（分析化学专业论文）dna电化学生物传感器及电渗鼓驱动器的研究和应用.pdf

中国科学技术大学博上学位论文 中文摘要 本论文对脱氧核糖核酸( d n a ) 分子导电性及其在纳米材料领域的应用、 d n a 电化学生物传感器及单细胞内神经递质的研究进展进行了较为细致的综述， 围绕生物活体单细胞的电化学研究，开展了微量液体输送一单细胞操纵装置和 d n a 修饰超微探测电极一电化学生物传感器研究，先后研制了一种新型的电渗驱 动装置，研究发展了几种基于d n a 的超微电极电化学传感器分析技术：借助原 子力显微镜( a f m ) 及x 一射线光电子能谱( x p s ) 等表面分柝技术手段，系统 地研究了d n a 在碳电极表面自由吸附和电场诱导沉积的形貌与性能关系，进一 步研究了以过氧化聚吡咯( p p y o x ) 多孔膜为模板引导d n a 固载的技术，研制 了相关传感器，对药物分子甲硝唑( m t z ) 、单胺类神经递质如多巴胺( d a ) 、 肾上腺素( e p ) 和5 一羟色胺( 5 h t ) 以及生理体系中共存的生物小分子如抗坏 血酸( a a ) 和尿酸( u a ) 等进行了分析检测，并初步应用于临床检验。具体包 括如下内容： 将自由分散在溶液中的d n a 用电化学方法沉积到碳电极表面，通过综合控 制电位、d n a 溶液浓度、电极的几何特征等，得到一种优化的修饰结果。x p s 、 a f m 及电化学系列实验证明，在1 8v ( v s 5 0m m o t l n a c i a g a g c l ) 的沉积电 位下，d n a 分子能够与碳电极间建立共价键连接，得到结合牢固、稳定且导电 性良好的d n a 修饰层；在碳基电极如高规则热解石墨( h o p g ) 及碳纤维柱电 极( c f c e ) 表面，d n a 修饰层具有纳米网络结构；在碳纤盘电极( c f d e ) 上， d n a 修饰层可使电极有效面积相对裸电极增大1 0 0 - - 1 0 0 0 倍，且修饰层在p h 1 2 1 4 的强碱性溶液中不会水解脱落，在1 0 0 0 c 缓冲溶液中d n a 虽然发生变性 但仍然保留在电极表面。 接着利用a f m 研究了不同类型的d n a 在h o p g 表面的自由吸附和电场诱 导吸附，得到了不同形貌的纳米网络结构。c t d n a 和人工合成的具有特定碱基 序列的寡聚脱氧核苷酸( o d n ) 都可以在h o p g 表面自由吸附，形成二维阳纳 米网络，其形貌与d n a 和h o p g 表面的作用有关，受d n a 自身性质的影响。 在外加电场作用下，c t d n a 在h o p g 表面形成三维的纳米网络，详细研究了在 不同场强下d n a 形貌的变化。实验现象表明，在较弱的电场中，d n a 分子以 其磷酸骨架“躺”在电极表面：而在较强的电场中，d n a 分子以其一端妖价连接 在电极表面。电场是决定d n a 沉积方式的关键因素。 中国科学技术大学博十学位论文 在上述工作的基础上，用d n a 修饰电极伏安法研究了m t z 和c t d n a 的 相互作用。在溶液中，m t z 与c t d n a 以静电吸附方式相互作用，结合常数k = 2 2 ( 土1 3 1 1 0 4l m o l ，结合位点5 = o 3 4b p 。将d n a 电沉积到玻碳电极( g c e ) 表面，发现m t z 的电化学行为与裸电极上相比有很大变化，原先的一个还原峰 分裂为两个峰，这是由于m t z 与电极表面的d n a 相互作用的缘故。这种d n a 传感器对m t z 有较高的响应灵敏度，检涮限为2 0 x1 0 8m o l l ，用它准确检溺 了市售药品中m t z 的含量与光学方法检测的结果相比误差小于6 。 在接下来的： 作中，以p p y o x 多孑l 模板引导d n a 在电场下共价键连接到 c f c e 表面，得到一种对单胺类神经递质包括d a 、e p 和5 一h t 等具有高灵敏度 和选择性的d n a 生物复合膜传感器，能够抵抗2 5 0 0 0 倍高浓度的a a 及生理体 系中u a 和3 ，舡二羟苯乙酸( d o p a c ) 等共存物质的干扰，具有较高的重现性、 稳定性以及抗污染能力。这种复合膜传感器对d a 、e p 、5 - h t 的检测限分别是 5 1 0 罐m o u l ，6 1 0 m o l l 以及7 1 0 一m o l l ，相应的线性响应区间分别是 3 0 1 0 m o l l 1 0 1 0 m o i l ，5 0 1 0 m o l l 2 0 x 1 0 4m o l l 以及1 o l 矿 m o l l 1 0 1 0 6m o l l 。初步应用于临床检验，成功检出人血清中的5 一h t 含量， 与生物药典中记载的参考值一致。 在对电渗理论分析研究的基础上，研制了一种新型的封闭式电渗鼓装置，并 对其性能做了深入研究。用o 5m m o l l 六亚甲基四胺和5m m o l l 对苯二酚作为 载流添加剂，在2 0v 的直流工作电压下可连续工作2 0 小时无气泡发生，产生的 流量基本恒定在9 3 士0 2n l s ；在7 0 v 的低电压下输出压强可达o 1 6m p a 。