聚合物膜与自组装膜制备电化学DNA传感器的研究

论文摘要

近几年来,DNA电化学生物传感器作为一种新的DNA生物传感器,在检测特定序列的DNA时以其快速、简单、廉价而备受关注,发展十分迅速。根据电化学DNA传感器的制作目的,大致可以分为两类:一类是电化学DNA杂交传感器也可以称为电化学基因识别传感器,它是在电极表面固定单链DNA（ssDNA）作为探针,实现对与探针互补的目标DNA的检测。另一类则是非基因识别的电化学DNA传感器,它是在电极表面固定双链DNA（dsDNA）作为传感器的敏感器件,它的作用在于其它物质与敏感元件的作用或者利用DNA的特性来实现对特定物质的检测和研究,如研究DNA的结构、小分子与DNA的相互作用、金属离子的测定以及电催化应用等。这其中电化学基因识别传感器是当前研究的热点。制备电化学基因识别传感器,首先必须将DNA探针固定到电极表面,然后通过DNA杂交检测探针的互补序列。目前已经发展起来了各种各样的DNA固定化技术,如表面吸附法,共价键合法,自组装法,电聚合法和组合法等。其中自组装法和电聚合法可以综合利用共价键合法和吸附法将DNA固定于电极上。本论文制备了三种聚合物膜和一种自组装膜修饰电极用于固定DNA。论文分为三个部分,分别为前言部分、第一部分（三种聚合物膜制备DNA电化学传感器的研究）、第二部分（基于对-巯基苯胺自组装膜的DNA电化学传感器的构建及其应用）。前言部分首先系统介绍了DNA的结构及DNA的分子导电性。其次介绍了DNA电化学生物传感器的研究进展和分类,DNA电化学传感器的设计（DNA片段的固定方法以及杂交信号的转化两方面）以及在基因检测方面的应用和今后的发展趋势。其中在固定方法方面着重介绍了自组装法和电聚合法,在信号转换方面着重介绍了无指示剂型基于交流阻抗技术的构建的电化学DNA生物传感器。随后介绍了非基因识别型DNA电化学传感器在对DNA结构的研究、环境监测、金属离子的测定、药物的检测、筛选及抗病机理的研究等方面的应用。最后综合文献提出目前聚合物膜与自组装膜修饰电极用于固定DNA所存在的问题以及本课题的创新

论文目录

• 独创性声明
• 学位论文使用授权书
• 摘 要
• Abstract
• 0 前言
• 1 DNA 电化学生物传感器
• 1.1 DNA 的结构
• 1.2 DNA 的分子导电性
• 1.2.1 DNA 分子中电荷传递的研究方法
• 1.2.2 影响 DNA 分子内电子转移的因素
• 1.2.2.1 碱基错配
• 1.2.2.2 DNA 修饰膜的螺旋链的排列
• 1.3 电化学 DNA 传感器
• 1.3.1 电化学 DNA 传感器的研究现状
• 1.3.2 电化学基因识别型传感器
• 1.3.2.1 电化学基因识别型传感器的原理
• 1.3.2.2 DNA 在基底材料上的固定方法
• 1.3.2.2.1 直接吸附法
• 1.3.2.2.2 直接共价键合法
• 1.3.2.2.3 蛋白质结合法
• 1.3.2.2.4 聚合物膜法
• 1.3.2.2.5 自组装膜法
• 1.3.2.3 DNA 分子杂交技术
• 1.3.2.3.1 影响杂交的一些因素
• 1.3.2.3.2 杂交速率
• 1.3.2.4 电化学基因识别传感器的杂交信息表达
• 1.3.2.4.1 指示剂型
• 1.3.2.4.2 无指示剂或标记型（Indicator Free & Label Free·）
• 1.3.2.5 关于基因识别型DNA 电化学传感器的展望
• 1.3.3 非基因识别型 DNA 电化学传感器
• 2 存在的问题、建议
• 3 课题的提出及研究内容
• 参考文献
• 第一部分 三种聚合物膜制备DNA 电化学传感器的研究
