CN114002288B - 毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及制备方法和应用 - Google Patents

毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及制备方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN114002288B
CN114002288B CN202111419692.XA CN202111419692A CN114002288B CN 114002288 B CN114002288 B CN 114002288B CN 202111419692 A CN202111419692 A CN 202111419692A CN 114002288 B CN114002288 B CN 114002288B
Authority
CN
China
Prior art keywords
capillary
covalent organic
composite structure
cons
tip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202111419692.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN114002288A (zh
Inventor
王康
邢晓蕾
袭楷
吉丽娜
夏兴华
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University
Original Assignee
Nanjing University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University filed Critical Nanjing University
Priority to CN202111419692.XA priority Critical patent/CN114002288B/zh
Publication of CN114002288A publication Critical patent/CN114002288A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114002288B publication Critical patent/CN114002288B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08G—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED OTHERWISE THAN BY REACTIONS ONLY INVOLVING UNSATURATED CARBON-TO-CARBON BONDS
    • C08G83/00—Macromolecular compounds not provided for in groups C08G2/00 - C08G81/00
    • C08G83/008—Supramolecular polymers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

本发明公开一种毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及其制备方法和应用。所述复合结构包括毛细管和盖于所述毛细管的尖端的共价有机纳米片，所述共价有机纳米片为单分散的多孔二维薄片，所述毛细管的尖端与所述共价有机纳米片之间通过连接剂连接。该复合结构具有原子级可控的孔道结构。该结构制备方法简单，成本低，操作方便，结构可控性强，集合电化学分析技术，实现对生物分子过孔行为的高灵敏追踪以及单分子级别的电化学传感，为二维纳米孔研究提供了新的思路，解决了二维纳米孔孔径不可控，制备复杂，稳定性差的问题，在纳米孔电分析领域具有较大的发展潜力。

Description

毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及制备方法和应用
技术领域
本发明属于纳米孔技术领域和电化学传感领域，具体涉及一种毛细管尖端的小孔径共价有机纳米片(CONs)复合结构及其制备方法和应用。
背景技术
在过去的20年里，固态纳米孔作为物理和化学上通用的传感器被开发出来，它模拟生物通道，通过这种通道，生物分子的运输和测序已经被证明。特别令人感兴趣的是使用二维(2D)材料作为纳米孔基底，因为这些材料在理论上可以提供最高分辨率的读数以及通过其有趣的电子特性进行电子多路读出的机会。已经有报道显示使用石墨烯或MoS2等固态纳米孔实现了DNA、多肽或蛋白质的单分子分析，但其仍然存在分子过孔速度快、打孔不均一、空间分辨率差等局限性。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供一种毛细管尖端的CONs复合结构及其制备方法和应用。共价有机纳米片(CONs)具有稳定的孔道结构和良好的化学稳定性，同时，申请人发现，CONs与DNA分子之间存在着强相互作用，能够显著降低DNA分子过孔速度，从而实现更高分辨率的检测。基于此，本发明利用具有物质传输特性的毛细管技术作为支撑，将具有稳定孔径结构的2D共价有机框架纳米片与毛细管组装，成功实现了对分子过孔行为的高灵敏追踪以及单分子级别的电化学传感。
