CN103616418A - 一种dna电化学生物传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种DNA电化学生物传感器及其制备方法，包括：（1）将1mg/mLGr-WS2复合材料水分散液加入1mg/mL壳聚糖醋酸溶液中，超声分散1h，取8μL该混合液滴涂到预处理的玻碳基底上晾干。（2）将上述电极浸泡在金胶中12h，冲洗晾干后在25℃下与1.0×10- 6mol/LDNA探针反应10h，洗净后，用1.0×10- 3mol/L的巯基乙醇封闭2h，再与目标DNA在30℃下反应50min制得DNA电化学生物传感器。本发明所述的DNA电化学生物传感器有效地将Gr-WS2纳米复合材料与金纳米结合起来，有利于同时发挥两者的优点，具有稳定性好、灵敏度高、选择性好、重现性好、便于携带、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电化学传感器领域，具体为一种DNA电化学生物传感器及其制备方法。
背景技术
DNA电化学生物传感器是一种以DNA作为识别元件，通过DNA序列进行识别的生物传感器，它能够将目标DNA的存在转变为可检测的电信号。与传统的标记基因技术相比较，DNA电化学生物传感器具有更为快速、简便、无污染等特点，并且避免了不能定量和受到污染导致假阳性的问题。此外，DNA分子识别层十分稳定，也易于再生、合成，这使得DNA电化学生物传感器在基因分析领域发挥着至关重要的作用，被广泛应用于医学、食品工业、环境监控、药物研发等领域，已成为当今生物传感器领域中的前沿课题。
由于纳米材料一般具有比表面积大、生物兼容性好及导电性好等特点，常被应用于DNA电化学生物传感器的构建。为了进一步提高传感器的灵敏度，科学家们一直致力于开发新型的、具有优良性能的纳米复合材料。石墨烯是由碳的单原子层构成的准二维晶格结构的材料, 其基本结构单元为稳定的苯六元环。石墨烯（Gr）具有诸如优良的机械性能、好的导电性能、高比表面积、制备成本低、可加工性好等优点，被广泛应用于材料、化学、生物、电子等领域。然而，石墨烯片与片之间有较强的范德华力, 容易产生聚集，而且其化学稳定性高，表面呈惰性状态, 因此水溶性差, 这给石墨烯的进一步研究和应用造成了困难。为此，近来人们致力于发展各种性能优良的石墨烯复合材料。硫化钨（WS2）是一种层状的过渡金属二硫化物，它具有和石墨类似的结构，由三个原子层（S-W-S）通过范德华力堆积而成，这使得它具有比表面积大、吸附能力强，反应活性高等特点。此外，由于它的层间主要由弱的范德华力维持，因此易于插入其它纳米粒子形成插层复合材料，使其具有新的电学、催化、磁性等性能。
因此，将石墨烯与WS2相结合发展的纳米复合材料用于制备新型DNA电化学传感器，充分发挥两者的协同作用，提高传感器的性能已经是一个值得研究的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种将Gr-WS2纳米复合材料与金纳米有效结合起来，有利于同时发挥两者的优点，显著提高传感器的灵敏度的DNA电化学生物传感器及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种DNA电化学生物传感器，包括生物传感器玻碳基底，修饰在生物传感器玻碳基底上的Gr-WS2/壳聚糖(CS)薄膜，与Gr-WS2/壳聚糖(CS)薄膜固定及杂交在一起的目标DNA。
所述的DNA电化学生物传感器的制备方法为：
（1）生物传感器的玻碳基底上修饰上Gr-WS2/壳聚糖(CS)薄膜；
首先将玻碳基底进行预处理，然后将8 μL的Gr-WS2/CS混合液滴涂到玻碳基底上，在空气中晾干；
（2）DNA的固定及杂交：
将Gr-WS2/CS薄膜修饰的玻碳基底浸泡在金胶中12 h，用水冲洗后晾干，然后在室温下浸泡在DNA探针（ssDNA）溶液中10 h，用缓冲溶液冲洗干净后，浸泡在巯基乙醇溶液中封闭2 h；取出，用缓冲溶液冲洗干净。随后将传感器与目标DNA在30 ℃下反应50 min，用缓冲溶液洗净、晾干，即可完成DNA的固定与杂交；
