CN1566361A - 一种dna纳米网络编织碳电极及其制备方法 - Google Patents
一种dna纳米网络编织碳电极及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1566361A CN1566361A CN 03132149 CN03132149A CN1566361A CN 1566361 A CN1566361 A CN 1566361A CN 03132149 CN03132149 CN 03132149 CN 03132149 A CN03132149 A CN 03132149A CN 1566361 A CN1566361 A CN 1566361A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- dna
- carbon
- preparation
- solution
- 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.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Abstract
本发明DNA纳米网络编织碳电极及其制备方法，特征是将碳基础电极置于1μg/ml~5mg/ml的DNA溶液中，在相对于50mmol/L NaCl－Ag/AgCl参比电极1.5~2.2V的施加电极电位下，向碳基电极表面上沉积成分子链条充分伸展开的、纵横交错、互相叠连的DNA，自组装编织成的网眼、网线为纳米尺度的三维网状结构，其DNA与基础电极之间以导电化学键连接，使电极有效表面积增大100~1000倍，伏安响应的灵敏度提高50~600倍，而不显著增加电极尺寸；可在pH 3~12、100℃以下溶液中使用，为高性能的DNA电化学传感器，可用于微电化学探针、新型储能电极、新型药物控制释放电极。
Description
技术领域：
本发明属于电分析化学、生物传感器技术领域，特别是涉及DNA自组装纳米网络编织碳电极及其制备方法。
背景技术：
《生物化学(上)》(中国高等教育出版社，1990，p329)指出，脱氧核糖核酸(DNA)是以磷酸-戊糖为骨架的螺旋状长链杂聚物分子，含有腺瞟呤(A)、鸟瞟呤(G)、胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)四个碱基，并由这四个碱基编码记录生物物种的遗传信息，DNA是地球上除RNA病毒以外所有生命共同的基因载体，具有一种纳米尺度的可寻址结构，因此，在信息储藏、纳米生物技术、生物化学传感等方面具有广阔的应用前景。例如美国专利US 5,591,578；US 5,705,348；US 5,780,234；US5,770,369；US6,238,870都在DNA链上锚定给体-受体对，该给体-受体对分别起注入电子与接收电子的作用，引导DNA分子上电子的定向流动。但上述方法需要采用特殊化学修饰手段，在DNA上的特定位置锚定某种金属络合物作为给体基团或受体基团。事实上，DNA分子不加修饰就可以直接吸附组装在电极表面上，但是这样的固载效果并不理想，所制作的电化学传感器电流灵敏度较低。已有如美国《电分析》(Electroanalysis，1992，4：929-932)报道可以使用活性偶合试剂催化DNA与电极建立共价键连接，但所用DNA仅限于含有G碱基和/或C碱基的特定单链DNA，因此有局限性；最近有荷兰《生物传感器与生物电子学》(Biosensors& Bioelectronics，2003，18：555-564)报道用双向电泳将双链DNA分子拉伸并连接在金或铝的叉状电极之间的方法，但要求叉状电极叉指间的距离相当小，仅几个微米，不适合在常规电极上操作。美国《朗缪尔》(Langmuir，2003，19：3830-3839)还报道了DNA分子在高规则热解石墨上的吸附组装，但DNA在热解石墨上的吸附作用较弱，使得DNA分子不够稳定。
发明内容：
本发明提供一种DNA纳米网络编织碳电极及其制备方法，直接以DNA的3′端与电极进行共价键导电连接，可使电极有效表面积增大到基础碳电极的100～1000倍，伏安响应灵敏度增大到50～600倍。
本发明的DNA纳米网络编织碳电极，其特征在于在碳材基础电极表面上沉积有分子链条充分伸展开的、纵横交错、互相叠连的DNA，自组装编织成的网眼、网线为纳米尺度的三维网状结构；
所述碳材基础电极，包括碳纤维电极、玻璃碳电极、石墨电极、高规则热解石墨电极或碳纳米材料电极。
所述DNA，包括生物中提纯的DNA、人工合成的DNA，以及经过热变性解链的DNA。
本发明的DNA纳米网络编织碳电极的制备方法，其特征在于：将碳材基础电极在适当配制的DNA溶液中、在施加电极电位下，对DNA进行电化学沉积；
所述适当配制的DNA溶液，包括以纯水、或含有0～100mmol/L NaCl的pH范围为5.0～8.0的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(Tris)、醋酸缓冲溶液或磷酸缓冲溶液作为溶剂的浓度在1μg/ml～5mg/ml的DNA溶液；
所述施加电极电位，是在电极表面施加的相对于50mmol/L NaCl-Ag/AgCl参比电极的直流稳定电位，范围在1.5～2.2V。