上述技术目的通过如下技术方案来实现：
一种毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构，所述复合结构包括毛细管和盖于所述毛细管的尖端的共价有机纳米片，所述共价有机纳米片为单分散的多孔二维薄片，所述毛细管的尖端与所述共价有机纳米片之间通过连接剂连接。
优选的，所述共价有机纳米片覆盖整个所述毛细管的尖端。
优选的，所述共价有机纳米片的孔径为1.1～1.5nm。
优选的，所述共价有机纳米片为ETBC-ETTA-CONs、ETTC-ETTA-CONs或ETBC-TABE-CONs。ETBC-ETTA-CONs具有式I所示的结构单元，ETTC-ETTA-CONs具有式II所示的结构单元，ETBC-TABE-CONs具有式III所示的结构单元：
Figure BDA0003376372300000021
优选的，所述毛细管为玻璃或石英材质。
优选的，所述毛细管的截面为圆形或多边形，优选圆形。毛细管中可包含引流管。
优选的，所述毛细管的尖端为纳米级，尾部为宏观尺寸。
优选的，所述毛细管的总长度为1～15cm，优选2～10cm。毛细管的制备为现有技术，本发明对此不作特别限定。
优选的，所述毛细管的尖端的直径为5～25nm，优选的直径为5nm，在优选的条件下，CONs与DNA分子之间的相互作用更强，对通过的DNA分子过孔速度显著降低，能够分辨不同碱基过孔电流的区别。
优选的，所述连接剂为具有两亲性的分子，更优选为十六烷基三甲基溴化铵、四正辛基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵，最优选为十六烷基三甲基溴化铵。
连接剂的亲水端与毛细管壁相连，疏水端与有机纳米片相连，从而在毛细管尖端形成共价有机纳米片封盖。
本发明还提供上述毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构的制备方法，包括如下步骤：
(1)向所述毛细管内注入第一无机盐的溶液，之后将毛细管插入到含有连接有所述连接剂的所述共价有机纳米片和第二无机盐的溶液中；
(2)在毛细管上施加恒定电压，驱使连接有所述连接剂的所述共价有机纳米片移动到毛细管尖端并组装形成所述复合结构。
优选的，所述连接有所述连接剂的所述共价有机纳米片由如下方法制备得到：
(0)在含有连接剂的溶液中，剥离共价有机框架(COFs)材料，即得。
共价有机框架(COFs)的制备方法为现有技术。
ETBC-ETTA-COFs、ETTC-ETTA-COFs、ETBC-TABE-COFs的制备方法如下式所示(产物只显示一个结构单元)：
Figure BDA0003376372300000031
优选的，所述剥离的方法为超声机械剥离。
优选的，所述第一无机盐与所述第二无机盐的溶度相同。
优选的，所述连接有所述连接剂的所述共价有机纳米片经过纯化处理，更优选的，所述纯化处理的方法为离心分离或静置并去除上清液。优选的，所述离心分离的条件为：10000rpm转速下离心处理10min。
优选的，所述第一无机盐或第二无机盐相互独立地为氯化钠、氯化钾、氯化锂、溴化钠或溴化钾。第一无机盐的溶液的溶剂为水。含有第二无机盐的溶液的溶剂为水。
优选的，所述的第一无机盐或第二无机盐的浓度为1～100mM。优选的，第一无机盐的浓度与第二无机盐的浓度相同。优选的，第一无机盐或第二无机盐的浓度均为10mM。
优选的，步骤(2)所述的恒定电压为-0.1～-5V；优选为-1V。优选条件下，第一无机盐和第二无机盐浓度10mM和恒定电压-1V组装共价有机纳米片的时间在大多数情况下不超过200s。
优选的，所述的施加恒定电压的方法为：将一根金属丝作为电极设置于毛细管内，另一电极设置于毛细管外的溶液中，在两根电极之间施加恒定电压。
本发明还提供所述毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构在电化学分析或传感中的应用。
在进行电化学分析时，包括如下步骤：两根同样材质的金属丝分别作为工作电极和对电极，毛细管内注入电解液，并将所述CONs纳米多孔结构器件插入含有待测分析物的外部电解液中，工作电极插入装有电解液的毛细管内部后使用，而对电极则直接插入含有待测分析物的外部电解液中，通过时间-电位法施加恒定电位驱使待测分析物的分子过孔同时记录穿孔电流。
以毛细管为支撑载体制备的毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构在电化学分析、传感领域有很好的应用价值。分子电化学检测单链DNA的过孔行为，为电化学检测单个生物分子提供了理论和实验基础。
