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基于石墨烯材料的新型DNA生物传感器的研制

作　者: 卜扬
导　师: 黄杉生
学　校: 上海师范大学
专　业: 分析化学
关键词: 石墨烯 DNA生物传感器卵巢癌SKOV-3细胞
分类号: TP212.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

DNA生物传感器是进行DNA结构分析和检测的重要手段,主要依赖于探针与目标分析物之间高特异性的生物识别过程,即DNA分子间的特异性互补配对规律,实现对特定序列DNA的快速识别和检测,通过与能量转换器的整合或耦联,提供关于氧化还原标记物的可测信号输出。有效的DNA信号传感系统可以应用于生物医学工程,疾病预防与治疗,新型食品的研发,环境监测与治理等多个研究领域,因此,制备出快速,便携,灵敏的生物传感器来实现对基因表达过程的实时监测和对基因表达产物性质的测定有着十分重要的作用。石墨烯,作为碳的一种新的形态,是sp2杂化碳原子组成的单层材料,是碳的二维结构。由于其有高比表面积、高电传导性、室温下极好的电子迁移率、高机械性能和灵活性,因此可以作为制备电化学传感器和生物传感器的一个理想材料。与碳纳米管不同,石墨烯不含金属杂质,这使它在电化学应用上表现出明显的优势。由于石墨烯的生物兼容性,将其应用于生物传感器领域,将有一个非常好的发展前景。本论文的研究工作主要是将层层自组装技术与石墨烯材料相结合,用于电化学生物传感器的研制中。研究思路表现为：(1)利用石墨烯材料具有的促进电子传递的性能和良好的生物兼容性,作为载体材料,研制具备较高灵敏度和较好选择性的电化学生物传感器；(2)以石墨烯和其它活性材料作为电极的基底材料,利用层层组装技术,研制电化学传感器,并对传感器响应机制进行研究。本论文的研究内容主要包括以下几个部分：1基于石墨烯/聚苯胺纳米线的新型电化学DNA生物传感器石墨烯和聚苯胺纳米线的复合纳米层有着较高的导电性和生物亲合性,研制了一种新型的基于石墨烯-聚苯胺纳米线的DNA生物传感器。由于石墨烯和聚苯胺纳米线之间的协同作用,使得电极具有较好的电子转移活性,该传感器对DNA序列的测定表现出了较大的电流响应。通过场发射扫描电镜,循环伏安和电化学阻抗等手段对电极形貌及其响应特性进行了表征。生物传感器用于DNA的检测具有快速的安培响应、较高的灵敏度和较好的储存稳定性。在优化的实验条件下,该传感器对目标DNA的响应范围：2.12x10-6-2.12x10-12moll-1,相关系数0.9938,检测限为3.25x10-13mol1-1。2普鲁士蓝和壳聚糖修饰的石墨烯糊DNA生物传感器石墨烯和普鲁士蓝的组成能提高电极的电流响应,以一定量的石墨烯,普鲁士蓝和壳聚糖所制得的一种化学修饰石墨烯糊电极,能得到一个比普通碳糊电极更好的的伏安信号。本论文讨论了碳糊的组成比例、探针DNA在壳聚糖膜上的固定时间、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺的作用、互补DNA的杂交温度和时间以及该碳糊电极的电化学行为等。通过研究,。该传感器对目标DNA的响应范围：2.12x10-8-2.12x10-11moll-1,相关系数0.9992,检出限为1.58x10-11 moll-13基于石墨烯用DNA标记的三明治型免疫传感器测定SKOV-3细胞将石墨烯和抗体-DNA的生物结合体研制得到电化学免疫传感器,该传感器对卵巢癌细胞有着高灵敏的响应。石墨烯能放大检测SKOV-3细胞的信号,因此该电极通过在玻碳电极表面的石墨烯层捕获抗体来传递信号。抗原(卵巢癌SKOV-3细胞)与抗体连接后,DNA所标记的抗体被吸附在抗原上。目标DNA与传感器表面的DNA探针杂交,通过电化学指示剂所得到的伏安信号大小,可以检测卵巢癌SKOV-3细胞数量。用SKOV-3细胞作为标准分析物,这种免疫电极的检测限能达到2.9 cells ml-11.4空壳纳米金修饰的新型DNA传感器利用新型材料金纳米空球,通过层层修饰的技术,分别将壳聚糖、空壳纳米金、L-半胱氨酸、细胞色素c以及ssDNA探针修饰到玻碳电极表面,制备了一种新型的DNA生物传感器。以紫外及TEM表征了空壳纳米金,以循环伏安法、阻抗谱图等电化学方法研究了传感器的特性,通过原子力显微镜方法观察了该DNA生物传感器不同层之间的形态差异。结果表明,该修饰电极所吸附的ssDNA探针为1.672x10-10mol cm-2。在指示剂柔红霉素的帮助下,DNA探针可与互补的DNA进行杂交,借此以微分脉冲伏安法测定DNA。