还可以对上述所制备获得的电极进行碱处理或热处理。
所述碱处理，是在pH12～14的NaOH溶液中浸泡5～10分钟，清除吸附分子，水解不稳定化学建，以稳定电极的化学性能。
所述热处理，是在80～100℃热水中浸泡3～5分钟，让电极表面的DNA分子变性，以使电极适合于在热溶液中工作。
本发明的DNA纳米网络编织碳电极，由于在准确施加的电极电位下进行电化学沉积，使其DNA沉积物自组装编织形成纳米网络，DNA与碳基电极间建立牢固的导电性良好的化学键连接，使电极有效表面积增大100～1000倍，却不显著增加电极尺寸；在pH12～14的强碱性溶液中不水解脱落，成为高性能的电化学传感器。由于DNA分子的3′或5′端可以与碳电极表面以共价键结合，故可用于制备本发明所述纳米网络编织碳电极的DNA，包括生物中提纯的DNA、人工合成的DNA，以及经过热变性解链的DNA。
与现有技术相比较，本发明DNA纳米网络编织碳电极有如下优点：
本发明由于在准确施加的电极电位下进行DNA纳米网络编织碳电极的电化学沉积，实现了DNA分子在电极表面的牢固的导电连接与组装，这是一种新的DNA自组装修饰方式，直接以DNA的3′或5′端与电极进行共价键导电连接，不需要预先在DNA上锚定电子给体或受体基团，也不靠吸附在电极表面沉积，更不需要活性偶合试剂，既可在常规电极上操作，也可以在微小或超微小电极上操作；由于DNA编织层中DNA分子链条交叉、重叠和相互连接，在支撑碳电极表面自组装编织成纳米网络，并与碳基电极间具有牢固的导电性良好的连接，使电极有效表面积增大100～1000倍，可作为一种新型能量或药物储藏电极；由于DNA编织层与碳基电极间具有牢固的导电性良好的连接，使电极的伏安响应灵敏度提高50～600倍，可用于低浓度、少量分子的研究与监测。由于本发明的DNA纳米网络编织电极，是网眼、网线在纳米尺度的三维结构，不会造成电极表观尺寸的明显增加；本发明的DNA编织电极，由DNA分子在控制电位作用下自组装所成，制作条件容易控制，不需要纳米操作技术，容易推广使用。本发明的DNA编织电极若经过强碱处理，则pH性能更好，可在pH3～12宽范围的介质中使用；若经过沸水热处理，则热稳定性更好，可在100℃以下热溶液中使用。本发明电极是一种高性能的电化学传感器。由于本发明纳米网络编织碳电极可以使用生物中提纯的DNA、人工合成的DNA，以及经过热变性解链的DNA，丰富了DNA电化学传感器的类型。
附图说明：
图1是碳纤维盘天然双链小牛胸腺DNA修饰电极在5mmol/L pH7.1 Tris-HCl+50mmol/L NaCl+0.3mmol/L Co(phen)3 3+溶液中的循环伏安图。
图2是碳纤维盘基础电极上Co(phen)3 3+的循环伏安图。
图3是碳纤维盘单链小牛胸腺DNA修饰电极上Co(phen)3 3+的循环伏安图。
图4是碳纤维盘天然双链小牛胸腺DNA修饰电极，经过10mmol/L Tris缓冲溶液沸腾处理3分钟后Co(phen)3 3+的循环伏安图。
图5是碳纤维盘天然双链小牛胸腺DNA修饰电极，以0.2mol/L NaOH溶液浸泡10分钟前后Co(phen)3 3+的循环伏安曲线图。
图6是原子力显微镜下视野为1μmX1μm的天然双链小牛胸腺DNA在高规则热解石墨电极上的纳米网络编织图的固载形貌照片。
图7是碳纤维盘天然双链小牛胸腺DNA修饰电极测量溶液中多巴胺含量的微分脉冲伏安图。
图8是本发明所用的碳纤维盘基础电极上多巴胺的微分脉冲伏安图。
具体实施方式：
实施例1：碳纤维盘双链DNA修饰电极
将配制好的天然双链小牛胸腺DNA溶于含有50mmol/L NaCl的三羟甲基氨基甲烷pH7缓冲溶液(Tris)溶液中，插入6微米直径碳纤维盘电极，施加1.5～2.2V相对于50mmol/LNaCl-Ag/AgCl的电位保持30分钟取出，用二次蒸馏水冲洗干净，置于空气中自然晾干。
将该电极插入5mmol/L pH7.1 Tris-HCl+50mmol/L NaCl+0.3mmol/L Co(phen)3 3+溶液中，在50mV/s下测循环伏安特性，得到附图1；将基础碳纤维盘电极插入上述相同的溶液中，在50mV/s下测循环伏安特性，得到附图2。
将附图1中该电极的循环充电电流(1)和Co(phen)3 3+还原峰高度(2)与附图2中基础碳纤维盘电极的循环充电电流(3)和Co(phen)3 3+还原峰高度(4)相比可知，本实施例制备的碳纤维盘双链DNA修饰电极比基础碳纤维盘电极充电电流提高了500倍，还原峰提高了200倍。
做Co(phen)3 3+还原过程的微分脉冲伏安(DPV)比较，本实施例制备的碳纤维盘双链DNA修饰电极的DPV峰电流比基础电极提高了600倍。
实施例2：碳纤维盘单链DNA修饰电极
将天然双链小牛胸腺DNA在100℃沸水解链后骤冷，得到单链DNA溶液。将直径为6微米的碳纤维盘工作电极插入该单链DNA溶液中，施加1.5～2.2V相对于50mmol/LNaCl-Ag/AgCl的电位并保持30分钟后取出，水洗干净，置于Co(phen)3 3+溶液中，在50mV/s下测循环伏安特性，得到附图3，并与基础碳纤维盘电极的循环伏安特性图附图2相比较可见，本实施例制备的碳纤维盘单链DNA修饰电极的循环充电电流(5)比基础碳纤维盘电极提高了230倍，Co(phen)3 3+还原峰高度(6)提高了154倍。