本发明的有益效果在于：
本发明采用具有稳定且可调孔径的共价有机纳米片解决了现有技术中分子过孔速度快、打孔不均一、空间分辨率差等技术问题，所述毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构能够结合电化学分析，成功实现对分子过孔行为的高灵敏追踪以及单分子级别的电化学传感。其优势在于原材料简单、廉价、易得，条件温和，器件结构稳定，可重复使用。且毛细管后端为宏观尺寸，方便与各种机械、电子或光学设备结合，潜在的应用价值很大。该结构制备方法简单，成本低，操作方便，结构可控性强，集合电化学分析技术，实现对生物分子过孔行为的高灵敏追踪以及单分子级别的电化学传感，为二维纳米孔研究提供了新的思路，解决了二维纳米孔孔径不可控，制备复杂，稳定性差的问题，在纳米孔电分析领域具有较大的发展潜力。
附图说明
图1是本发明制备毛细管尖端的CONs复合结构的流程示意图。
图2是具有分散CONs纳米片的扫描电子显微镜(a)和透射电子显微镜(b)表征图。
图3是(a)CON-1.1和(b)CON-1.3的原子力显微镜表征图。
图4是毛细管组装前后的电镜表征图，其中(a)是裸毛细管管口SEM图，(b)是CON-1.1覆盖在毛细管管口的SEM图，(c)是CON-1.3覆盖在毛细管管口的SEM图。
图5(a)是CON-1.1电化学组装条件下的电流-时间曲线，(b)是CON-1.3电化学组装条件下的电流-时间曲线，(c)是电化学组装条件下没有出现明显电流变化的电流-时间曲线图。
图6是电解质为10mM氯化钾溶液时裸毛细管与CONs组装后的i-V曲线对比图。其中(a)是CON-1.1，(b)是CON-1.3。
图7是电化学组装条件后R6G的荧光图。其中(a)和(b)是R6G和TMRM分别通过裸石英纳米移液管传输。(c)是R6G不能通过COF-1.1覆盖的石英纳米移液管。(d)是R6G通过COF-1.3覆盖的石英纳米移液管，(e)是TMRM不能穿过COF-1.3覆盖的石英纳米移液管。
图8是不同电压下小牛胸腺单链DNA分子穿过裸纳米管和CON-1.3纳米孔的功率谱密度图。其中(a)300mV，(b)400mV，(c)500mV。
图9是电化学检测单链DNA分子穿过CONs纳米孔的示意图。
图10是不同浓度下单链DNA分子穿过CONs-1.1纳米孔的电流轨迹图，其中(a)1μM，(b)200nM。
图11是不同电压下小牛胸腺单链DNA分子穿过CON-1.3纳米孔事件统计图。其中(a)是不同电压下的散点图统计，(b)是易位时间的统计，(c)是振幅统计分析。
图12不同电压下小牛胸腺单链DNA分子穿过CONs纳米孔的示意图，其中(a)200mV，(b)400mV，(c)600mV。
图13是小牛胸腺单链DNA分子穿过CON-1.3纳米孔双孔系统电流轨迹图。
图14是80个碱基的单链DNA分子穿过CON-1.1和CON-1.3纳米孔事件统计图，其中(a)是不同电压下的散点图统计，(b)是易位时间的统计。
图15是80个碱基的单链DNA分子穿过CON-1.1纳米孔双孔系统电流轨迹图。其中(a)200mV，(b)400mV。
图16(a)是COF复合结构覆盖在毛细管管口的SEM图，(b)电解质为10mM氯化钾溶液时裸毛细管与COF复合结构的i-V曲线对比图。
图17是(a)小牛胸腺单链DNA分子(b)80个碱基的单链DNA分子穿过专利COF纳米孔的电流轨迹示意图。
图18是金孔专利复合结构在毛细管管口的SEM图。
图19是(a)小牛胸腺单链DNA分子(b)80个碱基的单链DNA分子穿过金孔专利复合结构的电流轨迹示意图。
图20是30个碱基的单链DNA分子穿过CON-1.1纳米孔事件统计图，其中(a)是300mV电压下的散点图统计，(b)是易位时间的统计。
具体实施方式
下面结合实施例和附图说明对本发明的技术方案做进一步的说明，但不应理解为对本发明的限制：
实施例1
1.制备共价有机纳米片复合结构：
步骤(1)制备玻璃毛细管尖端：所用的仪器为美国SUTTER公司P-2000拉针仪，玻璃毛细管为SUTTER公司的Quartz capillaries，O.D：1.0mm，I.D：0.7mm，总长度为10cm。设置参数为：1)HEAT＝850，FIL＝2，VEL＝22，DEL＝160，PUL＝250。2)HEAT＝750，FIL＝2，VEL＝25，DEL＝180，PUL＝250。
用此规格的毛细管在上述条件下制备出的毛细管尖端直径为20nm，如图4a所示。
步骤(2)制备共价有机框架材料COF-1.1(孔径1.1nm)：将16.7mg(0.06mmol)的ETTC、23.6mg(0.06mmol)的ETTA、0.4mL的o-DCB/正丁醇(7:3，v/v)和0.05mL的12M醋酸水溶液装入2mL玻璃管中。混合物通过三次冷冻泵-解冻循环进行脱气。玻璃管在真空下火焰密封，然后在120℃下加热3天。冷却后，通过0.22μm PTFE膜过滤混合物，并用THF洗涤数次，以去除未反应的单体、催化剂和溶剂。通过使用THF的索氏萃取进一步纯化24小时，然后在超临界CO2流下干燥，得到COFs。