该 装置在较低的安全电压下工作( 1 0 0 v ) ，能耗低，输出压强高，可方便地进行 串联、并联和组合构造成复杂的动作系统，以满足不同的需要。把电渗鼓与生物 活体实验装置相连，正在本实验室用于单细胞操纵、微量物质输送等，初步实现 了研制目的。 中国科学技术大学博士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nad e t a i l e dr e v i e wo nt h em o l e c u l a rc o n d u c t i v i t ya n da p p l i c a t i o no f d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ( d n a ) i nn a n om a t e r i a l a n dt h e d e v e l o p m e n to fd n a e l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o ra n dd e t e c t i n gn e u r o t r a n s m i t t e r si n s i n g l ec e l l s ，s y s t e m a t i c r e s e a r c hw a sc a r r i e do u t ，c e n t e r i n g0 1 1t h ee l e c t r o c h e m i c a ls t u d yo fl i v i n gs i n g l ec e l l s ad e v i c ef o rc e l lm a n i p u l a t i n g t h et r a n s p o r to fm i n i mr e a g e n ta n de l e c t r o c h e m i c a l b i o s e n s o rs t u d y d n am o d i f i e du l t r a m i c r o e l e c t r o d eh a v e b e e nd e v e l o p e d an e w 虹n do fe l e c t r o o s m o t i cd r i v i n gd e v i c eh a sb e e nf i r s t l yf a b r i c a t e d a n dt h e nt h e a n a l y t i c a lt e c h n i q u eb a s e do nd n ae l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o rh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r f o r m a n c ea n dm o r p h o l o g yw h i c hr e s u l t e df r o mf r e e l y a b s o r p t i o na n de l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o no fd n ao nc a r b o ne l e c t r o d eh a sb e e n s t u d i e di nd e t a i lb yt h es u r f a c ea n a l y s i st e c t m i q u e so f a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y ( a r m ) a n dx - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p yt x p s ) 。i nt h ef u r t h e rw o r k ，an e ww a yf o rd n a i m m o b i l i z a t i o nv i aat e m p l a t eo ft h ep o r o u so v e m x i d i z e dp o l y p y r r o l e 俾p y o x ) f i l m h a sb e e ns t u d i e d t h en e u r o n a lm o n o a m i n e ss u c ha sd o p a m i n e ( d a ) ，e p i n e p h r i n e ( e p ) a n ds e r o t o n i n ( 5 一h t ) ，s o m ec o e x i s t i n gs u b s t a n c e si np h y s i o l o g i c a ls y s t e ms u c ha s a s c o r b i ca c i d ( a a ) a n du r i ca c i d ( u a ) a n dt h ed r u go