專利名稱：Au-DNA-量子點復合結構電極、其制備方法及用途的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電轉換技術領域，具體是涉及一種模擬綠色植物光合作用的 Au-DNA-量子點光電轉換復合結構電極、其制備方法及用途。
背景技術：
效法自然，超越自然一直是人類發展追求的目標。幾十年來，自然中綠色植物和一 些細菌的光合作用備受人們的廣泛關注，諸多科研工作者都致力于模擬其高效環保的能量 轉換過程，也已取得不少成果，如太陽能電池等相關的光電轉換體系。然而，一般的光電轉 換體系都是靜止不可逆的過程，動態可逆的調控光電轉換仍然是一個挑戰。綠色植物的光合作用，其實質為電子轉移過程，而電子轉移可發生于眾多的體 系之中，如在溶液中或膠體中的有機化合物分子；在不同界面，如金屬-液體界面、半導 體_液體以及液體_液體界面的電子轉移過程。根據榮獲1992年諾貝爾獎的Marcus理論， 電子轉移反應速度取決于電子給體與受體間的距離、反應自由能的變化以及反應物與周圍 溶劑重組能的大小。因此要得到動態可逆的光電轉換開關，調控電子給體和受體間的距離 將是一種可取的方法。根據相關文獻和專利報道，量子點(QDs)，即半導體納米粒子，具有優異的光學性 質，如寬吸收，窄發射且尺寸可調和高量子產率等，更是優秀的熒光共振能量轉移和電子轉 移的給體，也被人們期待用來開發新一代的太陽能電池和新型的光電智能材料。DNA分子馬達(i-motif)是一種特殊的DNA二級結構，是由四個胞嘧啶重復序列在 質子的參與下形成的四鏈螺旋(胞嘧啶C和質子化的胞嘧啶C+結合形成氫鍵)。由于DNA 分子馬達具有特殊的堿基序列，其可以在不同PH值條件下發生折疊和打開。在中國專利申 請CN101096268A中公開了一種DNA分子納米艙的制備方法和用途，該DNA分子納米艙本質 上是通過巰金鍵組裝在金基底上的DNA分子膜，僅僅利用DNA分子馬達的構象變化來包覆 或者釋放一定大小的離子，如鐵氰化鉀離子等。
發明內容
本發明分別通過經典的巰金鍵反應和EDC/NHSS交聯反應，在DNA分子馬達末端分 別連接上電子受體(金基底)和電子給體(半導體量子點)，利用DNA分子馬達在折疊和打 開的過程中總伴隨著兩末端距離的變化，使得給體和受體之間的距離變得可控，進而調控 其間的電子轉移過程，最終得到光電流隨電解液PH值變化的光電流轉換開關。因此，本發明的目的在于，提供一種Au-DNA-量子點光電轉換復合結構電極。本發明的另一個目的在于，提供上述Au-DNA-量子點光電轉換復合結構電極的制 備方法。本發明的又一個目的在于，提供上述Au-DNA-量子點光電轉換復合結構電極的用 途。本發明的目的是采用以下技術方案方法來實現的。一方面，本發明提供一種Au-DNA-量子點復合結構電極，該復合結構電極包括(1)鍍金襯底；(2)巰基(-SH)和氨基 ("NH2)修飾的DNA分子膜層，其DNA分子由包含一段四鏈部分和一段單鏈部分的四鏈寡核 苷酸分子單元組成，所述單鏈部分固定于所述(1)鍍金襯底；以及(3)量子點，其交聯在所 述(2)DNA分子膜層的四鏈寡核苷酸分子四鏈部分的末端。優選地，所述(1)鍍金襯底選自硅襯底、氧化銦錫(IT0)導電玻璃等；更優選地， 所述鍍金襯底的鍍金層厚度大于20nm，考慮到經濟因素，可自主選擇大于20nm的鍍金層厚度。優選地，所述組成(2)DNA膜層的四鏈寡核苷酸分子的四鏈部分堿基序列為 CCCTAACCCTAACCCTAACCC，單鏈部分堿基序列為選自A、T、C和G中的任意1 10個堿基； 更優選地，所述四鏈寡核苷酸分子的堿基序列如下5‘ -TGTTTTCTTCCCTAACCCTAACCCTAACC C-3'。優選地，所述組成(2)DNA膜層的四鏈寡核苷酸分子的兩端分別經巰基和/或氨基 修飾；更優選地，所述四鏈寡核苷酸分子的堿基序列如下5' -SH-TGTTTTCTTCCCTAACCCTA ACCCTAACCC-NH2-3 ‘。優選地，所述(3)量子點選自CdTe、CdSe和CdSe/ZnS，優選為CdSe/ZnS核殼量子