全文目录

摘要  2-5
Abstract  5-12
第一章绪论  12-23
  1.1 石墨烯  12-18
    1.1.1 前言  12-13
    1.1.2 石墨烯的制备  13-15
    1.1.3 石墨烯的功能化  15-16
    1.1.4 石墨烯的应用  16-18
  1.2 DNA生物传感器  18-21
    1.2.1 前言  18-19
    1.2.2 探针固定方法  19-20
    1.2.3 电化学DNA生物传感器标记法  20-21
  1.3 本文构思  21-22
  主要创新点  22-23
第二章基于石墨烯/聚苯胺纳米线的新型电化学DNA生物传感器  23-37
  2.1 引言  23-24
  2.2 实验部分  24-27
    2.2.1 仪器和试剂  24-25
    2.2.2 实验步骤  25-27
      2.2.2.1 石墨烯的制备  25
      2.2.2.2 石墨烯的氧化  25-26
      2.2.2.3 电极的制备  26
      2.2.2.4 DNA的固定和杂交  26-27
    2.2.3 电化学测试  27
  2.3 结果与讨论  27-36
    2.3.1 膜的扫描电子显微镜图和修饰电极的阻抗  27-29
    2.3.2 在PBS溶液中修饰电极的电化学  29-31
    2.3.3 计时库仑法  31-32
    2.3.4 实验条件的优化  32-33
      2.3.4.1 氧化石墨烯浓度的影响  32
      2.3.4.2 在PBS溶液中K~+浓度和杂交温度的影响  32-33
    2.3.5 氧化石墨烯和PANIw的优势  33
    2.3.6 初步应用  33-36
    2.3.7 电极的重现性和稳定性  36
  2.4 小结  36-37
第三章普鲁士蓝和壳聚糖修饰的石墨烯糊DNA生物传感器  37-47
  3.1 引言  37-38
  3.2 实验部分  38-40
    3.2.1 仪器与试剂  38
    3.2.2 电极制备过程  38-40
      3.2.2.1 石墨烯的制备  38-39
      3.2.2.2 电极的制备  39
      3.2.2.3 DNA在壳聚糖和普鲁士蓝修饰的GPE上的固定  39
      3.2.2.4 DNA的杂交和电化学测定  39-40
  3.3 结果与讨论  40-46
    3.3.1 测定条件的优化  40-42
      3.3.1.1 碳糊组成比例的选择  40-41
      3.3.1.2 DNA探针在Chit/PB/GPE表面的固定时间和EDC的作用  41-42
    3.3.2 在PBS溶液中修饰电极的电化学行为  42-43
    3.3.3 初步应用  43-45
    3.3.4 电极的重现性和稳定性  45-46
  3.4 小结  46-47
第四章基于石墨烯用DNA标记的三明治型免疫传感器测定SKOV-3细胞  47-57
  4.1 引言  47-48
  4.2 实验部分  48-51
    4.2.1 仪器与试剂  48-49
    4.2.2 石墨烯的制备  49
    4.2.3 细胞培养  49
    4.2.4 细胞毒性实验  49
    4.2.5 ssDNA-Ab_2生物结合体的合成与纯化  49-50
    4.2.6 石墨烯免疫传感器的制备  50
    4.2.7 电极测定过程  50-51
  4.3 结果与讨论  51-56
    4.3.1 石墨烯的生物相容性  51-52
    4.3.2 ssDNA-Ab_2生物结合体的活性以及其动力学  52-54
    4.3.3 石墨烯免疫电极的电化学行为  54
    4.3.4 实验条件的优化  54-55
    4.3.5 初步应用  55-56
    4.3.6 电极的重现性和稳定性  56
  4.4 小结  56-57
第五章空壳纳米金修饰的新型DNA传感器  57-70
  5.1 引言  57-58
  5.2 实验部分  58-60
    5.2.1 试剂与仪器  58
    5.2.2 修饰电极的制备  58-60
      5.2.2.1 金纳米空球的制备  58-59
      5.2.2.2 电极的修饰  59-60
  5.3 结果与讨论  60-69
    5.3.1 金纳米空壳的UV-vis和TEM表征  60
    5.3.2 层层修饰物质的zeta-电位  60-61
    5.3.3 修饰电极在PBS中的电化学行为  61-62
    5.3.4 修饰电极的电化学阻抗图谱  62-64
    5.3.5 原子力显微镜  64-65
    5.3.6 DNA在ssDNA/Cytc/L-Cys/HGNs/Chits/GCE的微分脉冲伏安响应  65-67
    5.3.7 空壳纳米金与金纳米粒子制备的修饰电极的电流响应特性比较  67-68
    5.3.8 修饰电极的初步应用  68-69
  5.4 小结  69-70
参考文献  70-99
致谢  99-100
附录攻读学位期间所发表的学术论文目录  100-102

基于石墨烯材料的新型DNA生物传感器的研制

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