• 2+膜制备 DNA 杂交型电化学传感器的研究'>第一章 基于聚2,6-吡啶二甲酸/Mg²⁺膜制备 DNA 杂交型电化学传感器的研究
• 1 实验部分
• 1.1 仪器与试剂
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 电极处理
• 1.2.2 Mg/PDC/GC 电极的制备
• 1.2.3 单链DNA 的固定与杂交
• 1.2.4 以MB为杂交指示剂对DNA固定和杂交的电化学表征
• 3Fe（CN）₆/K₄Fe（CN）₆混合体系的交流阻抗技术表征'>1.2.5 采用K₃Fe（CN）₆/K₄Fe（CN）₆混合体系的交流阻抗技术表征
• 2²⁺与DNA的相互作用的电化学研究'>1.2.6 Co（phen）₂²⁺与DNA的相互作用的电化学研究
• 2 结果与讨论
• 2.1 Mg/PDC/GC 电极的制备与表征
• 2.2 ssDNA 在Mg/PDC/GC 电极上固定的表征及最佳条件选择
• 2.2.1 ssDNA 在Mg/PDC/GC 电极上固定的表征
• 3Fe（CN）₆对ssDNA在Mg/PDC/GC电极上固定的表征'>2.2.1.1 K₃Fe（CN）₆对ssDNA在Mg/PDC/GC电极上固定的表征
• 2.2.1.2 亚甲基兰对ssDNA 在Mg/PDC/GC 电极上固定的表征
• 2.2.2 ssDNA 在Mg/PDC/GC 电极上的固定最佳条件选择
• 3Fe（CN）₆为指示剂'>2.2.2.1 以K₃Fe（CN）₆为指示剂
• 2.2.2.2 以亚甲基兰为指示剂
• 2.3 ssDNA/Mg/PDC/GC 电极的杂交的表征及最佳条件选择
• 2.3.1 以亚甲基兰为杂交指示剂
• 2.3.1.1 亚甲基兰在ssDNA（dsDNA）/Mg/PDC/GC 电极上的伏安行为
• 2.3.1.2 DNA 杂交条件的选择
• 6^3-/Fe（CN）₆^4-的电化学交流阻抗表征'>2.3.2 基于Fe（CN）₆^3-/Fe（CN）₆^4-的电化学交流阻抗表征
• 2²⁺作为杂交指示剂的初步探讨'>2.4 Co（phen）₂²⁺作为杂交指示剂的初步探讨
• 参考文献
• 第二章 DNA在聚L-谷氨酸膜上固定和杂交的伏安法研究
• 3+膜的DNA电化学传感器的制备'>第一节 基于聚L-谷氨酸/Al³⁺膜的DNA电化学传感器的制备
• 1 实验部分
• 1.1 仪器与试剂
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 CPE 的制备
• 1.2.2 Al/PLGA/CPE 电极的制备
• 1.2.3 ssDNA 在Al/PLGA/CPE 电极的固定
• 1.2.4 ssDNA 的杂交
• 1.2.5 ssDNA 在电极上进行固定和杂交的电化学表征
• 1.2.5.1 以MB 为杂交指示剂对DNA 固定和杂交的电化学表征
• 1.2.5.2 以Co（phen）22+为杂交指示剂对DNA 固定和杂交的电化学表征
• 2 结果与讨论
• 2.1 PLGA/CPE 电极的制备
• 2.2 以MB 作为指示剂对ssDNA 在Al/PLGA/CPE 电极上的固定和杂交的表征
• 2.2.1 MB 在DNA/Al/PLGA/CPE 上的微分脉冲伏安行为
• 2.2.2 ssDNA 固定和杂交条件的优化
• 2.2.2.1 Al/PLGA /CPE 电极制备条件的选择
• 2.2.2.2 ssDNA 在Al/PLGA/CPE 电极上固定化条件的选择
• 2.2.2.3 ssDNA 杂交条件的选择
• 2²⁺为指示剂对固定和杂交的研究'>2.3 以Co（phen）₂²⁺为指示剂对固定和杂交的研究