點o另一方面，本發明提供上述Au-DNA-量子點復合結構電極的制備方法，該方法包 括以下步驟(1)制備鍍金襯底；(2)組裝DNA膜層將DNA膜層組裝到步驟(1)所制備的 襯底，其中所述DNA膜層由包含一段四鏈部分和一段單鏈部分的四鏈寡核苷酸分子單元組 成；(3)組裝量子點將量子點組裝到步驟(2)所述寡核苷酸分子。優選地，其中所述步驟(1)中的鍍金襯底為硅襯底，其制備是利用磁控濺射法在 硅基底或其他導電基底表面鍍金完成的；更優選地，所述鍍金層厚度大于20nm。優選地，其中所述步驟(2)組成DNA膜層的四鏈寡核苷酸分子的四鏈部分堿基序 列為CCCTAACCCTAACCCTAACCC，單鏈部分堿基序列為選自A、T、C和G中的任意1 10個堿 基；更優選地，該堿基序列兩端分別經巰基和/或氨基修飾。優選地，其中所述所述步驟(2)中DNA膜層的組裝條件如下DNA組裝濃度為1 100 u M，組裝環境為pH為4. 5 6. 0的磷酸鹽緩沖液PBS或者Tris緩沖液中，組裝時間為 4 24小時；更優選地，在DNA組裝后，用ImM巰基乙醇浸潤，以除去非特異性吸附的DNA分 子，并消減可能的空間位阻。優選地，其中所述步驟(3)中的量子點選自CdTe、CdSe和CdSe/ZnS，優選為CdSe/ ZnS核殼量子點。優選地，其中所述步驟(3)中量子點的組裝條件如下通過經典的EDC/NHSS交 聯法(具體方法請參見 Hermanson G. T. BioconjugateTechniques, Academic Press :San Diego, California, 1996.)進行接枝，量子點的交聯濃度為1 3 y M，時間為2 4小時；優 選地，所述EDC/NHSS濃度均為mM級；更優選地，該過程還伴有氨基聚已二醇的接枝，以穩定 接枝到電極表面的量子點。又一方面，本發明提供上述Au-DNA-量子點復合結構電極在制備動態可逆光電轉 換開關、光電轉換系統和/或生物芯片中的用途。此外，本發明還提供了一種光電轉換系統，其包括上述Au-DNA-量子點復合結構電極作為工作電極；優選地，所述光電轉換系統還包括對電極、參比電極和/或電解液；更 優選地，所述對電極為鉬電極，所述參比電極為飽和甘汞電極，所述電解液為磷酸緩沖液。 該光電轉換系統可檢測溶液體系質子濃度變化，即PH值的變化。由此可見，本發明是通過在鍍金硅襯底上組裝寡核苷酸膜層(即DNA分子馬達) 和量子點(如CdSe/ZnS量子點)來實現的，DNA分子馬達的構象隨體系的pH值變化而變 化。CdSe/ZnS QDs為巰基丙酸(MPA)穩定的水溶性量子點。本發明還可采用以下技術方案來實現。本發明的Au-DNA-QDs復合結構的制備方 法是自組裝和EDC/NHSS交聯方法的并用，該方法包括以下步驟(1)在硅襯底上用磁控濺 射儀鍍金；(2)利用巰金鍵作用，在步驟(1)所得鍍金硅襯底上自組裝DNA分子膜層；(3)通 過經典的EDC/NHSS交聯反應，將量子點(CdSe/ZnS QDs)接枝到步驟(2)所得膜層DNA分 子的末端，即得Au-DNA-QDs組裝結構。