碳纳米管－DNA复合物修饰的玻炭电极及制备方法和应用

摘要

本发明公开了一种碳纳米管－DNA复合物修饰的玻炭电极及其制备方法和应用。所述的碳纳米管－DNA复合物修饰的玻炭电极，是在玻炭电极基体外面涂敷碳纳米管－DNA复合物膜而成。其制备方法过程，将碳纳米管与只含G和T的单链DNA的水溶液配制碳纳米管－DNA混合液，经超声破碎混合处理，再离心分离制得碳纳米管－DNA溶液，再经冷冻干燥得到粉状的碳纳米管－DNA复合物，在玻炭电极涂敷碳纳米管－DNA复合物成膜制得碳纳米管－DNA修饰的玻炭电极。所制得的碳纳米管－DNA修饰的玻炭电极应用于检测过氧化氢溶液的浓度。本发明优点，制备过程简单，特别易于实现对生物体内过氧化氢浓度的检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管-DNA复合物修饰的玻炭电极及其制备方法和应用，属于碳纳米管-DNA复合物的应用技术。

背景技术

过氧化氢是许多生化反应的产物或中间产物，与许多生物过程有关，通过测定过氧化氢，可以间接测定许多底物或酶的含量。同时过氧化氢也是一种重要的化工产品，广泛应用于纺织、造纸、化工、电子、轻工、污水处理等工业。传统的过氧化氢检测技术如：色谱法、比色法、滴定法、紫外-可见光谱法、化学发光法等，总的来说都比较耗时，易受干扰物影响，且难以自动检测。如何连续自动地测定过氧化氢浓度，特别是对生物化学过程中动态生成的低浓度过氧化氢高效精确测定，无论在技术上还是经济上都相当重要。

近些年以来，在电化学技术的基础上，酶电极传感器由于其选择性和高灵敏性被广泛用于过氧化氢的测定，这些传感器大多使用辣根过氧化物酶(HRP)作为生物催化剂，这种氧化酶对过氧化氢具有专一性和催化活性。但这种辣根过氧化物酶价格昂贵，缺乏一种简单有效的固定酶的方法，而且酶的活性容易受到外界条件的影响。很多材料如Nafion膜，环糊精等被用来在电极上固定酶，但这种材料可能会阻碍电子转移和酶的生物活性，该方法比较昂贵，测量结果不是很稳定，经常在医疗事故中造成延误。

无机材料修饰电极价格便宜，而且具有稳定性的优点，用于检测过氧化氢浓度的在线检测技术越来越受到关注，一些无机物质(如铁氰化物，钙钛矿型氧化物，Cu(II)络合物)用来制备过氧化氢传感器，但其检测效果不是很理想。碳纳米管是独特的一维量子线并具有极高的表面-体积比，其电学性能对分子吸附非常敏感，由于优良的性质而被广泛应用于生物传感器的研究。扬州大学李丽花、胡效亚等利用电化学方法在多壁碳纳米管修饰的玻炭电极表面聚合一层普鲁士蓝(PB)，制备出一种新型的过氧化氢传感器；华南理工大学王红娟直接利用含有多壁碳纳米管的Nafion分散液直接构建出多壁碳纳米管修饰电极。但多壁碳纳米管的导电性比较差，在电极表面不易分散，比表面积比较小，限制了检测效率。近年来，Zheng等发现DNA与碳纳米管在普通水溶剂中有很强的相互作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管-DNA复合物修饰的玻炭电极及其制备方法和应用，该碳纳米管-DNA复合物修饰的玻炭电极结构、制备过程简单，用于检测过氧化氢含量具有精确度高和快捷的特点。

本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种碳纳米管-DNA复合物修饰的玻炭电极，该电极以玻炭电极为基体，其特征在于，在玻炭电极基体外面涂敷碳纳米管-DNA复合物膜，碳纳米管-DNA复合物膜的厚度为0.1-200微米，所述的碳纳米管-DNA复合物膜，是由直径为0.5-20纳米的单壁的或多壁的碳纳米管，与只含鸟嘌呤(G)和胸腺嘧啶(T)的单链DNA水溶液所形成的碳纳米管-DNA复合物膜。