做Co(phen)3 3+还原过程的DPV与基础电极的DPV相比较可知，本实施例制备的碳纤维盘单链DNA修饰电极的DPV峰电流比基础电极增高500倍。
实施例3：碳纤维盘双链DNA修饰电极的热处理
将实施例1所制得的碳纤维盘双链DNA修饰电极，浸入Tris缓冲溶液沸腾3分钟，取出，水洗干净，置于Co(phen)3 3+溶液中，做循环伏安扫描，结果见附图4。
由附图4中的循环伏安曲线与热处理前的修饰电极的循环伏安曲线相比较，可知：热处理后电极的循环充电电流(7)增大1倍(相当于是基础碳纤维盘电极的1000倍)，Co(phen)3 3+还原峰高度(8)降低到25％(仍然相当于基础碳纤维盘电极的50倍)。
实施例4：碳纤维盘双链DNA修饰电极的碱处理
将实施例1所制备的碳纤维盘双链DNA修饰电极，插入0.2mol/L NaOH水溶液中浸泡10分钟，取出，水洗干净，插入Co(phen)3 3+溶液中做循环伏安扫描，结果见附图5。将碱处理后电极的循环伏安曲线(9)与未进行碱处理的电极的循环伏安曲线(10)相比，Co(phen)3 3+的还原峰的高度略为降低，循环充电电流略为增加，但都不很明显。
实施例5：双链小牛胸腺DNA在高规则热解石墨电极上的自组装纳米网络编织
将小牛胸腺DNA溶于含有50mmol/LNaCl的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(Tris)中，浸入高规则热解石墨工作电极，施加1.5～2.2V相对于50mmol/L NaCl-Ag/AgCl的电极电位并保持30分钟后取出，用二次蒸馏水冲洗干净，置于空气中自然晾干，在原子力显微镜下可见DNA的固载形貌，其视野为1μm×1μm的照片如附图6所示，从照片中可见分子链条充分伸展开的、纵横交错、互相叠连的DNA自组装成的网眼、网线度都在10nm～100nm的纳米尺度的三维网络编织结构。
实施例6：碳纤维盘双链DNA修饰电极表面吸附与电化学催化氧化神经递质多巴胺
将实施例1所制得的碳纤维盘双链DNA修饰电极，浸入含有0.5mmol/L多巴胺的5mmol/L pH7.1 Tris-HCl+50mmol/LNaCl溶液中做微分脉冲伏安(DPV)测量，其脉冲参数：高度25mV，宽度0.1s，采样时间0.0167s，延迟时间0.2s，步幅8mV；其微分脉冲伏安(DPV)曲线如图7所示。将此图7曲线与图8所示的基础碳盘电极的DPV曲线相比较可见，多巴胺电化学氧化的DPV峰电流(11)，比用基础碳盘电极的DPV峰电流(12)提高了490倍。
Claims (4)
1、一种DNA纳米网络编织碳电极，其特征在于在碳材基础电极表面上沉积有分子链条充分伸展开的、纵横交错、互相叠连的DNA，自组装编织成的网眼、网线为纳米尺度的三维网状结构；
所述碳材基础电极，包括碳纤维电极、玻璃碳电极、石墨电极、高规则热解石墨电极或碳纳米材料电极；
所述DNA，包括生物中提纯的DNA、人工合成的DNA，以及经过热变性解链的DNA。
2、一种DNA纳米网络编织碳电极的制备方法，其特征在于：将碳材基础电极在适当配制的DNA溶液中、在施加电极电位下，对DNA进行电化学沉积；
所述碳材基础电极，包括碳纤维电极、玻璃碳电极、石墨电极、高规则热解石墨电极或碳纳米材料电极；
所述DNA，包括生物中提纯的DNA、人工合成的DNA，以及经过热变性解链的DNA；
所述适当配制的DNA溶液，包括以纯水、或含有0～100mmol/LNaCl的pH范围为5.0～8.0的三羟甲基氨基甲烷缓冲溶液(Tris)、醋酸缓冲溶液或磷酸缓冲溶液作为溶剂的浓度在1μg/ml～5mg/ml的DNA溶液；
所述施加电极电位，是在电极表面施加的相对于50mmol/LNaCl-Ag/AgCl参比电极的直流稳定电位，范围在1.5～2.2V。
3、如权利要求2所述的DNA纳米网络编织碳电极的制备方法，其特征在于对所获得的电极在pH 12～14的NaOH溶液中浸泡5～10分钟进行碱处理。
4、如权利要求2所述的DNA纳米网络编织碳电极的制备方法，其特征在于对所获得的电极在80～100℃热水中浸泡3～5分钟进行热处理。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB031321496A CN1295345C (zh) | 2003-06-29 | 2003-06-29 | 一种dna纳米网络编织碳电极及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CNB031321496A CN1295345C (zh) | 2003-06-29 | 2003-06-29 | 一种dna纳米网络编织碳电极及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1566361A true CN1566361A (zh) | 2005-01-19 |
| CN1295345C CN1295345C (zh) | 2007-01-17 |
Family
ID=34469884