(4)將步驟(3)所獲Au-DNA-QDs組裝結構用作本 發明所用電化學工作站的工作電極，飽和甘汞電極和鉬電極分別為參比和對電極，磷酸緩 沖液(PBS)作為電解液，太陽光模擬器用作光源，即得一個完整的光電轉換系統。(5)在步 驟(4)所得光電轉換系統中，通過調節PBS溶液的pH值以及光源的開關，得到不同大小的 開關電流，從而成功制備動態可逆的光電轉換開關。在本發明的該方法中，所用緩沖溶液是磷酸鹽緩沖生理鹽水(PBS)，其用途為提供 組裝環境和充當電解液。配制方法如下稱取8g NaCl，0.2gKCl，3.63g Na2HP04 12H20禾口 0. 24g KH2P04加二次水至100mL，溶解，得到儲備液，使用前將儲備液稀釋10倍，并將溶液 采用1M NaOH或1MHC1調至所需pH值。所用DNA兩端分別修飾有巰基和氨基，其序列為包 含一段i-motif單元(CCCTAACCCTAACCCTAACCC)和堿基數在1 10之間的單鏈，優選的總 序列為 5' -SH-TGTTTTCTTCCCTAACCCTAACCCTAACCC-NH2-3'，組裝濃度為 PM 級，優選的是 liiM，組裝時間為4 24小時，優選為12小時。所用量子點可以是CdTe，CdSe, CdSe/ZnS 等，優選為MPA穩定的水溶性CdSe/ZnS QDs，利用EDC/NHSS交聯法(PBS :pH = 7. 4)將接 枝到DNA末端，交聯時間可以為2 4小時。室溫下，利用經典的巰金鍵相互作用，在PBS(pH = 4. 5)環境中將總序列為5' _S H-TGTTTTCTTCCCTAACCCTAACCCTAACCC-NH2-3 ‘的DNA分子組裝到干凈的鍍金硅襯底上，經 過ImM巰基乙醇的浸洗，將其置入PBS(pH= 7.4)中進行4小時的交聯反應，所用CdSe/ZnS QDs濃度為ii M，EDC/NHSS濃度為mM級，最終得到Au-DNA-QDs的復合組裝結構。組裝全過 程如圖1所示。將所得復合結構用作如圖2所示的電化學工作站中的工作電極，并以飽和甘汞電 極和鉬電極分別為參比和對電極，磷酸鹽緩沖生理鹽水(PBS)作為電解液，太陽光模擬器 用作光源，即得一個完整的光電轉換系統。當電解液PH值為5. 0時，由于連接QDs和Au電 極的DNA分子折疊成四鏈結構，縮短了它們之間的距離，便于電子的轉移躍遷，因此檢測到 較大的開關電流，即較大的光源開關態的光電流之差值(如圖3所示)。而當電解液的pH 值上調至8.0時，在有或沒有互補鏈(CS)存在的情況下，檢測到的開關電流均明顯小于pH 5. 0。反復調節電解液的pH值，能可逆的得到隨pH值變化的開關電流，從而實現了動態可 逆的pH驅動光電轉換開關。而換用其他序列的DNA分子(不包含i-motif結構序列)，則 不能達到以上效果，其開關電流隨pH值無明顯變化。綜上所述，本發明通過在鍍金硅襯底上組裝上兩端分別修飾有巰基和氨基的DNA
6分子，以及MPA穩定的CdSe/ZnS量子點(QDs)，得到Au_DNA_量子點復合結構，由于DNA分 子構象的PH可調性，量子點和Au間距離變得可調。本發明創造性的將DNA和量子點的組 裝體組裝到金表面上，并保存了它們各自的活性或者性質，實現了將DNA和量子點的結合 從溶液體系轉移到表面上的技術突破。此外，本發明將此復合結構用作電化學工作體系中 的工作電極，通過調控電解液的PH值，便可達到動態可逆的光電轉換開關的目的。由此可見，本發明涉及一種受綠色植物光合作用啟發的仿生光電轉換復合結構， 其包括鍍金硅襯底、組裝在其表面的四鏈寡核苷酸(DNA)膜層及交聯在核苷酸鏈末端的 半導體量子點。