上述的只含有G和T的单链DNA水溶液，为G的序列数为10-80，T的序列数为10-80的单链DNA水溶液。

上述的碳纳米管-DNA修饰的玻炭电极的制备方法，其特征在于包括以下过程：

(1)将直径0.5-20纳米的单壁的或多壁的碳纳米管，按碳纳米管的质量mg，与质量浓度为0.1-10.0mg/mL的仅含有G和T两种碱基的单链DNA的水溶液的体积mL量之比为0.1∶5配制碳纳米管-DNA混合液，然后碳纳米管-DNA混合液在冰水浴中以功率10-200W超声破碎处理0.5-3.0小时后，继而以转速为10000-20000r/min离心分离0.5-3小时，去除沉淀物，制得碳纳米管-DNA溶液；

(2)将碳纳米管-DNA溶液在液氮温度下冷冻干燥，然后在冷冻状态下，将碳纳米管溶液放入旋转蒸发仪，干燥10-48小时，得到粉状的碳纳米管-DNA复合物，加入乙醇中超声分散，得到在乙醇中分散的碳纳米管-DNA复合物；

(3)将直径为3-10mm的玻炭电极先后用粒径0.1μm、0.05μm的Al₂O₃粉体磨光至镜面，在乙醇中超声清洗10分钟后晾干。用微量移液器抽取5-20μL的乙醇中分散的碳纳米管-DNA复合物溶液滴加到玻炭电极表面并覆盖反应区，置于真空干燥箱内，在50℃下烘干2小时，再重复进行滴加和烘干操作2-10次，然后将电极置于4℃的冰箱存放24小时，制得碳纳米管-DNA修饰的玻炭电极。

上述的只含有G和T的单链DNA水溶液，为G的序列数为10-80，T的序列数为10-80的单链DNA水溶液。

上述的碳纳米管-DNA修饰的玻炭电极应用于检测过氧化氢溶液的浓度。

本发明具有如下优点：制备过程简单，碳纳米管在玻炭电极表面形成的薄膜能够牢固的吸附在玻炭电极表面。检测效果良好，在一个较大的浓度范围内对过氧化氢都有一个线性的响应，尤其在低浓度下，对一些电活性物质表现出良好的灵敏度。生物体内很多物质的浓度都很低，简单的常规方法都难以准确测得其浓度，本发明的方法过程简单，省时，省力，易实现对生物体内过氧化氢浓度的检测。

附图说明

附图1为采用本发明实施例1所制得的碳纳米管-DNA复合物膜修饰玻炭电极与碳纳米管修饰的玻炭电极、未修饰玻炭电极在浓度0.035mol/L的铁氰化钾溶液中测得的循环伏安曲线图。其中曲线1为未修饰玻炭电极测得的，曲线2为碳纳米管修饰玻炭电极得的，曲线3为碳纳米管-DNA复合物修饰玻炭电极测得的。

附图2为采用本发明实施例1所制得的碳纳米管-DNA复合物膜修饰玻炭电极与未修饰玻炭电极对浓度0.007mol/L铁氰化钾溶液所测得的循环伏安曲线图。其中曲线1为未修饰玻炭电极测得的、曲线2为碳纳米管-DNA复合物修饰玻炭电极测得的。

附图3为采用本发明实施例2所制得的碳纳米管-DNA复合物膜修饰玻炭电极在50ml磷酸盐缓冲溶液中对每隔60s滴加100uL H₂O₂溶液(浓度为3.5mol/L)测得计时电流曲线，工作电压为0.4V。

附图4为采用本发明实施例3所制得碳纳米管-DNA复合物膜修饰玻炭电极在50ml磷酸盐缓冲溶液中对每隔60s滴加50uL H₂O₂溶液(浓度为3.5mol/L)得时间-电流曲线，工作电压为0.4V。