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CNB031321496A Expired - Fee Related CN1295345C (zh) | 2003-06-29 | 2003-06-29 | 一种dna纳米网络编织碳电极及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1295345C (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101271079B (zh) * | 2008-05-07 | 2010-12-08 | 天津大学 | 碳纳米管-dna复合物修饰的玻炭电极及制备方法和应用 |
| CN104391018A (zh) * | 2014-10-22 | 2015-03-04 | 西北大学 | 三维dna纳米结构、电化学生物传感器及其制备方法和应用 |
| CN105353020A (zh) * | 2015-12-06 | 2016-02-24 | 北京工业大学 | 修饰dna与石墨烯相结合的方法 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2946953A1 (en) | 2008-10-23 | 2015-11-25 | Bsst Llc | Multi-mode hvac system with thermoelectric device |
| JP5908975B2 (ja) | 2011-06-06 | 2016-04-26 | ジェンサーム インコーポレイテッドＧｅｎｔｈｅｒｍ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ | カートリッジベース熱電システム |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20010053522A1 (en) * | 2000-04-28 | 2001-12-20 | Fuji Photo Film Co., Ltd. | DNA chip and reactive electrode |
-
2003
- 2003-06-29 CN CNB031321496A patent/CN1295345C/zh not_active Expired - Fee Related
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101271079B (zh) * | 2008-05-07 | 2010-12-08 | 天津大学 | 碳纳米管-dna复合物修饰的玻炭电极及制备方法和应用 |
| CN104391018A (zh) * | 2014-10-22 | 2015-03-04 | 西北大学 | 三维dna纳米结构、电化学生物传感器及其制备方法和应用 |
| CN104391018B (zh) * | 2014-10-22 | 2017-01-18 | 西北大学 | 三维dna纳米结构、电化学生物传感器及其制备方法和应用 |
| CN105353020A (zh) * | 2015-12-06 | 2016-02-24 | 北京工业大学 | 修饰dna与石墨烯相结合的方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1295345C (zh) | 2007-01-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Akanda et al. | Recent advances in nanomaterial‐modified pencil graphite electrodes for electroanalysis | |
| Kakhki | A review to recent developments in modification of carbon fiber electrodes | |
| US7122106B2 (en) | Electrosynthesis of nanofibers and nano-composite films | |
| Wang et al. | A selective voltammetric method for uric acid detection at β-cyclodextrin modified electrode incorporating carbon nanotubes | |
| Pujadó | Carbon nanotubes as platforms for biosensors with electrochemical and electronic transduction | |
| Ratnam et al. | Nonenzymatic electrochemical sensor based on metal oxide, MO (M= Cu, Ni, Zn, and Fe) nanomaterials for neurotransmitters: An abridged review | |
| KR101364250B1 (ko) | 과산화수소 검출용 센서 | |
| KR100987375B1 (ko) | 다중벽 탄소나노튜브 기반 바이오센서 및 이의 제조 방법 | |