該DNA膜層由兩端分別修飾巰基和氨基的四鏈寡核苷酸分子單元組成， 每個四鏈寡核苷酸分子單元包含一段四鏈部分和一段單鏈部分，其中四鏈部分為俗稱的 i-motif或者分子馬達單元，可在一定pH條件下伸展打開和重新折疊，單鏈部分堿基數為1 至10個。半導體量子點為具有優異光學性質的CdSe/ZnS核殼結構量子點，在光能激發下 可以發生受距離約束的電子躍遷轉移，產生光電流，實現光電轉換過程。組合DNA分子馬達 和CdSe/ZnS的特性，通過調節體系的pH值，得到動態可逆的光電轉換開關。該開關可以用 來檢測溶液體系質子濃度變化，并可實現光電轉換的可逆動態調控，并可進一步與生物芯 片加工技術結合，形成新型的DNA芯片。此外，本發明還具有制備工藝簡單有效，對設備要 求低，安全可靠，制備過程環保的優點，將在仿生智能材料方面具有很高的應用價值。
以下，結合附圖來詳細說明本發明的實施例，其中圖1為本發明Au-DNA-量子點復合結構電極制備方法的流程示意圖。圖2為本發明中包括Au-DNA-量子點復合結構電極的電化學工作站裝置示意圖， 其中分別以飽和甘汞電極和鉬電極作為參比和對電極，磷酸鹽緩沖生理鹽水(PBS)為電解 液，太陽光模擬器為光源。圖3為本發明實施例1所得光電轉換開關的光電流隨時間(i_t)的電化學表征， 由本圖可得，PH 5.0時對應于較大的開關電流；而pH 8.0時，不管互補鏈(CS)存在與否， 均只能得到很小的開關電流，其大小約為PH 5. 0時的五分之一。圖4為本發明實施例1所得光電轉換開關的動態可逆原理，即連接QDs和Au電極 的DNA分子構象能隨pH值變化而發生折疊和打開。
具體實施例方式下面通過實施例對本發明所提供的光電轉換開關(其動態可逆原理請參見圖4) 及其制備方法進行詳細說明。實施例1本實施例為本發明Au-DNA-量子點復合結構電極及可逆光電轉換開關的制備方 法，制備流程示意圖請參見圖1，具體步驟如下(1)預先采用磁控濺射儀在硅襯底上鍍金，利用巰金鍵作用，將該鍍金硅襯底浸入 DNA的PBS (pH 4. 5)溶液中12小時，進行組裝，所用組裝液濃度為1 P M,所選DNA序列為5' -SH-TGTTTTCTTCCCTAACCCTAACCCTAACCC-NH2-3'。(2)取出步驟(1)所得樣品，在ImM巰基乙醇PBS溶液中(pH 4.5)浸洗，然后用
7pH 7. 4的磷酸緩沖液中浸洗，以去除非特異性吸附的DNA分子，并消除部分空間位阻。
(3)將步驟⑵所得樣品，置入經典的EDC/NHSS交聯反應中，在PBS (pH 7.4) 環境下將預先制備的CdSe/ZnS QDs (具體制備方法請參見Wang，Q. B.，Y. Xu，et al. A facile one-step in situ functionalization of quantumdots with preserved photoluminescence for bioconjugation. J. Am. Chem. Soc. ,2007,129,6380 以及 Wang, Q. B. , Y. Liu,et al. Quantum dot bioconjugationduring core-shell synthesis, Angew. Chem. Int. Ed.，2008，47，316)(濃度約為2.5uM)接枝到步驟(1)所得膜層DNA分子的末 端，交聯時間為4小時，其中包括PEG-NH2 (2. 5mM)的接枝，以穩定QDs，即得Au_DNA_QDs組 裝復合結構電極。