其特征在于：DNA单分子器件以单链DNA分子作为识别元件，其序列为ACGCGCGT，3’端修饰有巯基。
2.如权利要求1所述的一种可插层识别阿霉素的DNA单分子器件识别阿霉素的方法，其特征在于：基于扫描隧道裂结技术，利用液相中的DNA分子与金属针尖及表面镀有金属的基底分别相互作用并连结，形成金属—DNA分子—金基底的分子结，并与外界测量回路电连接，监测采集其电导信号；利用液相中的含有插层DOX的DNA分子与金属针尖及表面镀有金属的基底分别相互作用并连结，形成金属—DOX-DNA分子复合物—金基底形式的分子结，并与外界测量回路电连接，监测采集其电导信号；在电导测量时，插层有DOX的DNA分子结与未插层DOX的DNA分子结的电导值会有明显的变化，电导统计峰会发生明显的偏移，从而到达检测识别DOX的目的。
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