• 2²⁺在ssDNA/Al/PLGA/CPE 上的循环伏安行为'>2.3.1 Co（phen）₂²⁺在ssDNA/Al/PLGA/CPE 上的循环伏安行为
• 2²⁺在DNA/Al/PLGA/CPE上的微分脉冲伏安行为'>2.3.2 Co（phen）₂²⁺在DNA/Al/PLGA/CPE上的微分脉冲伏安行为
• 2.3.3 ssDNA固定和杂交条件的优化
• 2.3.3.1 ssDNA 在Al/PLGA/CPE 电极上固定化条件的选择
• 2.3.3.2 ssDNA 杂交条件的选择
• 2.3.3.2.1 浸泡吸附法固定ssDNA 杂交条件的选择
• 2.2.3.2.2 恒电位吸附法固定ssDNA 杂交条件的选择
• 第二节 基于聚L-谷氨酸膜共价键合法制备DNA电化学传感器
• 1 实验部分
• 1.1 仪器与试剂
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 CPE 的制备
• 1.2.2 PLGA/CPE 电极的制备
• 1.2.3 ssDNA 在PLGA/CPE 电极的固定及杂交
• 2 结果与讨论
• 2²⁺在DNA/PLGA/CPE 上的循环伏安行为'>2.1 Co（phen）₂²⁺在DNA/PLGA/CPE 上的循环伏安行为
• 2.2 ssDNA 固定和杂交条件的优化
• 2.2.1 PLGA/CPE 电极上共价键合固定ssDNA 条件的选择
• 2.2.2 杂交条件的选择
• 参考文献
• 2+及聚邻氨基酚/Ni²⁺-DNA 修饰碳糊电极的制备及其对多巴胺的电化学检测'>第三章 聚邻氨基酚/Ni²⁺及聚邻氨基酚/Ni²⁺-DNA 修饰碳糊电极的制备及其对多巴胺的电化学检测
• 2+修饰碳糊电极的制备及其对多巴胺的选择性检测'>第一节 聚邻氨基酚/Ni²⁺修饰碳糊电极的制备及其对多巴胺的选择性检测
• 1 实验部分
• 1.1 仪器与试剂
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 CPE 的制备
• 2+/P-OAP/CPE 修饰电极的制备'>1.2.2 Ni²⁺/P-OAP/CPE 修饰电极的制备
• 2+/P-OAP/CPE 电极的伏安特性研究'>1.2.3 Ni²⁺/P-OAP/CPE 电极的伏安特性研究
• 2+/P-OAP/CPE 修饰电极电催化氧化多巴胺'>1.2.4 Ni²⁺/P-OAP/CPE 修饰电极电催化氧化多巴胺
• 2 结果与讨论
• 2.1 P-OAP膜的制备
• 2+/P-OAP/CPE 电极的伏安特性'>2.2 Ni²⁺/P-OAP/CPE 电极的伏安特性
• 2+/P-OAP/CPE电极上的电化学行为'>2.3 多巴胺在Ni²⁺/P-OAP/CPE电极上的电化学行为
• 2.4 最佳催化条件选择
• 2.4.1 聚合圈数的选择
• 2+时间的选择'>2.4.2 最佳泡Ni²⁺时间的选择
• 2.4.3 电极的活化时间
• 2.4.4 缓冲溶液 pH 值的影响
• 2+/P-OAP/CPE 电极对DA 的电催化测定'>2.5 Ni²⁺/P-OAP/CPE 电极对DA 的电催化测定
• 2.6 抗坏血酸存在时对多巴胺的选择性检测
• 2+/聚邻氨基酚修饰碳糊电极的伏安行为'>第二节 多巴胺在dsDNA/Ni²⁺/聚邻氨基酚修饰碳糊电极的伏安行为
• 1 实验部分
• 1.1 仪器与试剂
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 CPE 的制备
• 2+/P-OAP/CPE 修饰电极的制备'>1.2.2 Ni²⁺/P-OAP/CPE 修饰电极的制备
• 2+/P-OAP/CPE 电极的伏安特性研究'>1.2.3 Ni²⁺/P-OAP/CPE 电极的伏安特性研究