fm e t r o n i d a z o l e ( m t z ) h a v e b e e na n a l y z e du s i n gt h ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s o r sb a s e do rd n a i tw a sp r e l i m i n a r i l y a p p l i e df o rc l i n i c a ld e t e c t i o n t h ed e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： t h en a t i v ec t d n am o l e c u l e s 劬yd i s p e r s e di ns o l u t i o nw e r ed e p o s i t e do n t o c a r b o ne l e c t r o d e su n d e rc o n t r o l l e dd cp o t e n t i a l s t h e o u 曲c o n t r o l l i n ga p p l i e d p o t e n t i a l ，d n as o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n dt h eg e o m e t r i c a ld i m e n s i o no fe l e c t r o d e ，a n o p t i m i z e dm o d i f i c a t i o n c a i lb eo b t a i n e d x p s a f ma n de l e c t r o c h e m i c a t i n v e s t i g a t i o n si n d i c a t e dt h a td n am o l e c u l e sc a nb ec o v a l e n t l yb o n d e dt ot h ec a r b o n s u b s t r a t eo b t a i n i n gas t a b l ea n dw e l l c o n d u c t i v ed n am o d i f i c a t i o nl a y e ru n d e rt h e d e p o s i t i o np o t e n t i a lo f1 8v ( v s 5 0m m o l ln a c i a g a g c i ) o nt h eh i 曲l yo r i e n t e d p y r o l y t i cg r a p h i t e ( h o p g ) a n dc a r b o nf i b e rc o l u m ne l e c t r o d e ( c f c e ) s u r f a c e ，t h i s m o d i f i c a t i o nl a y e rh a san a n o - n e t w o r ks t r u c t u r e o nt h ec a r b o nf i b e rd i s ke l e c t r o d e f c f d e ) ，t h i sm o d i f i c a t i o nl a y e rg e n e r a t e da1o o t o l0 0 0 - f o l de n l a r g e de f f e c t i v e e l e c t r o d es u r f a c ea r e ar e l a t i v et ot h eb a r ee l e c t r o d e a n di tc o u l dw i t h s t a n dt h e t r e a t m e n to fa l k a t i n es o l u t i o n ( p i l l 2 14 1 i na10 0 ”cb u 恐rs o l u t i o n ，d n am o l e c u l e s w e r ed e n a t u r a l i z e db u ts t i l lr e t a i n e do nt h ee l e c t r o d es u r f a c e 中国科学技术大学博士学位论文 d i f f e r e n tt y p e so fs e l f - a s s e m b l e dd n an e t w o r k sw e r eo b t a i n e da n dc h a r a c t e r i z e d b y a f mo nh o p ge l e c t r o d e b o t hn a t i v ec t e l n aa n d s y n t h e t i c o l i g o d e o x y r i b o n u c l e o t i d e ( o d n ) w i t hs p e c i f