所述步骤（1）中Gr-WS2/CS混合液的制备方法为： 1 mg的Gr-WS2复合材料在1 mL的二次蒸馏水中超声分散30 min，然后加入1 mL浓度为1 mg/mL的CS醋酸溶液，超声分散1 h；
所述步骤（1）中玻碳基底预处理过程为：先用抛光粉对玻碳基底进行打磨，然后分别用乙醇和二次蒸馏水进行超声清洗。
所述步骤（2）中ssDNA的浓度为1.0 × 10-6 mol/L，室温为25 ℃。巯基乙醇溶液的浓度为1.0 × 10-3 mol/L。
所述步骤（1）和（2）中的缓冲溶液为含有0.9 % NaCl的0.1 mol/L的磷酸盐 (pH 6.0)缓冲溶液。
积极有益效果：
（1）本发明所述的DNA电化学生物传感器将Gr-WS2纳米复合材料与金纳米有效结合起来，有利于同时发挥两者的优点，显著提高传感器的灵敏度。
（2）本发明所述的DNA电化学生物传感器的制备材料为全固态的、不含对人体有毒的、污染环境的无机纳米材料。
（3）本发明所述的DNA电化学生物传感器具有稳定性好、灵敏度高、选择性好、重现性好、便于携带、成本低等优点。
附图说明
图1 为实施例（1）中制备的Gr-WS2纳米复合材料SEM图；
图2为实施例（1）中制备的Gr-WS2纳米复合材料TEM图；
图3为Gr及实施例（1）中制备的Gr-WS2纳米复合材料XRD图；
图4为实施例（2）中不同修饰电极在含有0.1 mol/L KCl的5 mmol/L [Fe(CN)6]3?/4?溶液中的DPV曲线图；
图5为不同浓度的目标DNA在传感器上的DPV曲线图和电流响应信号与目标DNA浓度对数的线性关系图；
图中为：曲线a为裸玻碳电极，曲线b为WS2-Gr复合材料修饰玻碳电极。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步说明：
一种DNA电化学生物传感器，包括生物传感器玻碳基底，修饰在生物传感器玻碳基底上的Gr-WS2/壳聚糖(CS)薄膜，与Gr-WS2/壳聚糖(CS)薄膜固定及杂交在一起的目标DNA。
所述的DNA电化学生物传感器的制备方法为：
（1）生物传感器的玻碳基底上修饰上Gr-WS2/壳聚糖(CS)薄膜；
首先将玻碳基底进行预处理，然后将8 μL的Gr-WS2/CS混合液滴涂到玻碳基底上，在空气中晾干；
（2）DNA的固定及杂交：
将Gr-WS2/CS薄膜修饰的玻碳基底浸泡在金胶中12 h，用水冲洗后晾干，然后在室温下浸泡在DNA探针（ssDNA）溶液中10 h，用缓冲溶液冲洗干净后，浸泡在巯基乙醇溶液中封闭2 h；取出，用缓冲溶液冲洗干净。随后将传感器与目标DNA在30 ℃下反应50 min，用缓冲溶液洗净、晾干，即可完成DNA的固定与杂交；
所述步骤（1）中Gr-WS2/CS混合液的制备方法为： 1 mg的Gr-WS2复合材料在1 mL的二次蒸馏水中超声分散30 min，然后加入1 mL浓度为1 mg/mL的CS醋酸溶液，超声分散1 h；
所述步骤（1）中玻碳基底预处理过程为：先用抛光粉对玻碳基底进行打磨，然后分别用乙醇和二次蒸馏水进行超声清洗。
所述步骤（2）中ssDNA的浓度为1.0 × 10-6 mol/L，室温为25 ℃。巯基乙醇溶液的浓度为1.0 × 10-3 mol/L。
所述步骤（1）和（2）中的缓冲溶液为含有0.9 % NaCl的0.1 mol/L的磷酸盐 (pH 6.0)缓冲溶液。
实施例1：DNA电化学生物传感器的制备
（1）生物传感器的玻碳基底上修饰上Gr-WS2/CS薄膜
首先将CS加到1%（v%）的醋酸溶液中搅拌1 h，制得1 mg/mL的CS醋酸溶液。将1 mg的Gr-WS2复合材料加到1 mL的二次蒸馏水中超声分散30 min，然后加入1 mL上述CS醋酸溶液，超声分散1 h，得到Gr-WS2/CS混合液。用抛光粉对玻碳基底进行打磨，然后分别用乙醇和二次蒸馏水进行超声清洗，晾干。将8 μL上述的Gr-WS2/CS混合液滴涂到玻碳基底上，在空气中晾干。
（2）DNA的固定及杂交