(4)將步驟(3)所獲Au-DNA-QDs復合結構電極用作本發明所用電化學工作站的工 作電極，飽和甘汞電極和鉬電極分別為參比和對電極，磷酸緩沖液(PBS)作為電解液，太陽 光模擬器用作光源，即得一個完整的光電轉換系統。(5)在步驟(4)所得光電轉換系統中，通過調節PBS溶液的pH值以及光源的開關， 得到不同大小的開關電流，從而成功制備動態可逆的光電轉換開關。如圖3所示，pH 5.0時 得到的開關電流約為lOnA，而pH 8. 0時則顯著減小至僅約為pH 5. 0時所得開關電流的五 分之一。實施例2本實施例為本發明Au-DNA-量子點復合結構電極及可逆光電轉換開關的制備方 法，基本步驟同實施例1，具體如下(1)利用巰金鍵作用，將預先制備的鍍金硅襯底浸入DNA的PBS(pH 4. 5)溶液中組 裝20小時，所用組裝液濃度為1 P M,所選DNA序列為5 ‘ -SH-TGTTTTCTTCCCTAACCCTAACCC TAACCC-NH2-3 ‘。(2)取出步驟⑴所得樣品，在ImM巰基乙醇PBS溶液中(pH4. 5)浸洗，然后用pH 7. 4的磷酸緩沖液中浸洗，以去除非特異性吸附的DNA分子，并消除部分空間位阻。(3)將步驟(2)所得樣品，置入經典的EDC/NHSS交聯反應中，在PBS (pH 7. 4環境 下將預先制備的CdSe/ZnS QDs (濃度約為2. 5 y M)接枝到步驟(1)所得膜層DNA分子的末 端，交聯時間為3小時，包括PEG-NH2 (2. 5mM)的接枝，以穩定QDs，即得Au-DNA-QDs組裝復 合結構電極。(4)將步驟(3)所獲Au-DNA-QDs組裝結構用作本發明所用電化學工作站的工作電 極，飽和甘汞電極和鉬電極分別為參比和對電極，磷酸緩沖液(PBS)作為電解液，太陽光模 擬器用作光源，即得一個完整的光電轉換系統。(5)在步驟(4)所得光電轉換系統中，通過調節PBS溶液的pH值以及光源的開關， 得到不同大小的開關電流，從而成功制備動態可逆的光電轉換開關。
權利要求
一種Au DNA 量子點復合結構電極，其特征在于，所述復合結構電極包括(1)鍍金襯底；(2)DNA膜層，其由包含一段四鏈部分和一段單鏈部分的四鏈寡核苷酸分子單元組成，所述單鏈部分固定于所述(1)鍍金襯底；以及(3)量子點，其交聯在所述(2)DNA膜層的四鏈寡核苷酸分子的四鏈部分。
2.根據權利要求1所述的復合結構電極，其特征在于，所述(1)鍍金襯底選自硅襯底和 氧化銦錫導電玻璃；優選地，所述鍍金襯底的鍍金層厚度大于20nm。
3.根據權利要求1或2所述的復合結構電極，其特征在于，所述組成(2)DNA膜層的四 鏈寡核苷酸分子的四鏈部分堿基序列為CCCTAACCCTAACCCTAACCC，單鏈部分堿基序列為選 自A、T、C和G中的任意1 10個堿基；優選地，所述四鏈寡核苷酸分子的堿基序列如下 5' -TGTTTTCTTCCCTAACCCTAACCCTAACCC-3'。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的復合結構電極，其特征在于，所述組成(2)DNA 膜層的四鏈寡核苷酸分子的兩端分別經巰基和/或氨基修飾；優選地，所述四鏈寡核苷酸 分子的堿基序列如下5 ‘ -SH-TGTTTTCTTCCCTAACCCTAACCCTAACCC-NH2-3 ‘。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的復合結構電極，其特征在于，其中所述(3)量子 點選自CdTe、CdSe和CdSe/ZnS，優選為CdSe/ZnS核殼量子點。