i cb a s es e q u e n c e sc o u l df r e e l ya d s o r b e d o nt h es u r f a c eo fh o p gf o r m i n gt w o d i m e n s i o n a ln e t w o r k s t h ed i 羝r e n c e si na f m m o r p h o l o g yo ft h e s ed n ac o n d e n s a t i o n sc a r lb er e l a t e dt ot h ei n t r i n s i cp r o p e r t i e so f t h ed n a ，w h i c hl e a dt od i 髋r e n ti n t e r a c f i o n sw i t hh o p gs u r f a c e t h r e e d i m e n s i o n a l n e t w o r k sw e r ef o r m e do nt h eh o p gu n d e ra p p l i e de l e c t r i cf i e l d t h ee f f e c t so f e x t e r n a le l e c t r i cf i e l do nt h ec o n d e n s a t i o no fc t d n ah a v e b e e ni n v e s t i g a t e di nd e t a i l i tl e dt oap r o p o s i t i o nt h a tt h ed n am o l e c u l e sm a yb e “l y i n g ”t h eh o p gs u r f a c eb y i t sp h o s - p h a t eb a c k b o n ei nw e a ke l e c t r i cf i e l d w h i l ei ns t r o n ge l e c t r i cf i e l dd n a m o l e c u l e sm a yb ea t t a c h e dt ot h es u b s 订a t ev i ai t so n ee n da n d “s t a n d i n g ”o ni t o b v i o u s l y , t h ee l e c t r i cf i e l dw a st h ek e yf a c t o rw h i c hd e c i d e dt h ed e p o s i t i o nm o d eo f d n a b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k ，t h ei n t e r a e t i o no fm t zw i t hc t d n ah a sb e e n s t u d i e db yv o l t a r o _ m e t r i cm e t h o du s i n gd n am o d i f i e dg l a s s yc a r b o ne l e c t r o d e ( g c e ) m t zs h o w e da p p r e c i a b l ee l e c t r o s t a t i cb i n d i n gt oc t d n ai ns o l u t i o nw i t l lt h eb i n d i n g c o n s t a n t s ( 固i s2 2 ( 土1 3 ) l 矿( l t 0 0 1 ) a n dt h eb i n d i n gs i t es i z e ( s ) i s0 3 4b a s ep a i r c o p ) o n er e d u c t i o np e a ko fm t z a tt h eb a r eg c e s p l i ti n t ot w op e a k sa tt h ed n a m o d i f i e dg c e w h i c hc a no n l yb ed u et ot h ei n t e r a c t i o no fm t zw i 也t h e s u r f a c e - c o n f i n e dd n a t h el o w e s td e t e c t i n gc o n c e n t r a t i o ni s2 0 x10 8m o l l t h e d n ab i o s e n s o rw a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dw i t l lh i g hp r e c i s i o na n da c c u r a c yc o m p a r e d w i t hs p e c t r o s c o p i cm e t h o d s ( r e l a t i v ee r r o r 