制备共价有机框架材料COF-1.3(孔径1.3nm)：将44.9mg(0.06mmol)ETBC、23.6mg(0.06mmol)ETTA、0.4mL o-DCB/正丁醇(7:3)和0.05mL 12M醋酸水溶液的合成加入到2mL玻璃管中。以下脱气、反应和纯化步骤与COF-1.1相同。
步骤(3)制备共价有机(CONs)纳米片：将0.5mg COF粉末分散在5mL KCl溶液(10mM)中，然后将100μL十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)(1mM)添加到混合物中，然后进行超声剥离1小时。然后以10000rpm的转速离心10分钟，对剥落的薄片进行两次纯化，重新分散在盐溶液中以进行后续的表征或组装，如图2a、2b所示的电镜图以及图3a(CON-1.1)和3b(CON-1.3)所示的原子力显微镜图。
步骤(4)电化学组装CONs纳米片制备复合结构：如图1所示，向拉制好的毛细管内注入10mM KCl；然后，将毛细管尖端浸入到含有相同浓度KCl的CONs纳米片溶液中；随后，通过两根0.25mmAg/AgCl电极在毛细管上施加-1V的偏置电压，并记录穿过纳米毛细管的电流曲线。结果如图5所示，当观察到明显的电流降时，表明CONs纳米片已成功组装在毛细管的尖端。图5a和5b分别为CON-1.1和CON-1.3在-1V的电压下成功组装在裸毛细管尖端的电流时间图。组装好的纳米单孔器件的形貌表征结果如图4b和4c所示。
当步骤(3)中不使用十六烷基三甲基溴化铵修饰CONs时，结果如图5c所示，没有出现明显的电流突然减小现象，表明本发明的方法成功通过连接剂将CONs纳米片连接在毛细管尖端。
2.对复合结构进行表征：
对步骤(4)制备得到的不同孔径的复合结构进行了电化学测试：以10mM氯化钾为电解质，线性扫描伏安法扫描，起始电位-1.0V，终止电位+1.0V，扫速0.05V/s，结果如图6a和6b所示。
对于裸的纳米毛细管，由于管壁带负电，阳离子的迁移占主导地位，正电势下阳离子由内向外迁移，由于尖端孔径较小，大量阳离子在锥形端积聚，产生逆电势，因此电流很小，产生了很好的整流效应。CONs组装后的毛细管的电流进一步电流减小。
3.制备得到的复合结构的应用：
(1)步骤(4)制备得到的不同孔径的复合结构在荧光光谱分析中的应用：
采用10mM罗丹明6G(R6G)和0.1mM四甲基罗丹明-5马来酰亚胺(TMRM)作为待测分析物，在负电压的控制下，溶液中的分子向毛细管管口聚集到具有CONs纳米孔口，如图7所示，对于裸石英纳米管(图7a和7b)，R6G和TMRM均可进入毛细管，分别显示绿色和橙色荧光。对于CON-1.1复合结构，1.2×1.3nm的R6G分子被阻断，无法观察到荧光(图7c)。然而，R6G可以很容易地通过CON-1.3复合结构的纳米孔(图7d)。作为比较，1.4×1.3nm TMRM被CON-1.3复合结构的纳米孔堵塞(图7e)。上述实验证据表明，毛细管组装的CON纳米孔结构上不存在大于R6G或TMRM尺寸的裂纹或缺陷。COF的精确孔结构为进一步应用提供了完美的尺寸选择性。
(2)步骤(4)制备得到的不同孔径的复合结构在噪音分析中的应用：
在不同电压下测量所制备的复合结构的功率谱密度(PSD)，如图8所示。制备得到的复合结构在所有电压下的功率密度都略高于裸纳米管，表明虽然改性引起的噪声略有增加，但CONs严密覆盖在石英纳米管口，具有良好的尺寸选择性。
(3)步骤(4)制备得到的CONs-1.1孔径的复合结构在单分子电化学传感中的应用：
采用电压模式的电流放大器Axopatch 200B在500kHz采样频率和10kHz低通滤波下采集单链DNA过孔的电化学数据。如图9所示，向毛细管内注入含有1.0M KCl的TE缓冲液(10mM Tris-HCl，1mM EDTA，pH 8.0)，并在trans端加入含有相同浓度电解质的单链DNA缓冲液；然后，将两根自制的Ag/AgCl电极分别插入到毛细管内(cis端)和外部溶液中(trans端)；随后，对管内cis端电极施加一个正向偏压，用pClamp 10.7软件记录过孔离子电流轨迹。
结果如图10b所示，能够观察到单个DNA分子穿过纳米孔，表明制备的复合结构具有单分子检测生物分子的能力。但是DNA的浓度很对分子穿过纳米孔的信号产生影响，如图10a所示，当浓度为1μM时，可以观察到错综复杂的分子穿孔信息，而当把浓度降低时，多个分子同时穿孔的现象就会大大降低。
(4)步骤(4)制备得到的的CONs-1.3复合结构在单分子电化学传感中的应用：
