基于功能化ZnO/金刚石电化学DNA生物传感器的构建和性能研究

Electrochemical DNA biosensor is one of novel techniques for the detection of DNA sequences, which has received wide attention due to its quick response, simple operation, low-cost, high sensitivity, high specificity and availability of miniaturization. It offers the opportunities for better diagonsis, pevention and treatment of human diseases. Besides, It aslo can be discovered the application in the field of food safety and counter-terrorism. Electrochemiacal DNA biosensor is a device composed of an active biomolecules with a signal transducer (electrodes). However, the mechanim of interaction between biomolecules and the solid electrodes is not yet clarified very well, which is the key question for the degin of the DNA biosensors with high performance...In this project, the ZnO/diamond electrodes with different shapes, sizes, dimensions, surface conditions, microstructures and crystal quality are deposited by microwave plasmar enhanced CVD techniques, sol-gel tehnique and hydrothermal synthesis. This project will focus on the influence of the nature of eletrodes on the functionalization of the electrode surface, DNA immobilizaiton techniques and electrochemical properties. The electrochemical techniques (cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry method) and structure characterization methods (SEM, TEM, XPS,etc.) are used to investigate the surface nature of the electrodes and the properties of biosensors. Through the study of the relationship of the nature of electrodes, DNA attachment strategy and properties of biosensors, the law and principle will be established for the design of the electrochemical DNA biosensors with high performance.. .A high sensitive and selective electrochemical DNA biosensor will be designed . This project will make the contribution for the explanation of the mechanism of the interaction between ss-DNA and the solid electrodes for the improvement of biosensor performances. Moreover, this project will provide some new design ideas and techniques for the construction of the high sensitive and selective electrochemical DNA biosensors.

电化学DNA生物传感器是一种先进的基因检测技术，具有迅速、简单、成本低、灵敏度高、选择性好、可实现微型化等优点。本项目拟从材料设计角度出发，通过精确控制制备工艺获得不同结构的ZnO/金刚石电极，采用光化学和电化学方法对ZnO表面进行功能化修饰，利用电化学方法（循环伏安法、差示脉冲伏安法）和多种结构分析手段（SEM、TEM、XPS等）研究电极表面结构对薄膜表面功能化和传感器性能的影响，阐明电极表面结构与单链DNA探针的作用机制，探讨电极结构-表面功能化-传感器性能之间的内在联系，提出高性能电化学DNA传感器的设计原则，获得高灵敏度、高选择性的电化学DNA生物传感器。本项目研究成果不仅为研究生物分子与固体电极相互作用机制这一关键科学问题提供可靠的实验依据，更为构建高性能生物传感器提供设计思路和技术方法，为电化学DNA生物传感器朝向商业化发展奠定理论和技术基础。

生物传感器是重要的DNA序列检测技术，可用于诊断和预防人类疾病。低维纳米材料具有比表面积大、吸附能力强、生物活性中心多等优点，是构筑生物传感器的基础材料，其中ZnO纳米材料尺度可控、形貌多样、电子传导快、表面易于修饰、生物兼容性好、等电位点高（IEP=9.5），因此是一种理想的生物传感器基底材料。而金刚石薄膜具有极其优异的化学稳定性和生物相容性，具有宽的电化学势窗和低的背景电流，已经被证实是一种优异的传感器电极材料。因此，利用金刚石作为基板材料进行纳米ZnO复合薄膜设计，可以有效的结合两种材料的优势，增加生物传感器的稳定性，提高传感器的灵敏度。本项目中我们利用电化学还原重氮盐在氧化锌表面成功链接一层氨基分子用于固定生物DNA分子，该修饰的氧化锌电极具有良好的亲水性和电化学响应，该电极构建的生物传感器可以识别互补DNA，1个碱基不互补DNA和4个碱基不互补DNA。同时，该传感器荧光信号强度与探测DNA浓度呈线性关系，探测极限可以达到10-9 M，表明该传感器具有较好的选择性和灵敏度。以上结果证实利用电化学功能化可以共价链接DNA分子，较之静电吸附方法具有更好的荧光强度，证明该传感器具有良好的灵敏性。我们利用丙烯酸溶液通过光化学方法在金刚石表面成功修饰一层羧酸分子，利用XPS和FTIR等检测技术证明羧酸分子被成功修饰在金刚石表面。这种功能化方法是目前已知的最短碳链修饰金刚石的新技术，为进一步提高其生物传感器性能提供可能。我们利用微波等离子体化学气相沉积技术成功合成导电金刚石/石墨复合电极，微观结构结果表明薄膜由柱状结构逐渐过渡为纳米线结构，单根金刚石纳米线直径为6.5 nm，其外表面包裹一层石墨层，因此具备导电特性。该电极电化学窗口3.1 V，与硼掺杂金刚石相当，具有良好的电化学行为，在无机水溶液和有机溶剂中对于氧化还原系统的响应均表现为扩散控制的准可逆过程，可作为电化学电极。综上，该电极由于宽的电化学势窗、低的背底电流和高的敏感性可作为良好的生物传感器基板材料。本项目提供了几种电极材料（氧化锌、金刚石/石墨、氧化锌/金刚石/石墨）表面功能化方法及其生物传感器设计方法，该项目为获得高灵敏性、高选择性生物传感器提供研究基础。