6.制備權利要求1至5中任一項所述復合結構電極的方法，其特征在于，該方法包括以 下步驟(1)制備鍍金襯底；(2)組裝DNA膜層將DNA膜層組裝到步驟(1)所制備的鍍金襯底，其中所述DNA膜層 由包含一段四鏈部分和一段單鏈部分的四鏈寡核苷酸分子單元組成；(3)組裝量子點將量子點組裝到步驟(2)所述寡核苷酸分子末端。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，其中所述步驟(1)中的鍍金襯底選自硅襯 底和氧化銦錫導電玻璃，其制備是通過磁控濺射法在襯底表面鍍金；優選地，所述鍍金層厚 度大于20nm。
8.根據權利要求6或7所述的方法，其特征在于，其中所述步驟(2)組成DNA膜層的四 鏈寡核苷酸分子的四鏈部分堿基序列為CCCTAACCCTAACCCTAACCC，單鏈部分堿基序列為選 自A、T、C和G中的任意1 10個堿基；優選地，該堿基序列兩端分別經巰基和/或氨基修 飾。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的方法，其特征在于，其中所述所述步驟(2)中 DNA膜層的組裝條件如下DNA組裝濃度為1 100 ii M，組裝環境為pH為4. 5 6. 0的磷 酸鹽或Tris緩沖液中，組裝時間為4 24小時；優選地，在寡核苷酸組裝后，用ImM巰基乙 醇浸潤，以除去非特異性吸附的DNA分子，并消減可能的空間位阻。
10.根據權利要求6至9中任一項所述的方法，其特征在于，其中所述步驟(3)中的量 子點選自CdTe、CdSe和CdSe/ZnS，優選為CdSe/ZnS核殼量子點。
11.根據權利要求6至10中任一項所述的方法，其特征在于，其中所述步驟(3)中量 子點的組裝條件如下通過經典的EDC/NHSS交聯法進行接枝，量子點的交聯濃度為1 3 ii M，時間為2 4小時；優選地，所述EDC/NHSS濃度均為mM級；更優選地，該過程還伴有氨基聚已二醇的接枝，以穩定接枝好的量子點。
12.權利要求1至5中任一項所述的Au-DNA-量子點復合結構電極在制備動態可逆光 電轉換開關、光電轉換系統和/或生物芯片中的用途。
13.一種光電轉換系統，其特征在于，所述光電轉換系統包括權利要求1至5中任一項 所述的Au-DNA-量子點復合結構電極作為工作電極；優選地，所述光電轉換系統還包括對 電極、參比電極和/或電解液；更優選地，所述對電極為鉬電極，所述參比電極為飽和甘汞 電極，所述電解液為磷酸鹽緩沖液。
14.權利要求13所述光電轉換系統在檢測溶液體系質子濃度變化中的用途。
全文摘要
本發明提供了一種Au-DNA-量子點復合結構電極、其制備方法及應用。本發明的Au-DNA-量子點復合結構電極包括(1)鍍金襯底，優選為鍍金硅襯底；(2)DNA膜層，由包含一段四鏈部分和一段單鏈部分的四鏈寡核苷酸分子單元組成，且單鏈部分固定于(1)鍍金襯底；以及(3)量子點，交聯在(2)DNA膜層的四鏈寡核苷酸分子四鏈部分的末端，優選為具有優異光學性質的CdSe/ZnS核殼結構量子點。本發明基于四鏈寡核苷酸和CdSe/ZnS的特性，通過調節體系的pH值，得到動態可逆的光電轉換開關，可用于檢測體系質子濃度變化，實現光電轉換的可逆動態調控，可應用于仿生智能材料，且本發明制備工藝簡單有效，對設備要求低，安全可靠，制備過程環保。
文檔編號B82B3/00GK101935012SQ20091008808
公開日2011年1月5日 申請日期2009年7月2日 優先權日2009年7月2日
發明者劉冬生, 唐智勇, 孟海鳳, 江雷 申請人:國家納米科學中心