向毛细管内注入含有1.0M KCl的TE缓冲液(10mM Tris-HCl，1mM EDTA，pH 8.0)，并在trans端加入含有相同浓度电解质的小牛胸腺DNA缓冲液(小牛胸腺单链DNA的浓度为0.67nM，长度约为5万个碱基，加入溶液的体积约为200μL，测试温度20±5℃)，然后，将两根自制的Ag/AgCl电极分别插入到毛细管内(cis端)和外部溶液中(trans端)如图11所示，显示小牛胸腺单链DNA分子在不同电压下的穿孔行为统计分析。11a显示了DNA运输时间(停留时间)与部分电流阻断的统计散射图，11b和11c中显示了停留时间和电流阻断的相应直方图。图11b中的单指数拟合表明，小牛胸腺单链DNA通过CONs-1.3复合结构的易位时间大大延长，这表明超薄CONs-1.3与DNA链之间存在强烈的相互作用。随着偏置电压从200mV增加到600mV，在400mV时，停留时间首先增加到最大27.8ms，然后逐渐减小。电流阻断的高斯拟合也显示了400mV时的最大值。如图12所示出现这种现象可能的原因是低电压下由于弱力不能直接将卷曲的DNA滞后端拉向纳米孔，因此整个DNA可以以头到尾的方式快速通过一个CON纳米孔。随着电压的增加，滞后端也被拉近CON纳米孔，因此DNA与CON的相互作用延长了转运停留时间。同时，CONs上的纳米孔被滞后的DNA覆盖，导致最大部分电流阻断(400mV)。而在更高的电压下(600mV)，更强的电场可以将DNA链从距离CON纳米孔稍远的位置就被拉伸。这表明制备的CONs复合结构具有的不同的单分子检测能力。
(5)步骤(4)制备得到的CONs-1.3复合结构在单分子电化学传感中的应用：
如图13所示，显示小牛胸腺单链DNA分子在CONs-1.3复合结构的纳米孔阵列中的双孔事件。结果显示当小牛胸腺单链DNA分子的前端进入一个纳米孔时，会产生一个电流降(阶段I)。随着时间的推移，电场力作用下，小牛胸腺单链DNA分子的另一端进入CONs上面的另一个孔，造成进一步的电流下降(阶段II)。随后，小牛胸腺单链DNA分子的两端在两个孔之间拉伸，这种平衡状态可能会持续几秒钟(阶段III)，直到小牛胸腺单链DNA分子的一端从其中一个纳米孔中拉回(阶段IV)。最终，整个单链DNA通过CONs-1.3复合结构的纳米孔，并返回到基线水平(阶段V)。
(6)步骤(4)制备得到的不同孔径复合结构在单分子电化学传感中的应用：
对80个碱基单链DNA分子在不同电压下的对比穿孔行为进行统计分析。如图14所示，80bp ssDNA在不同电压下通过CONs-1.1复合结构的纳米孔的时间常数比通过CONs-1.3复合结构的纳米孔的时间常数长得多。统计分析和停留时间的单指数拟合表明，80bpssDNA通过CONs-1.1复合结构的纳米孔的时间是CONs-1.3复合结构的纳米孔的2-5倍。DNA通过CONs-1.1复合结构的缓慢传输行为可归因于CONs-1.1复合结构有限的孔径、疏水力以及CONs中苯环与DNA碱基之间的π-π相互作用。
(7)步骤(4)制备得到的CONs-1.1复合结构在单分子电化学传感中的应用：
如图15所示，80个碱基的单链DNA分子在CON-1.1复合结构的纳米孔阵列中的双孔事件，穿孔行为分析与应用(5)类似，区别在于，使用更短的单链DNA以及换成了更小的孔径(CONs-1.1)进行单链DNA的分子过孔行为研究。
实施例2
1.制备共价有机纳米片复合结构：
步骤(1)制备石英毛细管尖端，毛细管尖端的直径为5nm。
步骤(2)制备共价有机框架材料ETBC-TABE-COF-1.5(孔径1.5nm)。
步骤(3)制备共价有机(CONs)纳米片：将0.5mg ETTC-ETTA-COF-1.5粉末分散在5mL NaCl溶液(10mM)中，然后将100μL四正辛基溴化铵(1mM)添加到混合物中，然后进行超声剥离1小时。然后以10000rpm的转速离心10分钟，对剥落的薄片进行两次纯化，重新分散在NaCl溶液中。
步骤(4)电化学组装CONs纳米片制备复合结构：向步骤(1)得到的毛细管内注入10mM KBr；然后，将毛细管尖端浸入到含有相同浓度NaCl的CONs纳米片溶液中；随后，通过两根0.25mmAg/AgCl电极在毛细管上施加-1V的偏置电压，并记录穿过纳米毛细管的电流曲线，当观察到明显的电流降时，表明CONs纳米片已成功组装在毛细管的尖端。
2.向毛细管内注入含有1.0M KCl的TE缓冲液(10mM Tris-HCl，1mM EDTA，pH8.0)，并在trans端加入含有相同浓度电解质的DNA缓冲液，然后，将两根自制的Ag/AgCl电极分别插入到毛细管内(cis端)和外部溶液中(trans端)如图20所示，显示ssDNA分子在不同电压下的穿孔行为统计分析。
实施例3
步骤(1)制备玻璃毛细管尖端，毛细管尖端的直径为15nm。
步骤(2)制备共价有机框架材料ETTC-ETTA-COFs。
步骤(3)制备共价有机(CONs)纳米片：将0.5mg ETTC-ETTA-COF粉末分散在5mLLiCl溶液(10mM)中，然后将100μL十六烷基三甲基氯化铵(1mM)添加到混合物中，然后进行超声剥离1小时。然后以10000rpm的转速离心10分钟，对剥落的薄片进行两次纯化，重新分散在LiCl溶液中。
步骤(4)电化学组装CONs纳米片制备复合结构：向步骤(1)得到的毛细管内注入100mM NaBr；然后，将毛细管尖端浸入到含有1mM LiCl的CONs纳米片溶液中；随后，通过两根0.25mmAg/AgCl电极在毛细管上施加-0.1V的偏置电压，并记录穿过纳米毛细管的电流曲线，当观察到明显的电流降时，表明CONs纳米片已成功组装在毛细管的尖端。
实施例4
步骤(1)制备玻璃毛细管尖端，毛细管尖端的直径为25nm。
步骤(2)制备共价有机框架材料ETTC-ETTA-COFs。