6 嗡f o re s t i m a t i o no ft h em t zc o n t e n ti n c o m m e r c i a ld o s a g ef o r m s i nt h ef u r t h e rw o r k ，t h ep o r o u sp p y o xf i l ma sat e m p l a t ef o rd i r e c t i n gd n a c o v a l e n t l yi m m o b i l i z a t i o no nt h ec f c es 1 】y f a c eu n d e rt h ea p p l i e dp o t e m i a lh a sb e e n a c h i e v e d t h er e s u l t i n gd n a b i o c o m p o s i t es e n s o re x h i b i t e ds u p e r i o rs e l e c t i v i t ya n d s e n s i t i v i t yt o w a r d sn e u r o n a la m i n e s ，s u c ha sd a ，e pa n d5 - h t ，e t c i tc o u l de l i m i n a t e t h ei n t e r f e r e n c e so fa s c o r b i ca c i d ( a a la tah i g hc o n c e n t r a t i o no f2 5 0 0 0f o l da n d o t h e rc o e x i s t i n gs u b s t a n c e si np h y s i o l o g i c a le n v i r o n m e n ts u c ha su aa n d3 4 - d i h y d r o x y p h e n y l a c e t i c ( d o p a c ) ，e r e i ts h o w e dh i g hs t a b i l i t y , r e p r o d u c i b i l i t ya n d a n t i f o u l i n ga b i l i t y t h ed e t e c t i o nl i m i to fd a e pa n d5 一h to nt h eb i o c o m p o s i t e s e n s o rw e r e5 1 0 一m o l l 6 x 1 0 8m o l la n d7 x 1 0 一m o l l ，a n dt h el i n e a r c o r r e s p o n d i n gr a n g ew e r e 30 x 1 0 m o l l 1 0 1 0 。m o 儿5 o x l 0 “m o i 几一 2 0 1 0 一m o l la n d1 o 1 0 一m o l l 1 0 1 0 m o l l ，r e s p e c t i v e l y a sap r e l i m i n a r y a p p l i c a t i o ni nc l i n i c a ls t u d i e s t h ep r o m i s i n gb i o s e n s o rw a su s e dt oe v a l u a t et h ei e v e l s 中国科学技术大学博士学位论文 o f5 一h ti nh u m a nb l o o ds e r h m t h em e a s u r e d5 一h tv a l u e sw e e i na e c o r d a l l e ew i t h t h er e f e r e n c ev a l u ei nt h em e d i c a le n c y c l o p e d i a b a s e do nt h et h e o r yo fe l e c t r o o s m o s i s ，an e wk i n do fc l o s e de l e c t r o o s m o t i cd r u m h a sb e e nf a b r i c a t e da n di t sp e r f o r m a n c eh a sb e e ns t u d i e d 0 5n t m o l lc 6 h 1 2 n 4a n d5 m m o u lh y d r o q u i n o n eh a v eb e e nc h o s e na sc a r r i e ra d d i t i v e s ，u r i d e rt h ew o r k i n 2d c p o t e n t i a lo f2 0v - t h ed r u mc a nc o n t i n u a l l yw o r k i n g2 0hw i t h o u tt h ep r o d u c i n go f b u b b l