将Gr-WS2/CS薄膜修饰的玻碳基底浸泡在金胶中12 h，用水冲洗后晾干，然后在25 ℃下浸泡在1.0 × 10-6 mol/L DNA探针（ssDNA）溶液中反应10 h，用磷酸盐缓冲溶液冲洗干净后，浸泡在1.0 × 10-3 mol/L的巯基乙醇溶液中反应2 h。将电极取出，用缓冲溶液冲洗干净。随后将传感器与目标DNA在30 ℃下反应50 min，用缓冲溶液洗净、晾干，即可完成DNA的固定与杂交。
上述Gr-WS2纳米复合材料的合成方法参见文献（K.J. Huang, L. Wang, Y.J. Liu, T. Gan, Y.M. Liu, L.L. Wang, Y. Fan，Electrochimica Acta 2013, 107: 379-387）。
如图1和图2所示，片状的WS2纳米片紧密地堆积在Gr上。
如图3所示，在X射线衍射图（XRD）上，Gr-WS2纳米复合材料的谱图上同时出现了WS2和Gr的特征峰，表明生成了Gr-WS2纳米复合材料。
如图4所示，在含有0.1 mol/L KCl的5.0 × 10-3 mol/L的[Fe(CN)6]3?/4?溶液中，扫描速度为100 mV/s，Gr-WS2纳米复合材料修饰的玻碳电极上的氧化还原峰电流明显大于裸玻碳电极，说明Gr-WS2纳米复合材料能显著促进电子在修饰电极上的传递速度，有利于提高传感器的灵敏度。
实施例2
如图5所示，上述本发明制备的DNA电化学生物传感器用于测定不同浓度的目标DNA。测定条件：测定介质为含有0.1 mol/L KCl的5.0 × 10-3 mol/L的[Fe(CN)6]3?/4?溶液；采用差分脉冲伏安法（DPV），其测定参数为：脉冲振幅0.05 V，脉冲周期0.5 s，电位扫描范围：-0.1~0.8 V。在图5中，电流强度与目标DNA浓度的对数在1.0×10-14 ~ 5.0×10-10 mol/L范围内呈良好的线性关系，检出限为2.3 × 10-15 mol/L。说明该生物传感器可用于DNA序列的灵敏检测。
上述实施例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于下述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之内。
Claims (5)
1.一种DNA电化学生物传感器，其特征在于：包括生物传感器玻碳基底，修饰在生物传感器玻碳基底上的Gr-WS2/壳聚糖(CS)薄膜，与Gr-WS2/壳聚糖(CS)薄膜固定及杂交在一起的目标DNA。
2.如权利要求1所述的DNA电化学生物传感器，其特征在于其制备方法，步骤如下：
（1）生物传感器的玻碳基底上修饰上Gr-WS2/壳聚糖(CS)薄膜：
首先将玻碳基底进行预处理，然后将8 μL的Gr-WS2/CS混合液滴涂到玻碳基底上，在空气中晾干；
（2）DNA的固定及杂交：
将Gr-WS2/CS薄膜修饰的玻碳基底浸泡在金胶中12 h，用水冲洗后晾干，然后在室温下浸泡在DNA探针（ssDNA）溶液中10 h，用缓冲溶液冲洗干净后，浸泡在巯基乙醇溶液中封闭2 h；取出，用缓冲溶液冲洗干净；随后将传感器与目标DNA在30 ℃下反应50 min，用缓冲溶液洗净、晾干，即可完成DNA的固定与杂交。
3.根据权利要求2所述的DNA电化学生物传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中Gr-WS2/CS混合液的制备方法为： 1 mg的Gr-WS2复合材料在1 mL的二次蒸馏水中超声分散30 min，然后加入1 mL浓度为1 mg/mL的CS醋酸溶液，超声分散1 h。
4.根据权利要求2所述的DNA电化学生物传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中ssDNA的浓度为1.0 × 10-6 mol/L，室温为25 ℃，巯基乙醇溶液的浓度为1.0 × 10-3 mol/L。
5.根据权利要求2所述的DNA电化学生物传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）和（2）中的缓冲溶液为含有0.9 % NaCl的0.1 mol/L的磷酸盐 (pH 6.0)缓冲溶液。
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