步骤(3)制备共价有机(CONs)纳米片：将0.5mg ETTC-ETTA-COFs粉末分散在5mLKCl溶液(10mM)中，然后将100μL CTAB(1mM)添加到混合物中，然后进行超声剥离1小时。然后以10000rpm的转速离心10分钟，对剥落的薄片进行两次纯化，重新分散在KCl溶液中。
步骤(4)电化学组装CONs纳米片制备复合结构：向步骤(1)得到的毛细管内注入50mM NaCl；然后，将毛细管尖端浸入到含有80mM KCl的CONs纳米片溶液中；随后，通过两根0.25mmAg/AgCl电极在毛细管上施加-5V的偏置电压，并记录穿过纳米毛细管的电流曲线，当观察到明显的电流降时，表明CONs纳米片已成功组装在毛细管的尖端。
实施例5(对比实施例)
本实施例作为对比，采用申请人前期研究的结构(公开号：CN111366627A)(以下简称COF复合结构，如图16所示)，在实施例1应用(4)和(6)的条件下进行电化学传感研究。
如图17a和b所示，采用COF复合结构进行小牛胸腺单链DNA和80个碱基的单链DNA的穿孔实验，其它条件和实施例1均相同的前提下，无论在任何电压下，均不能得到明显的DNA过孔信号信息，这可能是由于COF复合结构为大的团簇结构，没有明显的可以允许DNA穿过的孔道结构。
实施例6(对比实施例)
本实施例作为对比，采用申请人前期研究的结构(公开号：CN113155808A)(以下简称金孔复合结构，如图18所示)，在实施例1应用(4)和(6)的条件下进行电化学传感研究。
如图19a和b所示，采用金孔复合结构进行小牛胸腺单链DNA和80个碱基的单链DNA进行穿孔实验，在其它条件和实施例1均相同的前提下，无论在任何电压下，均不能得到明显的DNA过孔信号信息，这可能是金孔与DNA相互作用力比较弱。

Claims (16)

1.一种毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构，其特征在于，包括毛细管和盖于所述毛细管的尖端的2D共价有机纳米片CONs，所述2D共价有机纳米片CONs为单分散的多孔二维薄片，所述毛细管的尖端与所述2D共价有机纳米片CONs之间通过连接剂连接，所述毛细管的尖端的直径为5~25nm；
所述2D共价有机纳米片CONs为ETBC-ETTA-CONs、ETTC-ETTA-CONs或ETBC-TABE-CONs。
2.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述2D共价有机纳米片CONs覆盖整个所述毛细管的尖端。
3.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述2D共价有机纳米片CONs的孔径为1.1~1.5nm。
4.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述毛细管的尖端的直径为5nm。
5.根据权利要求1所述的复合结构，其特征在于，所述连接剂为具有两亲性的分子。
6.根据权利要求5所述的复合结构，其特征在于，所述连接剂为十六烷基三甲基溴化铵、四正辛基溴化铵或十六烷基三甲基氯化铵。
7.根据权利要求6所述的复合结构，其特征在于，所述连接剂为十六烷基三甲基溴化铵。
8.权利要求1-7任一所述的毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）向所述毛细管内注入第一无机盐的溶液，之后将毛细管插入到含有连接有所述连接剂的所述2D共价有机纳米片CONs和第二无机盐的溶液中；
（2）在毛细管上施加恒定电压，驱使连接有所述连接剂的所述2D共价有机纳米片CONs移动到毛细管尖端并组装形成所述复合结构。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述连接有所述连接剂的所述2D共价有机纳米片CONs由如下方法制备得到：
（0）在含有连接剂的溶液中，剥离共价有机框架材料，即得。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述剥离的方法为超声机械剥离。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述第一无机盐或第二无机盐相互独立地为氯化钠、氯化钾、氯化锂、溴化钠或溴化钾。
12. 根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的第一无机盐或第二无机盐的浓度为1~100 mM。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，第一无机盐的浓度与第二无机盐的浓度相同。
14.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的恒定电压为-0.1~-5V。
15.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的恒定电压为-1V。