e s a n dt h ee l e c t r o o s m o t i cf l o w ( e o f lf l u xm a i n t a l n e da t9 3 土0 2n l s a ta l o wp o t e n t i a lo f7 0v t h ee l e c t r o o s m o t i cp r e s s u r eo f0 16m p ac a l lb eo u t p u t t h i s d e v i c ec a l lw o r ka tal o wc o s t ( w o r k i n gp o t e n t i a l 1 0 0v ) v v i t l lh i 曲o u t p u t t i n g p r e s s u r e i tc a nb ea s s e m b l e di ns e r i e s ，p a r a l l e la n dc o m b i n e di n t oac o m p l e xa c t i o n s y s t e mt om e e tv a r i o u sr e q u i r e m e n t s i no u r1 a b 、t h ee l e c t r o o s m o t i cd r u mw a s c o n n e c t e dw i t l lp h y s i o l o g i c a le x p e r i m e n t a ld e v i c e ，t om a n i p u l a t es i n g l ec e l l so r t r a n s p o r tm i n i mr e a g e n t a n de t c t h ea i n lo ft h ef a b r i c a t i o no ft h ee l e c t r o o s m o t i c d r u mw a sp r e l i m i n a r i l yr e a l i z e d 中囤科学技术大学i 冉七学位论文 致谢 五年的硕博连读随着这本论文的完成渐渐走到了尾声，回首这几 年的求学生涯，心中涌起一些感慨，但更多的是感激之情。 首先要深深感谢我的导师林祥钦教授，我在科研道路上的成长， 离不开林老师的言传身教和悉心指导，论文的成果凝聚了他的心血和 智慧。林老师渊博的学识、严谨的治学态度、活跃的学术思想和求真 务实的科学精神为我树立了一个尽职的科学工作者的典范，他的不倦 教诲和富于启发性的引导为我打开了科学研究的大门，对我今后的学 习和3 - 作产生深远的影响，将使我终身受益。在此谨向林老师表示最 由衷的谢意! 感谢何友昭老师对我硕士阶段工作的大力支持和无私帮助。 感谢本实验室的所有同学，他们为实验室创造了积极进取、团结 协作、和谐愉快的科研氛围，在工作和生活中给了我许多帮助和鼓励， 使我顺利完成论文工作。感谢他们这一路上很多的包容、安慰、关心 和用心，这份如同兄弟姐妹般的情谊会永远留在我的心底。感谢所有 教诲和帮助过我的老师，以及陪我在科大度过美好光阴的同学。 感谢我的父母二十几年来的养育之恩，他们和兄嫂给予我的无限 关怀与支持一直是我前进道路上最大的精神支柱和坚强后盾。本论文 献给他们，希望他们能为我的成长感到自豪和欣慰。 蒋晓华 2 0 0 5 年4 月 中国科学技术大学博士学位论文 缩略语 c v d p v s w v l s v a f m x p s h o p g g c e c f c e c f d e a g a g c l o d n c t d n a 主要缩略语 意义缩略语 循环伏安法 s c e 差分脉冲伏安法t h b 方波伏安法 m t z 线性扫描伏安法p p y o x 原子力显微镜d a x 射线光电子能谱e p 高规则热解石墨 5 - h t 玻碳电极从 碳纤维柱电极 u a 碳纤维盘电极 e o f 银氯化银电极 n p 寡聚脱氧核糖核s s d n a 酸 小牛胸腺脱氧核d s d n a 糖核酸 意义 饱和甘汞电极 t r i s 缓冲溶液 甲硝唑 过氧化聚吡咯 多巴胺 肾上腺素 5 羟色胺 抗坏血酸 尿酸 电渗流 核苷酸 单链脱氧核糖核 酸 双链脱氧核糖核 酸 中国科学技术大学博士学位论文 第一章综述 脱氧核糖核酸( d n a ) 是遗传信息的承担者，具有贮存和传递信息的功能。绝 大多数生物体的遗传信息储存在d n a 分子中，d n a 的复制构成了遗传的分子基 础。d n a 具有双螺旋结构，碱基之间互相配对，在整个分子链间形成大的共轭 兀键，当d n a 分子受到电离辐射或紫外线照射时会产生电子，这个电子在被别 的原子捕获之前可能沿着d n a 分子链运动。因此，d n a 可能是一种快速的、不 依赖于距离的电子转移通道。d n a 复制过程中所表现的碱基的单纯性、互补法 则的恒定性和专一性、遗传信息的多样性以及构象上的特殊性和拓扑靶向性，都 是纳米技术所需要的设计原理。再加上d n a 具有稳定的物理化学性质及独特的 结构，如d n a 的直径仅为2 n m ，而其长度跨越微观和宏观，这些性质使d n a 有望成为制作纳米导线和纳米器件的理想材料。