[发明专利]一种基于单壁碳纳米管的超灵敏DNA生物传感器及制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及生物电化学传感器及其制备领域，特别涉及一种脱氧核糖核酸（DNA）电化学传感器及其制备方法和检测应用。

背景技术

基因诊断是通过直接检测基因的存在状态或缺陷对疾病做出诊断的方法。基因诊断的探测目的物是脱氧核糖核酸或核糖核酸（RNA）。在基因诊断的方法学方面，先后建立了限制性内切酶谱分析、核酸分子杂交、限制性片段长度多态性连锁分析、聚合酶链式反应（PCR），以及近年来发展起来的DNA传感器及DNA芯片技术等。标记法核酸杂交检测技术现已广泛又能够用于生物学、医学和环境科学等有关领域，但其检验过程费时、费力，并且传统的放射性同位素标记安全性差，难以满足各方面的需要，发展新型分子杂交快速检测技术已经迫在眉睫。DNA传感器为核酸杂交快速检测提供了一个新途径，它是以杂交过程的特异性为基础的快速传感检测技术。

自人类基因组破解以来，DNA传感器领域的发展日新月异，目前已取得相当大的进展。生物科学、计算机科学、科学、微电子等各学科中多种理论和技术在该领域得到广泛应用。DNA传感器及DNA芯片应用于DNA测序、突变检测、基因筛选、基因诊断以及几乎所有应用核酸杂交的领域。在众多DNA传感器检测方法中，基于分子电学性质的电化学技术具有独特的优越性。电化学检测技术灵敏、快速、成本非常低廉，而且检测装置轻便、低能耗且易于微型化和集成化，符合手持式检测装置以及未来的芯片实验室（lab-on-a-chip）的要求。而且电化学基因传感技术通常具有以下特点：杂交反应在其表面上直接完成，并且转换器能够将杂交过程所产生的变化转变成电信号：根据杂交前后电信号变化量，从而推断出被检DNA的量；具有准确、快速和廉价等优越性；更重要的是，其能被推广应用到所有和DNA序列信息相关的领域中。

目前，有关纳米材料的合成和应用方面的研究发展迅速。纳米材料的引入使得DNA传感器对杂交检测的灵敏度和选择性都大为提高。碳纳米管（CNTs）是一种应用广泛的生物传感基底材料，而金纳米粒子是一种应用广泛的抗原、抗体和细胞标记物，美国西北大学纳米技术研究所Mirkin教授领导的研究组(Science, 1997, 277, 1078)在利用寡核苷酸修饰的金纳米粒子进行DNA碱基识别方面进行了开创性研究。通过杂交前后体系颜色的变化来实现对DNA的检测具有仪器简单、实验方便等特点。但由于视觉辨别的局限性，使得色差识别的灵敏度较低，所以这种方法具有一定的局限性。之后，该课题组又发展了一种称为bio-bar-code的放大方法 (Science, 2003, 301, 1884)，该方法采用DNA-AuNP纳米颗粒作为信号探针，同时采用磁性颗粒来连接捕获探针，从混合介质中特异性的捕获到靶向序列，通过DNA杂交DNA-AuNP纳米颗粒形成三明治夹心结构，然后将纳米Au颗粒表面的DNA分离下来检测。这种方法非常灵敏，但需将DNA分离后才能检测，增加了检测的步骤。为克服上述缺陷，上海应用物理研究所樊春海教授课题组 (CN 101245387A) 将酶促反应和纳米金放大效应结合起来，用以检测DNA，结果发现不仅无需将DNA从纳米金表面分离下来检测，而且保持了较好的灵敏度（最低检测限为pM级）和选择性。然而遗憾的是该方法需引入特定的底物，经酶催化反应后需产生荧光或有颜色，增加其成本，且一定程度上限制了其应用范围。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种灵敏度和特异性更高且检测方便、检测成本低的一种基于单壁碳纳米管的超灵敏DNA生物传感器。

本发明的另一个目的提供一种上述基于单壁碳纳米管的超灵敏DNA生物传感器的制备方法。

另外，本发明还提供一种基于单壁碳纳米管的超灵敏DNA生物传感器的应用，即一种DNA的检测方法。

为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是包括有金纳米粒子和作为电极基底的单壁碳纳米管，所述的金纳米粒子沉积于单壁碳纳米管上构成单壁碳纳米管/金纳米粒子杂化电极，该单壁碳纳米管/金纳米粒子杂化电极上组装有作为探针的巯基修饰的ssDNA。

进一步设置是所述的单壁碳纳米管为在硅片上通过化学气相沉积法现场水平生长而成。

进一步设置是所述单壁碳纳米管为水平平行排列的阵列结构，阵列密度控制在每100μm区间约有4-50根单壁碳纳米管，每根单壁碳纳米管的长度位于100 μm-2 mm。

进一步设置是所述的金纳米粒子形貌可为带有多级结构的金枝晶。

上述基于单壁碳纳米管的超灵敏DNA生物传感器的制备方法，包括以下步骤：