16.权利要求1-7任一所述毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构在电化学分析或传感中的应用。
CN202111419692.XA 2021-11-26 2021-11-26 毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及制备方法和应用 Active CN114002288B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111419692.XA CN114002288B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及制备方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111419692.XA CN114002288B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及制备方法和应用

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114002288A CN114002288A (zh) 2022-02-01
CN114002288B true CN114002288B (zh) 2023-06-06

Family

ID=79930432

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111419692.XA Active CN114002288B (zh) 2021-11-26 2021-11-26 毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及制备方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114002288B (zh)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060210995A1 (en) * 2005-03-15 2006-09-21 Joyce Timothy H Nanopore analysis systems and methods of using nanopore devices
CN111366627B (zh) * 2020-03-23 2021-02-26 南京大学 毛细管尖端的共价有机框架多孔结构及其制备方法和应用
CN112525880A (zh) * 2020-11-16 2021-03-19 南京大学 一种小孔径纳米孔器件及其制备方法和应用

Also Published As

Publication number Publication date
CN114002288A (zh) 2022-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Electrodeposited reduced graphene oxide incorporating polymerization of l-lysine on electrode surface and its application in simultaneous electrochemical determination of ascorbic acid, dopamine and uric acid
Shahrokhian et al. Modified glassy carbon electrodes based on carbon nanostructures for ultrasensitive electrochemical determination of furazolidone
Gholivand et al. Development of a novel hollow fiber-pencil graphite modified electrochemical sensor for the ultra-trace analysis of glyphosate
Chen et al. Facile preparation of graphene-copper nanoparticle composite by in situ chemical reduction for electrochemical sensing of carbohydrates
Huang et al. Carbon dots and chitosan composite film based biosensor for the sensitive and selective determination of dopamine
WO2014027580A1 (ja) 試料の分析方法
Zhu et al. Exploration of solid-state nanopores in characterizing reaction mixtures generated from a catalytic DNA assembly circuit
