基于石墨烯增强DNA修饰电极电子传递电化学生物传感器研究

As a single atom thick two-dimensional carbon nanomaterial, graphene has a large specific surface area and excellent electrical properties, superior thermal conductivity and excellent mechanical properties. It has broad application prospects in chemical and biological sensing, electronics, new energy fields. The project is mainly based on π-π stacking interactions between graphene and ssDNA, through the controlled self-assembly of graphene on the DNA modified electrode surface, and consider graphene as indirect electroactive labels for the electrochemical sensor, The influence of graphene structure, size, morphology and assembly methods for electron transfer will be studied systematically and further elucidate its mechanism, which will benefit the building of a label free electrochemical DNA biosensor with high sensitivity , good selectivity and stability. We hope the work will expand the application of graphene in electrochemical biosensing field with deep development, while providing an important reference value for the assembly of graphene based functional nanodevices.

作为一种只有单原子厚度的二维碳纳米材料，石墨烯具有大的比表面积、优异的电学性能、出众的热导率以及卓越的力学性能，在化学生物传感、电子器件、新能源领域有着广阔的应用前景。本项目基于石墨烯和ssDNA之间的π−π 堆积作用，围绕石墨烯在DNA修饰电极表面的可控自组装，将石墨烯作为间接的信号分子引入，系统研究石墨烯的结构、尺寸、形貌及组装方式对增强电子传递的影响，阐明其作用机制。进而构建一种免标记、灵敏度高、选择性、稳定性好的电化学DNA生物传感器用于实际样品检测。该工作将拓展石墨烯向电化学生物传感领域更深层次发展，同时为石墨烯的功能纳米器件的组装研究提供重要的参考价值。

本项目基于石墨烯和DNA之间的π−π相互作用，围绕石墨烯在DNA修饰电极表面的可控自组装，将石墨烯作为间接的信号分子引入，构建电化学DNA生物传感器。主要有以下进展：（1）拓展了石墨烯的制备方法及相关分离技术。利用煤等廉价碳源为原料，采用绿色的化学氧化还原方法，通过离心，超滤等分离手段，制备不同尺寸、层数的石墨烯。（2）不同尺寸、层数和不同方法制备石墨烯增强DNA修饰电极电子传递性能影响。a) 小尺寸的石墨烯由于更多的表面缺陷密度即更易氧化在DNA电极修饰表面具有更高的非均相电子转移速率常数; b) 单层石墨烯较于多层石墨烯由于和DNA有更多的有效比表面接触，能更有效增强非均相电子传递速率；c)物理法制备的石墨烯由于石墨烯强疏水作用，不利于和DNA通过π−π作用结合。（3）石墨烯在不同密度和长度DNA修饰电极增强电子传递性能。DNA在电极表面的自组装密度越小，长度越短，DNA和石墨烯结合能力越弱，背景电流越大。（4）以金属离子为模式检测对象，基于金属离子和碱基特异性相互作用，构建了免标记石墨烯增强DNA修饰电极电子传递的电化学传感器。该传感器背景信号低，灵敏度高，可再生。上述结果表明，深入研究石墨烯和DNA在电极表面组装及增强电子传递作用，为构建免标记、低成本、选择性和稳定性好的电化学DNA生物传感器用于实际检测奠定了坚实基础，也为石墨烯/DNA纳米器件在其它领域研究提供重要参考价值。