| Khazaei et al. | Polyvinyl alcohol as a crucial omissible polymer to fabricate an impedimetric glucose biosensor based on hierarchical 3D-NPZnO/chitosan | |
| Sapountzi et al. | One-step fabrication of electrospun photo-cross-linkable polymer nanofibers incorporating multiwall carbon nanotubes and enzyme for biosensing | |
| Bagal-Kestwal et al. | Electrically nanowired-enzymes for probe modification and sensor fabrication | |
| Cui et al. | Enhancement of dopamine sensing by layer-by-layer assembly of PVI–dmeOs and Nafion on carbon nanotubes | |
| Zeng et al. | A simple method to fabricate a Prussian Blue nanoparticles/carbon nanotubes/poly (1, 2-diaminobenzene) based glucose biosensor | |
| Baluchová et al. | Enhancing electroanalytical performance of porous boron-doped diamond electrodes by increasing thickness for dopamine detection | |
| Liu et al. | Core–shell nanocluster films of hemoglobin and clay nanoparticle: Direct electrochemistry and electrocatalysis | |
| CN1295345C (zh) | 一种dna纳米网络编织碳电极及其制备方法 | |
| JP5635500B2 (ja) | バイオエレクトロケミカルシステム用の導電性繊維と、この導電性繊維を有する電極と、この電極を有するシステム | |
| CN1310832C (zh) | 制备包裹有自组装材料的水溶性碳纳米管的方法 | |
| Czajka et al. | Scanning tunnelling microscopy study of polypyrrole films and of glucose oxidase as used in a third-generation biosensor | |
| Jeykumari et al. | Covalent modification of multiwalled carbon nanotubes with neutral red for the fabrication of an amperometric hydrogen peroxide sensor | |
| Cui et al. | Biosensors based on carbon nanotubes/nickel hexacyanoferrate/glucose oxidase nanocomposites | |
| Valentini et al. | Single‐walled carbon nanotubes on tungsten wires: a new class of microelectrochemical sensors | |
| CN113109407A (zh) | 一种石墨炔修饰电极及其制备方法和检测色氨酸的方法 | |
| Zhang et al. | Glucose biosensor based on highly dispersed au nanoparticles supported on palladium nanowire arrays | |
| Wang et al. | Electrochemical Study of the Interactions of DNA with Redox‐Active Molecules Based on the Immobilization of dsDNA on the Sol‐Gel Derived Nano Porous Hydroxyapatite‐Polyvinyl Alcohol Hybrid Material Coating |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C19 | Lapse of patent right due to non-payment of the annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |