金表面DNA/烷基硫醇混合单层杂化的“尺寸匹配”研究

Electrochemical DNA sensor is widely applied to biomedical engineering, gene diagnosis and environmental monitoring for its easy preparation, high sensitivity and low cost etc. Thiol-modified probe DNA chains and simple thiols are often co-assembled on gold to construct DNA/thiols sensor for detecting target DNA chains due to the covalent effect of thiols and gold. However, the current studies about DNA/thiols sensor are not systematic, more focus on the sensing effects (detection limit, sensitivity etc), and rarely analyze and refine the internal rules of DNA hybridization from the structural model, which lead to the sequacious design of DNA/thiols sensor. In this project, we choose simple alkanethiols to assemble with thiol-modified probe DNA chains and systematically investigate the effect of end groups、chain length and mixed ratio of alkanethiols on hybridization abilities (hybridization efficiency and hybridization density) of DNA/alkanethiols binary and ternary monolayers on gold by chronocoulometry (CC), cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The aim is to obtain the end group、chain length and mixed ratio of alkanethiols for constructing DNA/alkanethiols sensor with the best optimal hybridization effect. More importantly, based on our recently proposed simple ideal model of thiol-modified DNA monolayers on gold, we explore the "size fitting effect" for hybridization of DNA/alkanethiols binary and ternary monolayers on gold. This research is very significant in guiding the construction of electrochemical DNA sensor and the optimization of DNA sensing performance.

电化学DNA传感器具有制备简单、灵敏度高及费用低等优点使其在生物医学工程、基因疾病诊断和环境检测领域有着广泛的应用。由于巯基和金的特异性作用，常利用巯基修饰DNA和硫醇分子在金表面共组装形成混合单层来构建DNA传感器，对目标DNA进行杂化测定。然而，目前DNA/硫醇混合单层的传感研究尚不系统，而且多侧重测定效果（检测限和灵敏度等），很少从结构模型上分析提炼传感杂化的规律，导致设计DNA传感器时较为盲目。本项目采用计时库仑、循环伏安和电化学交流阻抗法，系统考察硫醇端基官能团、链长以及混合硫醇比例对金表面DNA/烷基硫醇双组分和三组分单层杂化性能（杂化效率和杂化密度）的影响，得到最优化杂化时硫醇端基官能团、链长以及混合硫醇比例。基于我们近期提出的金表面DNA简单理想模型，探讨DNA优化杂化的"尺寸匹配"规律。此研究对于电化学DNA传感器的构建及其传感性能的优化具有重要的指导意义。

电化学DNA传感器具有操作简单、信号响应快、灵敏度高以及费用低等优点，在生物医学工程、基因疾病诊断和环境检测领域有着广泛的应用。电化学DNA 传感器是以DNA为敏感元件，将探针DNA 固定于载体电极表面，和溶液中的目标DNA发生杂化反应，根据杂化前后电化学信号（电流、电量及电容等）的变化对目标DNA进行检测的器件。由于巯基和金的特异性作用，常采用巯基修饰DNA在金表面自组装形成的探针DNA单层来构建DNA传感器，对溶液中的目标DNA进行杂化检测。硫醇分子和探针DNA分子共组装可以减少DNA的非特异性吸附，使金表面的DNA分子更加直立，减少杂化反应的空间位阻，增大DNA的杂化效率和杂化密度，提升DNA传感器性能。因此，探讨巯基修饰DNA和硫醇分子混合单层的传感杂化性能成为了一个研究热点。DNA/硫醇混合单层的传感杂化研究存在两个主要问题：a）构建DNA/硫醇混合单层时较为盲目。文献报道的组装条件较为随意，并非在优化条件下构建；b）研究多侧重测试效果（检测限、灵敏度），很少从结构模型角度分析DNA优化杂化的一般规律。针对上述问题，基于实际情况，我们从基础出发，从以下三个方面对金表面DNA/硫醇混合单层的杂化性能进行了系统研究：1）金表面巯基化DNA单层性能的基础研究。我们对金表面巯基化DNA单层性能的影响因素研究进展进行了综述，考察了不同预处理方法对巯基化双链和单链DNA在金电极上自组装的影响，探讨了不同因素（阶跃电位窗口、钌铵盐浓度及溶液pH值）对计时库仑法求算DNA单层表面覆盖量的影响。这些研究为探讨DNA/烷基硫醇混合单层的杂化规律提供了支持；2）金表面上DNA/烷基硫醇混合单层杂化的“尺寸匹配”研究。我们提出了金表面DNA杂化的简单理想模型，系统考察了DNA链长、混合硫醇类型以及金基底形貌对DNA杂化性能的影响。基于DNA杂化模型和实验数据，我们提炼出了DNA优化杂化的“尺寸匹配”规律；3）金表面上DNA/烷基硫醇混合单层的电子传递研究。我们系统考察了金表面预处理方法、金表面粗糙度、混合硫醇类型以及DNA表面覆盖量等对电活性探针（二茂铁及亚甲基蓝）通过DNA单层的电子传递速率影响。此研究为DNA电化学传感器的优化构建提供了重要的参考。基于本项目基金资助，目前共发表研究论文6篇，其中SCI收录论文5篇，国内核心论文1篇；会议论文4篇，分会口头报告1次。