• 2+/P-OAP/CPE 电极的固定'>1.2.4 dsDNA 在Ni²⁺/P-OAP/CPE 电极的固定
• 2+/P-OAP/CPE 修饰电极电催化氧化多巴胺'>1.2.5 dsDNA/Ni²⁺/P-OAP/CPE 修饰电极电催化氧化多巴胺
• 2 结果与讨论
• 2+/P-OAP 膜的制备'>2.1 Ni²⁺/P-OAP 膜的制备
• 2+/P-OAP/CPE 电极的伏安特性'>2.2 Ni²⁺/P-OAP/CPE 电极的伏安特性
• 2+/P-OAP/CPE 电极上的固定及其表征'>2.3 dsDNA 在Ni²⁺/P-OAP/CPE 电极上的固定及其表征
• 2+/P-OAP/CPE 电极上固定化条件选择'>2.4 dsDNA 在Ni²⁺/P-OAP/CPE 电极上固定化条件选择
• 2+/P-OAP/CPE 电极电催化多巴胺的研究'>2.5 dsDNA/Ni²⁺/P-OAP/CPE 电极电催化多巴胺的研究
• 2+/P-OAP/CPE 修饰电极对多巴胺选择性检测'>2.6 dsDNA/Ni²⁺/P-OAP/CPE 修饰电极对多巴胺选择性检测
• 参考文献
• 第二部分 基于对-巯基苯胺自组装膜的 DNA 电化学传感器的构建及其应用
• 第一章 对-巯基苯胺自组装膜修饰电极的制备
• 1 实验部分
• 1.1 仪器与试剂
• 1.2 PATP/Au 自组装膜的制备
• 2 结果与讨论
• 2.1 PATP/Au 自组装膜制备原理
• 2.2 PATP/Au 自组装膜伏安法表征
• 2.3 PATP/Au 自组装膜电化学交流阻抗法表征
• 2.4 自组装时间的选择
• 第二章 ssDNA在PATP自组装膜上的固定与杂交
• 第一节恒电位吸附法固定ssDNA
• 1 实验部分
• 1.1 仪器与试剂
• 1.2 实验方法
• 2 结果与讨论
• 2Cl₂在DNA/PATP/Au 上的微分脉冲伏安行为'>2.1 Co（phen）₂Cl₂在DNA/PATP/Au 上的微分脉冲伏安行为
• 2.2 ssDNA 固定和杂交的最佳条件的选择
• 2.2.1 固定ssDNA 条件的选择
• 2.2.2 杂交条件的选择
• 第二节共价键合法固定ssDNA
• 1 实验部分
• 1.1 仪器与试剂
• 1.2 实验方法
• 2 结果与讨论
• 2Cl₂在DNA/PATP/Au 上的电化学行为'>2.1 Co（phen）₂Cl₂在DNA/PATP/Au 上的电化学行为
• 2.2 铁氰化钾在DNA/PATP/Au 上的电化学行为
• 2.3 ssDNA固定和杂交条件的选择
• 2.3.1 EDC 的活化作用
• 2.3.2 活化固定时间的选择
• 2.3.3 杂交条件的选择
• 第三节 电位控制-共价键合法固定DNA
• 1 实验部分
• 1.1 仪器与试剂
• 1.2 实验方法
• 2 结果与讨论
• 2Cl₂在DNA/PATP/Au 上的电化学行为'>2.1 Co（phen）₂Cl₂在DNA/PATP/Au 上的电化学行为
• 2.2 铁氰化钾在DNA/PATP/Au 上的电化学行为
• 2.2.1 铁氰化钾在DNA/PATP/Au 上的循环伏安行为
• 2.2.2 铁氰化钾在DNA/PATP/Au 上的交流阻抗行为
• 2.3 ssDNA固定和杂交条件的选择
• 2.3.1 ssDNA 固定条件的选择
• 2.3.1.1 最佳固定电位的选择
• 2.3.1.2 DNA 固定时间的选择
• 2.3.2 杂交条件的选择
• 2.4 DNA 电化学传感器的应用
• 2.4.1 碱基序列的测定
• 2.4.2 孔雀石绿作为电化学标记物的研究
• 参考文献
• 结论
• 附录：攻读博士学位期间发表的论文目录
• 致谢