具体实施方式

实施例1

取1mL(GT)₂₀单链DNA水溶液(浓度1mg/mL)，称取1mg单壁碳纳米管置于该溶液中，在冰水浴中100W超声分散2小时，温度控制在4℃以下。将得到的混合物10000r/min高速离心2小时，滤掉沉淀物，取上清液即得到碳纳米管-DNA溶液。将碳纳米管溶液在液氮温度下冷冻处理(将盛装碳纳米管溶液的试管放入液氮容器中，冷冻干燥20分钟)；然后在冷冻状态下，将碳纳米管溶液放入旋转蒸发仪，干燥24小时，得到粉状的碳纳米管粉末。然后取0.5g粉末在500μL乙醇中超声分散，得到乙醇中分散的碳纳米管溶液。将玻炭电极(Φ3mm)先后用0.1μm、0.05μm Al₂O₃粉磨光至镜面，在乙醇中超声清洗10分钟后晾干。用微量移液器抽取5μL碳纳米管溶液滴加到玻炭电极表面并覆盖反应区，置于干燥箱内，晾干后再重复滴加两次，然后将电极置于4℃的冰箱存放10小时，得到碳纳米管-DNA膜修饰玻炭电极。采用该电极在三电极体系铁氰化钾溶液中进行循环伏安测试，如图1所示，本发明碳纳米管-DNA膜修饰玻炭电极灵敏度明显高于其他电极。

采用本发明所制得的碳纳米管-DNA修饰玻炭电极对0.007mol/L浓度的K₃Fe(CN)₆溶液进行循环伏安测试，如图2所示，从而可以看出本发明电极的响应电流的增大更加明显。

实施例2

取1mL(GT)₆₀单链DNA溶液(0.5mg/mL)，称取2.0mg单壁碳纳米管置于该溶液中，在冰水浴中50W超声3小时，温度控制在4℃以下。将得到的混合物15000r/min高速离心1小时，滤掉沉淀物，取上清液即得到碳纳米管-DNA溶液。将碳纳米管溶液在液氮温度下冷冻处理(将盛装碳纳米管溶液的试管放入液氮容器中，冷冻干燥20分钟)；然后在冷冻状态下，将碳纳米管溶液放入旋转蒸发仪，干燥24小时，得到粉状的碳纳米管粉末。然后取0.5g粉末在500μL乙醇中超声分散，得到在乙醇中分散的碳纳米管。将玻炭电极(Φ3mm)先后用0.1μm、0.05μm Al₂O₃粉磨光至镜面，在乙醇中超声清洗10分钟后晾干。用微量移液器抽取5μL碳纳米管溶液滴加到玻炭电极表面并覆盖反应区，置于干燥箱内，晾干后再重复滴加5次，然后将电极置于4℃的冰箱存放24小时。在50mL磷酸盐缓冲溶液中(pH＝7)，加入0.1mol/L NaCl作为支持电解质，选择较为合适的0.4V作为检测过氧化氢的工作电位，采用在线测量的计时电流测试方式，每隔60秒加入100μL过氧化氢溶液(浓度为3.5mol/L)，其响应曲线如图3所示。

实施例3

取1mL(GT)₆₀单链DNA溶液(1.5mg/mL)，称取1.0mg多壁碳纳米管置于该溶液中，在冰水浴中200W超声1小时，温度控制在4℃以下。将得到的混合物18000r/min高速离心0.5小时，滤掉沉淀物，取上清液即得到碳纳米管-DNA溶液。将碳纳米管溶液在液氮温度下冷冻处理(将盛装碳纳米管溶液的试管放入液氮容器中，冷冻干燥20分钟)；然后在冷冻状态下，将碳纳米管溶液放入旋转蒸发仪，干燥24小时，得到粉状的碳纳米管粉末。然后取0.5g粉末在500μL乙醇中超声分散，得到在乙醇中分散的碳纳米管。将玻炭电极(Φ3mm)先后用0.1μm、0.05μ Al₂O₃粉磨光至镜面，在乙醇中超声清洗10分钟后晾干。用微量移液器抽取5μL碳纳米管溶液滴加到玻炭电极表面并覆盖反应区，置于干燥箱内，晾干后再重复滴加3次，然后将电极置于4℃的冰箱存放48小时。在50mL磷酸盐缓冲溶液中(pH＝7)，加入0.1mol/L NaCl作为支持电解质，选择较为合适的0.4V作为检测过氧化氢的工作电位，采用在线测量的计时电流测试方式，每隔60秒加入50μL过氧化氢溶液(浓度为3.5mol/L)，其响应曲线如图4所示。