石墨烯/层状双金属氢氧化物/DNA分子的程序化组装及其应用于电化学生物传感器的研究

DNA biosensor is an important means of analysis and detection of DNA structure using the highly specific biological recognition proeess between the probe and the target sequence. Graphene, as a new form of carbon, is a single-atom thick, two-dimensional sheet of sp2 bonded carbon. Due to its high surface area, excellent electrical conductivity and electron mobility at room temperature, graphene is an ideal material for the preparation of electrochemical sensors and biosensors. Layered double hydroxides (LDHs), hydrotalcite-like compounds, have attracted a great deal of interest for their potential as delivery carriers of DNAs. In this paper, a new electrode system will be fabricated by alternate assembly of inorganic LDH nanosheets, graphene and DNA by layer-by-layer self-assembly technique. With excellent electrical conductivity of graphene and good DNA binding capacities of LDHs, the electrochemical biosensors fabricated with (LDHs/Graphene/LDHs/DNA)n ultrathin film will exhibit improved electrocatalytic activity. The results of this study may provide the theorotic basis for its practical application.

DNA电化学生物传感器是用电化学方法对DNA进行检测和结构分析的生物传感器，其电极修饰材料的性质、探针的固定方式和效率直接影响传感器的整体性能。本研究拟将石墨烯（Graphene）、层状双金属氢氧化物（LDHs）及探针DNA 进行程序化组装，形成(LDHs/Graphene/LDHs/DNA)n 纳米有序复合薄膜，修饰传感器电极。通过调整组装次序及组装层数，将石墨烯优异的电化学性能和LDHs高效的DNA 固定功能完美结合，使电极的修饰过程达到分子尺度可控，以期改善传统DNA电化学生物传感器的性能。该研究的结果将丰富材料化学及电化学相关理论，同时为实际应用提供切入点。

DNA生物传感器是一种对DNA进行检测和结构分析的生物传感器，具有快捷、灵敏度高、廉价、选择性好和使用方便等优点，近年来在病原微生物的快速检测、食品安全以及疾病的早期诊断和治疗等领域得到了广泛的应用。石墨烯(Graphene)是一种二维平面结构的新型碳纳米材料，它具有优异的力学及电学性质、比表面积大、生物相容性好、环境友好等优点，从而在生物/电化学传感器、细胞成像和药物运输等方面具有广阔的应用前景。层状双金属氢氧化物（LDHs）是一种阴离子型层状化合物，具有生物相容性好、毒性低、廉价、离子交换性好等优点，广泛应用于生物传感器领域。由此设想，如果协同石墨烯优异的电化学性能以及有效淬灭性能和LDHs高效的DNA 固定功能有机结合，将有望提高传感器的灵敏度和选择性，从而改善传感器的整体性能。本研究采用化学还原的方法分别以葡萄糖、尿素和水合肼为还原剂制备了一系列石墨烯材料，并对不同方法制备的石墨烯材料的结构、形貌性质进行了系统的研究。结果表明不同方法制备的石墨烯材料均可有效淬灭Ru(phen)3Cl2的荧光，加入DNA后，由于DNA对Ru(phen)3Cl2具有更强的作用力可以将Ru(phen)3Cl2从石墨烯表面竞争下来从而使Ru(phen)3Cl2荧光恢复，实现对DNA的检测。其中，葡萄糖还原的石墨烯的检测效果最佳。此外，以石墨烯和LDHs为前驱体，进行程序化组装，成功制备了石墨烯/ZnAl-LDH纳米复合材料。该复合材料能够有效淬灭Ru(phen)3Cl2的荧光，并且作为Ru(phen)3Cl2的载体实现DNA的选择性检测，实现了LDH纳米复合材料在DNA生物传感器方面的应用。最后，采用一步水热法成功制备了HPTS/NiFe-LDH纳米复合材料，并对该材料的结构、形貌和性质进行了系统的研究。结果表明，HPTS/NiFe-LDH纳米复合材料能够作为二氧化碳传感器成功的对二氧化碳气体进行选择性检测，开辟了LDHs纳米复合材料在二氧化碳传感器新领域的应用，为实际应用提供切入点。