因此，d n a 的研究不仅在生命 科学领域而且在纳米材料领域都占有极其重要的地位。 如何运用d n a 的信息运作能力为化学和生物学研究服务，是人们努力探索 的问题。近年来，d n a 电化学传感器的研制、开发成为分子生物学和电化学中 最为活跃的研究领域，它为生命科学研究提供了一种新技术、新方法，对临床医 学和遗传工程研究具有深远的意义，在基因检测、抗癌药物筛选、药物作用机理 研究等方面占有一席之地，成为生物电化学中一个极具生命力的科学前沿。d n a 生物传感器今后的研究方向主要是向实用化，小型化发展，并且在d n a 固定化、 。信号转换等方面不断应用新技术，对传感器的稳定性、重现性、灵敏度等性能进 行改善和补充，使之更加适应实际应用的需要。 人的大脑约有一千亿个神经细胞，这些细胞通过神经元形成一张极为复杂， 但却是高度有序的神经网络，神经细胞通过突触连接组成功能回路，以处理和传 送信息，控制着从情绪到肌肉的一切活动。不同的神经细胞释放出不同的神经递 质( n e u r o t r a n s m i t t e r ) 、神经调质( n e u r o m o d u l a t o r ) 和二次信使( s e c o n dm e s s e n g e r ) 来 控制和调节神经系统的媒介行为。因此，研究单个细胞中的这些物质如何受激产 生信号、传递信号以及这些信号如何作用于靶细胞以调控其功能，是当今生命科 学研究中最关键的课题之一。神经递质在体内过多或缺失，都会引起行为的失常， 例如，研究发现帕金森症、老年痴呆症的病因与大脑内多巴胺的吸收与释放的失 衡有关。神经递质的合理调控对机体正常的功能与行为有着举足轻重的作用。因 中国科学技术大学博士学位论文 此，在分子水平上了解神经递质的反应信息以及实时监测其在体内的浓度，对于 神经生理学研究、疾病诊断咀及治疗过程中相关药物的适量控制都有重要的意 义。 本章在对大量文献进行调研的基础上，对d n a 的导电性及其在纳米材料领 域的应用、d n a 电化学生物传感器及神经递质的研究进展进行较为详细的综述。 1 1 d n a 的结构及物化性质 ( s t r u c t u r ea n dp h y s i - c h e m i c a lc h a r a c t e ro fd n a ) 1 1 1d n a 的结构 d n a 的基本组成单位是核苷酸，一个核苷酸分子包含一个含氮碱基、一个 五碳糖和一个磷酸分子。d n a 分子中的五碳糖为脱氧核糖，含氮碱基主要是腺 嘌呤( a ) 、鸟嘌呤( g ) 、胞嘧啶( c ) 和胸腺嘧啶( t ) ，这些碱基的结构如图 1 l 所示；d n a 分子的一级结构是核苷酸通过3 ，5 一磷酸二酯键连接成没有支 链的直线形或环形结构。1 9 5 3 年，w a t s o n 和c r i c k 提出了d n a 双螺旋模型的二 级结构，即d n a 分子是由两条多脱氧核糖核酸链组成，链的内侧是碱基，两条 链反向平行盘绕同一条轴形成右旋的双螺旋结构，两条链上的碱基是匹配的，称 为碱基互补，腺嘌岭和胸腺嘧啶以2 个氢键连接，鸟嘌岭和胞嘧啶以3 个氢键连 接。d n a 的双螺旋结构如图1 2 所示。在d n a 分子中互补碱基的含量相等。在 二级结构的基础上d n a 分子还可以扭曲或卷曲形成超螺旋三级结构。d n a 主 要存在于细胞核中，细胞质的叶绿体和线粒体中也含有少量的d n a 。 o h 期 o o g u a n i n e c y t o s l n et h y m l n e 剀iid n a 分子中嘌呤碱基和嘧啶碱基的结构示意图。 f i g u r e 1 1s t r u c t u r e so ft h ep y r i m i d i n e ( c y t o s i n e t h y m i n e ) a n dp u r i n e ( a d e n i n e & g u a n i n e ) b a s e sp r e s e n ti nd n a ah l 中国科学技术人学博士学位论文 图1 2b - d n a 双螺旋结构示意图。碱基芳香杂环的堆积用灰色表示，磷酸骨架用黑色表示； ( a ) 垂直于螺旋轴方向的视图，( b ) 平行于螺旋轴方向的视图。摘自文献【1 】 f i g u r e1 2s c h e m a t i cr e p r e s e n t a t i o no fd o u b l eh e l i c a l ，b f o r md n a t h el i n e a ra r r a yo fm a c k e d a r o m a t i ch e t e r o c y c l e si ss h o w ni ng r a y ；t h es u g a r - p h o s p h a t eb a c k b o n ei sc o l o r e db l a c k ：( a ) v i e w p e r p e n d i c u l a r t ot h eh e l i c a la x i s ； v i e wd o w nt h eh e l i c a la x i s ，c i t e df r o mt h er e f e r e n c e 【i 】 i i 2d n a 的一般性质 d n a 既有磷酸基团，又有碱性基团，所以是两性电解质，因磷酸的酸性强， 通常表现为酸性。 d n a 为白色纤维状固体，微溶于水，不溶于一般的有机溶剂，常用乙醇从 溶液中沉淀d n a 。 大多数为线性分子，人工合成的寡聚脱氧核苷酸( o l i g o d e o x y r i b o n u c l e o t i d e ， o d n ) 通常只有几节核苷酸，长度在纳米级，而天然d n a 分子的长度可达到几 个厘米而直径只有2n m 由于长度与直径比很大，分子极易弯曲、缠绕，因此 d n a 溶液的粘度极高。 中国科学技术大学博士学位论文 d n a 可被酸、碱或酶水解成为各种组分，各组分用层析、电泳等方法进行 分离分析，而其水解程度则依水解条件而异。但是和r n a 相比，d n a 对碱还是 较稳定的。 r n a ( 核糖核酸) 是和d n a 密切相关的重要生命物质，在蛋白质生物合成 过程中起着重要的作用。天然r n a 分子是一条单链，许多区域可以发生回折， 可以配对的碱基结合形成类似d n a 的双螺旋，不能配对的碱基则形成环状突起。 r n a 为白色粉末，在室温下能被稀碱水解成核苷酸，常用此性质测定r n a 的碱 基组成或除去溶液中的r n a 杂质。 1 1 3d n a 的紫外吸收性质 d n a 的嘌呤和嘧啶环的共轭体系能强烈吸收2 6 0 2 9 0 衄波段的紫外光，其 吸收峰在2 6 0n m 附近。由于蛋白质在这一光区仅有微弱的吸收，因此可以利用 d n a 的这一光学特性来定位测定它在细胞和组织中的分布，以及测定碱基衍生 物或d n a 在纯溶液中的浓度。由于双螺旋结构中碱基有规律的紧密堆积，d n a 的光吸收值比其各核昔酸成分的光吸收值之和低约3 0 - 4 0 。 1 1 4d n a 的变性和复性 高温、酸、碱以及某些变性剂( 如尿素) 能破坏d n a 中的氢键，使有规律 的螺旋双链结构变成单链的、或无规律的“线团”，称为d n a 的变性。变性后， d n a 的紫外吸收值急剧增加，还发生粘度下降、生物活性丧失等变化。因此， 可以通过这些性质的变化来判断d n a 是否变性。 d n a 的热变性一般在较窄的温度范围内发生，类似于固体结晶物质在其熔 点突然熔化的情况。通常把热变性温度称为d n a 熔点”或解链温度。d n a 中鸟 嘌呤和胞嘧啶含量愈多，其解链温度愈高，反之则愈低。这是因为g c 碱基对 以3 个氢键结合，而a _ t 碱基对只有2 个。 d n a 在水溶液中加热变性时，螺旋的两条链分开。如果将溶液迅速冷却， 两条单链则保持分开的状态；若缓慢冷却，两条链则会发生特异的重组而恢复成 双螺旋，称为“复性”。这两个过程如图1 3 所示。 中国科学技术大学湾士学位论文 霞 图1 3d n a 在溶液中的变性及复性示意图。摘自文献【2 】 f g t t r e1 3s c h e m a s ci l l u s t r a t i o no fd e - h y b r i d i z a t i o na n dr e _ h y b r i d i z a t i o no fd n ai ns o l u t i o n c i t e df r o mt h er e f e r e n c e 【2 】 d n a 变性并不涉及与核苷酸相连的共价键的断裂，因而并不引起分子量的 降低。而多核苷酸链中磷酸二酯键的断裂称为降解。d n a 变性或降解时其紫外 吸收值增加，即“增色效应”：变性d n a 复性时则发生减色效应。常用增、减色 效应做为d n a 分子变性或复性的指标。 1 2d n a 分子导电性及d n a 纳米技术的研究进展 ( a d v a n c e so i ls t u d i e so fd n ac o n d u c t i v i t ya n dd n a n a n o t e c h n o l o g y ) 在d n a 的双螺旋结构中碱基配对形成大的共轭冗键，与导电固体中的兀键 类似，由此人们推测d n a 分子内碱基对的紧密堆积提供了一种快速的电子转移 通道。然而，由于碱基对的动力学运动，碱基序列的多样性以及碱基之间的耦合， d n a 内电荷转移应当区别于含7 1 ：键的固体。关于d n a 分子中电荷转移的设想最 早可追溯到上世纪6 0 年代f 3 ，4 】。这设想一提出来立刻就引起了广泛的兴趣。 一般认为，d n a 介导的电子传输与d n a 的损伤及修复有关 5 - 7 ，因而在生命活 动中非常重要。但是，直到1 0 年前人们才得以有合适的技术手段来验证这一假 羹霆 善菇一 、 3 1 0 旧s 。1 ) 。暂态吸收光谱研究发现，激发态的+ o s ( i i ) 和* r u ( i i ) 淬灭后，生成稳定的o s ( h i ) 3 8 l 和r u ( 1 1 1 ) 3 9 ，由此将d n a 分子内的 电子传递确立为淬灭反应的机理。 为精确控制电子供体和受体在双螺旋上的位置，人们利用有机合成技术将金 属络合物共价键合在d n a 链上