[发明专利]一种基于“蝴蝶效应”的电化学生物传感器制备方法及应用

说明书

本发明公开了基于“蝴蝶效应”的电化学生物传感器制备方法及应用，具体步骤如下：首先利用DNA四面体1中的巯基与Au相互作用形成Au‑S键将DNA四面体1固定到金电极表面，当在电极表面加入ATP后，通过ATP和适配体的特异性结合作用可以将DNA四面体2、金纳米粒子(AuNPs)、亚甲基蓝(MB)、3D石墨烯合成的复合材料拉到电极表面，采用亚甲基蓝(MB)作为信号输出，通过方波伏安法进行电化学检测。随后，利用ALP能够催化消耗ATP生成腺苷，该策略可用于实现ALP活性及其小分子抑制剂分析。该方法相对于2D石墨烯纳米材料修饰电极，电化学信号急剧增大，类似于“蝴蝶效应”。基于此，构建了一种简单、稳定、快速、无标记、高灵敏度、高选择性的ATP(ALP)电化学分析方法。

技术领域

本发明涉及电化学生物传感方法及其应用，尤其是涉及基于“蝴蝶效应”的电化学生物传感器制备方法及其在三磷酸腺苷及碱性磷酸酶分析传感中的应用，属于功能生物材料和生物传感技术领域。

背景技术

腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)，简称三磷酸腺苷，是生命的直接能量来源，且在调节细胞代谢中起着重要作用，如在细胞呼吸、酶催化、生物合成和DNA复制等生物过程中起着重要的细胞外调节作用。研究发现人体内ATP水平的异常与临床中多种生理疾病、心血管疾病、帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等疾病有着密切的关系，因此，ATP可作为有价值的临床诊断指标并引起科学家广泛关注，检测方法有色谱法、生物发光法、荧光法和比色法。尽管这些检测方法有较高的灵敏度和选择性，但是存在耗时、材料昂贵和预处理复杂等缺点，而电化学方法以操作简便、灵敏度高、响应快等优点成为科学家关注的焦点。与ATP联系紧密的酶——碱性磷酸酶(ALP)能去除ATP上的磷酸基团，并生成腺苷。ALP不仅是基因测定和免疫测定中最常用的酶之一，且由于它涉及肝胆和骨骼疾病，也是常规临床分析中的目标，因此人体内这种酶的活性对相关骨骼疾病诊断和治疗具有较大影响。开发一种新的电化学方法实现ATP及ALP灵敏检测对临床诊断和药物开发有着十分重要的意义。

DNA四面体是利用DNA的寻址性构建的三维DNA纳米结构，由于具有六个边和四个三角形面的金字塔状结构，与线性单链或双链DNA相比，显示出优异的机械刚性和结构稳定性。适配体是一种单链寡核苷酸，具有稳定的二级结构和高特异性，能以极高的亲和力与特定靶标特异性结合，与抗体相比，它们体积更小，可以确保电子转移过程接近检测表面，从而实现更高的灵敏度。此外，将DNA四面体作为支架所构建的传感器不仅可以使表面拥挤效应最小化，还能确保捕获探针的密度和方向得到很好的控制。因此，联合DNA四面体及ATP适配体构建电化学生物传感器并应用于ATP及ALP的分析检测，具有极大的潜力。

蝴蝶效应，指在一个动力系统中，初始条件下微小的变化能带动整个系统的长期的巨大的连锁反应。本发明设计了一种DNA四面体介导的电化学生物传感器制备方法，该方法利用ATP适配体可以特异性结合ATP，将该适配体进行两段分配并分别设计到金基底电极的DNA四面体结构和3D石墨烯复合材料基底的DNA四面体结构上，利用静电吸附作用将亚甲基蓝MB作为电化学信号输出。主要机理如下：由于ATP及其适配体的特异性结合作用，将3D石墨烯复合材料拉近至金电极表面，由于3D石墨烯的巨大电子传输网络及多维空间结构，使得参与电子传输的材料比表面积增大，也使得电活性物质MB吸附量增加，同时多维空间结构能够增加电极表面液相环境的稳定性，致使电化学信号大幅度增加，类似于“蝴蝶效应”驱使的信号剧烈增强，相比于2D石墨烯材料的信号放大能力有较大的改善。本发明构建了一种基于“蝴蝶效应”的新型电化学方法以期实现三磷酸腺苷和碱性磷酸酶的分析监测，为心血管及骨骼疾病相关临床诊断及药物开发提供了一种新思路。到目前为止，还未见基于“蝴蝶效应”的新型电化学方法，也未见联合DNA纳米结构和3D石墨烯复合材料的新型电化学传感器用于三磷酸腺苷和碱性磷酸酶的分析监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种特异性好、灵敏度高、检测速度快、结果准确可靠、成本低的基于“蝴蝶效应”的电化学生物传感器制备方法及应用。