DE112007001084T5 (de) Nanoporenelektrode, Nanoporenmembran, Verfahren zu deren Herstellung und Oberflächenmodifikation, und deren Verwendung
JP2655742B2 (ja) 先細炭素微小電極及びその製造方法
Cao et al. SERS detection of nucleobases in single silver plasmonic nanopores
Zhang et al. High sensitive on-site cadmium sensor based on AuNPs amalgam modified screen-printed carbon electrodes
US11168104B2 (en) Unique self-assembled poly-amidoamine polymers and their eletrochemical reactivity
CN1201146C (zh) 一种测定多巴胺的电化学传感器
Thangaraj et al. A flow injection analysis coupled dual electrochemical detector for selective and simultaneous detection of guanine and adenine
Jiang et al. Nanopore-based sensing and analysis: beyond the resistive-pulse method
Liang et al. Determination of carbohydrates in honey and milk by capillary electrophoresis in combination with graphene–cobalt microsphere hybrid paste electrodes
Zhang et al. A novel sodium dodecyl benzene sulfonate modified expanded graphite paste electrode for sensitive and selective determination of dopamine in the presence of ascorbic acid and uric acid
Hosseini et al. Electroanalytical determination of diazepam in tablet and human serum samples using a multiwalled carbon nanotube embedded molecularly imprinted polymer-modified carbon paste electrode
Xiong et al. Fabrication of β-cyclodextrin/graphene/1, 10-diaminodecane composite on glassy carbon electrode and impedimetric method for Di (2-ethyl hexyl) phthalate determination
Liu et al. Ratiometric electrochemical analysis on a flexibly-fabricated vibratory electrode module for reliable and selective determination of imidacloprid
Zheng et al. Electrochemical detection dopamine by Ester-calix [n] arenes/graphene nanosheets modified electrodes
Xu et al. Simultaneous determination of ascorbic acid, dopamine, and uric acid based on double-walled carbon nanotubes/choline-modified electrode
Wei et al. Insight into the effects of electrochemical factors on host-guest interaction induced signature events in a biological nanopore
CN110031517B (zh) 复合玻璃纳米孔道的制备及应用于生物分子检测
CN114002288B (zh) 毛细管尖端的共价有机纳米片复合结构及制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant