DNA导电薄膜的制备方法及其产品和应用与流程

本发明提出一种DNA导电薄膜的制备方法及其产品和应用，未来可应用于医疗电子和光子学设备等领域。

背景技术：

由于以硅为主导的半导体技术已经接近其物理极限，因此，对于新技术、新材料的探索从未停止。测定一种材料导电性能的主要方法通常是施加外加电压。在许多情况下，电场效应通过改变半导体中载流子的浓度来改变其中的电流强度。近年来的有机导体和碳纳米管技术引起了众多的研究兴趣，并被致力于开发其在半导体领域的应用，如尺寸更小的晶体管，耗能更少频率更高的电子器件等。科技的发展要求导电薄膜越薄越好，但是即使很短距离（<1nm）的断点也会使得电流传输中断，而且在表界面处的载流子相比于体积较大的导体中的载流子要少，电流传输也更加困难。因此，越薄的导电薄膜越会趋于不稳定、不连续，尤其是对于只有几纳米厚的导电薄膜，截止目前的研究，被证明是金属导电器件不可逾越的障碍，同时也没有哪种导体或半导体显示出任何显著的场效应。石墨烯2D结构可算是一种例外的较为理想的材料，但是DNA由于其独特的生物相容性和医学应用前景使得它有可能成为一种更为理想的材料。

DNA在自然界是最丰富的有机材料，而且是一种可以和二氧化硅相媲美的透明电解质。DNA单链无法导电，但DNA双链被证明具有导电性。在2008年的一项研究中，Barton团队与哥伦比亚化学家Colin Nuckolls展开合作，制造了以DNA为两个碳纳米管连接线的晶体管。这些纳米管分别与分离电极相连实现了34纳米距离的导电；近期，韩国首尔延世大学研究人员采用DNA复合导电聚合物制造出有机薄膜，用于癌症治疗和健康监测；还有研究者将金属纳米颗粒键合到DNA双链上，再用电子束光刻技术将纳米线与电极相连，可以检测到电流传导，但由于传输距离太短，无法实现有效的利用。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明目的在于提供一种DNA导电薄膜的制备方法。

本发明的再一目的在于：提供一种上述方法制备的DNA导电薄膜产品。

本发明的又一目的在于：提供一种上述产品的应用。

本发明目的通过下述方案实现：一种DNA导电薄膜的制备方法，采用DNA折纸材料构建DNA导电薄膜，选取DNA三角形折纸结构，通过控制其溶液浓度，使得DNA薄膜具有导电能力，包括以下步骤：

（1）DNA三角形折纸结构的制备

将序列NO.1-208的DNA短链为订书钉链，等量地溶解到MilliQ水中，使每条链的最终浓度为200nM，将M13mp18 单链DNA（100nM）与混好的浓度为200nM的208条短链以摩尔浓度比1：10的比例混合在1×TAE-Mg²⁺溶液中，TAE-Mg²⁺溶液为：三羟甲基氨基甲烷（Tris），40mM；醋酸，20Mm；乙二胺四乙酸（EDTA）, 2 Mm；醋酸镁, 12.5mM；pH 8.0；其中M13mp18 单链DNA的最终浓度为5 nM，短链最终浓度为50nM，将混好的溶液放入PCR仪中, 设定反应程度95℃持续3分钟，然后，按降温速率为0.2℃/10s缓慢降温至4℃，得DNA三角形折纸结构溶液；

（2）DNA导电薄膜的制备

将上述制备好的DNA三角形折纸结构溶液滴在云母片或硅片上，然后，干燥，得到DNA导电薄膜。在该导电膜的部份涂上导电银胶使其与铁片联通，作为一个电极，探针作为电极的另一极，放在原子力显微镜下观察并测量其导电性。

在上述方案基础上，将上述制备好的DNA三角形折纸结构进行超滤纯化，离心除去多余的订书钉链，将纯化后的DNA三角形折纸溶液滴在云母片或硅片上，然后干燥，待溶液干透，将此云母片粘在铁片上，得到DNA导电薄膜。

所述的DNA三角折纸结构也可以是DNA长方形结构、笑脸结构、或星型结构等含双链结构DNA中的一种，相应的DNA构成序列参见文献Paul W. K. Rothemund，Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns，Nature, 2006, 440, 297-302。

在上述方案基础上，所述的干燥，甩膜机上低速运行0.1-2小时，通过甩膜速率调整成膜；或者，直接洗耳球吹干。

所述的导电膜导电性的测试方法：在导电膜的部份涂上导电银胶，使其与铁片联通，作为一个电极，用生物探针作为另一电极，在原子力显微镜下观察并测量其导电性。

本发明提供一种DNA导电薄膜，根据上述任一所述方法制备得到。

本发明提供一种 DNA导电薄膜用于医疗电子和光子学设备的应用。

在本发明采用DNA折纸材料构建了一种DNA导电薄膜，厚度仅包含几层DNA分子。尽管只有几纳米厚，但是却可以实现较长距离的电流传输。它不仅具有所有硅基设备的功能，还与活体组织更加兼容。在有机光电设备领域，这是一种科学家们梦寐以求的材料。作为一种存在于生命世界的材料，它本身对生态环境无害，具有柔性，也便于制造。未来可应用于医疗电子和光子学设备等领域。

本发明的优点在于：

（1）DNA导电薄膜可实现较长距离500微米的导电；

（2）DNA材料生物相容性好，相比无机材料，在医疗健康领域尤其具有应用前景；

（3）DNA折纸结构相对稳定，一般复杂环境，如温度、湿度，不会对其产生破坏。

附图说明

图1为DNA三角形的原子力显微镜成像图；

图2为DNA导电薄膜原子力显微镜测量导电性实时照片；

图3为DNA导电薄膜的原子力显微镜成像图；

图4为DNA导电薄膜的电流-电压曲线。

具体实施方式

以下通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。以下的实施例是对本发明的进一步说明，而不限制本发明的范围。

DNA三角形折纸结构材料准备：

将序列NO.1-208的DNA短链为订书钉链，等量地溶解到MilliQ水中，使每条链的最终浓度为200nM，将M13mp18 单链DNA（100nM）与混好的208条短链(200nM)以摩尔浓度比1：10的比例混合在1×TAE-Mg²⁺溶液中，TAE-Mg²⁺溶液为：三羟甲基氨基甲烷（Tris），40mM；醋酸，20Mm；乙二胺四乙酸（EDTA）, 2 Mm；醋酸镁, 12.5mM；pH 8.0；其中M13mp18 单链DNA的最终浓度为5 nM，短链最终浓度为50nM，将混好的溶液放入PCR仪中, 设定反应程度95℃持续3分钟，然后，以降温速率为0.2℃/10s缓慢降温至4℃，制备DNA三角形折纸结构材料。图1为DNA三角形的原子力显微镜成像图。

实施例1

将上述制备好的DNA三角形折纸结构进行超滤纯化，离心除去多余的订书钉链，使得DNA三角溶液终浓度为3nM（nmol/L）；将纯化后的DNA三角形折纸溶液3μl滴在云母片上，然后置于甩膜机上低速运行10分钟；待溶液干透，将此云母片粘在铁片上，在导电膜的一半涂上导电银胶使其与铁片联通，作为一个电极，然后放在原子力显微镜下观察并测量其导电性。具有导电性图2为DNA导电薄膜原子力显微镜测量导电性实时照片所示和如图3为比例尺3微米（长、宽为3微米）DNA导电薄膜的原子力显微镜成像图所示。

实施例2

将上述制备好的DNA三角形折纸结构进行超滤纯化，离心除去多余的订书钉链，使得DNA三角溶液终浓度为3nM；将纯化后的DNA三角形折纸溶液5μl滴在云母片上，然后室温干燥10分钟；洗耳球吹掉未干的部分溶液，将此云母片粘在铁片上，在导电膜的一半涂上导电银胶使其与铁片联通，作为一个电极，然后放在原子力显微镜下观察并测量其导电性。与实施例1的区别是导电膜制备中的干燥方式不同。

实施例3

将上述制备好的DNA三角形折纸结构不必超滤，直接将溶液5μl滴在云母片上，然后室温干燥10分钟。洗耳球吹掉未干的部分溶液，将此云母片粘在铁片上，在导电膜的一半涂上导电银胶使其与铁片联通，作为一个电极，然后放在原子力显微镜下观察并测量其导电性。与实施例1和2比较，没有超滤，但仍有导电性。

对比例

空白组：将上述208条订书钉链和M13mp18链按照10:1的摩尔比配好，不经过PCR退火的过程，其中，M13mp18 单链DNA的最终浓度为5 nM，订书钉短链最终浓度为50nM，作为空白组，与DNA三角折纸结构导电薄膜对比。

将该空白溶液3μl滴在云母片上，然后，置于甩膜机上低速运行10分钟，待溶液干透，将此云母片粘在铁片上，在导电膜的一半涂上导电银胶使其与铁片联通，作为一个电极，然后放在原子力显微镜下观察并测量其导电性。

对比例及实施例3，改变AFM探针的位置，测量AFM探针到导电银胶不同距离：40、100、350、500um之DNA导电薄膜的导电性，见图4。空白组电流随电压变化，电流基本为0；从40um至500um，电压对电流的影响变小。

<110> 上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司

<120> DNA导电薄膜的制备方法及其产品和应用

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<213>人工序列

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taattgcttg gaagtttcat tccaaatcgg ttgta

<210>93

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gataaaaacc aaaatattaa acagttcaga aattagagct

<210>94

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

actaaagtac ggtgtcgaat ataa

<210>95

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tgctgtagat ccccctcaaa tgctgcgaga ggcttttgca

<210>96

<211>43

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

aaagaagttt tgccagcata aatattcatt gactcaacat gtt

<210>97

<211>43

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

aatactgcgg aatcgtaggg ggtaatagta aaatgtttag act

<210>98

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

agggatagct cagagccacc accccatgtc aa

<210>99

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

caacagttta tgggattttg ctaatcaaaa gg

<210>100

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gccgctttgc tgaggcttgc aggggaaaag gt

<210>101

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gcgcagactc catgttactt agcccgtttt aa

<210>102

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

acaggtagaa agattcatca gttgagattt ag

<210>103

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cctcagaacc gccacccaag cccaatagga acgtaaatga

<210>104

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

attttctgtc agcggagtga gaataccgat at

<210>105

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

attcggtctg cgggatcgtc acccgaaatc cg

<210>106

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cgacctgcgg tcaatcataa gggaacggaa caacattatt

<210>107

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

agacgttacc atgtaccgta acacccctca gaaccgccac

<210>108

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cacgcataag aaaggaacaa ctaagtcttt cc

<210>109

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

attgtgtctc agcagcgaaa gacaccatcg cc

<210>110

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ttaataaaac gaactaaccg aactgaccaa ctcctgataa

<210>111

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

aggtttagta ccgccatgag tttcgtcacc aggatctaaa

<210>112

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gttttgtcag gaattgcgaa taatccgaca at

<210>113

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gacaacaagc atcggaacga gggtgagatt tg

<210>114

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tatcatcgtt gaaagaggac agatggaaga aaaatctacg

<210>115

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

agcgtaacta caaactacaa cgcctatcac cgtactcagg

<210>116

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tagttgcgaa ttttttcacg ttgatcatag tt

<210>117

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gtacaacgag caacggctac agaggatacc ga

<210>118

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

accagtcagg acgttggaac ggtgtacaga ccgaaacaaa

<210>119

<211>35

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

acagacagcc caaatctcca aaaaaaaatt tctta

<210>120

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

aacagcttgc tttgaggact aaagcgatta ta

<210>121

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ccaagcgcag gcgcataggc tggcagaact ggctcattat

<210>122

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cgaggtgagg ctccaaaagg agcc

<210>123

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

acccccagac tttttcatga ggaacttgct tt

<210>124

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

accttatgcg attttatgac cttcatcaag agcatctttg

<210>125

<211>35

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cggtttatca ggtttccatt aaacgggaat acact

<210>126

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

aaaacactta atcttgacaa gaacttaatc attgtgaatt

<210>127

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ggcaaaagta aaatacgtaa tgcc

<210>128

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tggtttaatt tcaactcgga tattcattac ccacgaaaga

<210>129

<211>43

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

accaacctaa aaaatcaacg taacaaataa attgggcttg aga

<210>130

<211>43

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cctgacgaga aacaccagaa cgagtaggct gctcattcag tga

<210>131

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tcgggagata tacagtaaca gtacaaataa tt

<210>132

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cctgattaaa ggagcggaat tatctcggcc tc

<210>133

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gcaaatcacc tcaatcaata tctgcaggtc ga

<210>134

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cgaccagtac attggcagat tcacctgatt gc

<210>135

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tggcaatttt taacgtcaga tgaaaacaat aacggattcg

<210>136

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

aaggaattac aaagaaacca ccagtcagat ga

<210>137

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ggacattcac ctcaaatatc aaacacagtt ga

<210>138

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ttgacgagca cgtatactga aatggattat ttaataaaag

<210>139

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cctgattgct ttgaattgcg tagattttca ggcatcaata

<210>140

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

taatcctgat tatcattttg cggagaggaa gg

<210>141

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ttatctaaag catcaccttg ctgatggcca ac

<210>142

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

agagatagtt tgacgctcaa tcgtacgtgc tttcctcgtt

<210>143

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gattatacac agaaataaag aaataccaag ttacaaaatc

<210>144

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

taggagcata aaagtttgag taacattgtt tg

<210>145

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tgacctgaca aatgaaaaat ctaaaatatc tt

<210>146

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

agaatcagag cgggagatgg aaatacctac ataacccttc

<210>147

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gcgcagaggc gaattaatta tttgcacgta aattctgaat

<210>148

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

aatggaagcg aacgttatta atttctaaca ac

<210>149

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

taatagatcg ctgagagcca gcagaagcgt aa

<210>150

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gaatacgtaa caggaaaaac gctcctaaac aggaggccga

<210>151

<211>35

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tcaatagata ttaaatcctt tgccggttag aacct

<210>152

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

caatatttgc ctgcaacagt gccatagagc cg

<210>153

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ttaaagggat tttagatacc gccagccatt gcggcacaga

<210>154

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

acaattcgac aactcgtaat acat

<210>155

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ttgaggatgg tcagtattaa caccttgaat gg

<210>156

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ctattagtat atccagaaca atatcaggaa cggtacgcca

<210>157

<211>35

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cgcgaactaa aacagaggtg aggcttagaa gtatt

<210>158

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gaatcctgag aagtgtatcg gccttgctgg tactttaatgTAATG

<210>159

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

accaccagca gaagatgata gccc

<210>160

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

taaaacatta gaagaactca aactttttat aatcagtgag

<210>161

<211>43

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gccaccgagt aaaagaacat cacttgcctg agcgccatta aaa

<210>162

<211>43

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tctttgatta gtaatagtct gtccatcacg caaattaacc gtt

<210>163

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cgcgtcrgat aggaacgcca tcaactttta ca

<210>164

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

aggaagatgg ggacgacgac agtaatcata tt

<210>165

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ctctagagca agcttgcatg cctggtcagt tg

<210>166

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ccttcaccgt gagacgggca acagcagtca ca

<210>167

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cgagaaagga agggaagcgt actatggttg ct

<210>168

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gctcattttt taaccagcct tcctgtagcc aggcatctgc

<210>169

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cagtttgacg cactccagcc agctaaacga cg

<210>170

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gccattgcga tccccgggta ccgagttttt ct

<210>171

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tttcaccagc ctggccctga gagaaagccg gcgaacgtgg

<210>172

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gtaaccgtct ttcatcaaca ttaaaatttt tgttaaatca

<210>173

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

acgttgtatt ccggcaccgc ttctggcgca tc

<210>174

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ccagggtggc tcgaattcgt aatccagtca cg

<210>175

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tagagcttga cggggagttg cagcaagcgg tcattgggcg

<210>176

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gttaaaattc gcattaatgt gagcgagtaa cacacgttgg

<210>177

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tgtagatggg tgccggaaac caggaacgcc ag

<210>178

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ggttttccat ggtcatagct gtttgagagg cg

<210>179

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gtttgcgtca cgctggtttg ccccaaggga gcccccgatt

<210>180

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ggataggtac ccgtcggatt ctcctaaacg ttaatatttt

<210>181

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

agttgggtca aagcgccatt cgccccgtaa tg

<210>182

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cgcgcgggcc tgtgtgaaat tgttggcgat ta

<210>183

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ctaaatcgga accctaagca ggcgaaaatc cttcggccaa

<210>184

<211>35

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cggcggattg aattcaggct gcgcaacggg ggatg

<210>185

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tgctgcaaat ccgctcacaa ttcccagctg ca

<210>186

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ttaatgaagt ttgatggtgg ttccgaggtg ccgtaaagca

<210>187

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tggcgaaatg ttgggaaggg cgat

<210>188

<211>32

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tatcgtgcac acaacatacg agccacgcca gc

<210>189

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

caagtttttt ggggtcgaaa tcggcaaaat ccgggaaacc

<210>190

<211>35

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tcttcgctat tggaagcata aagtgtatgc ccgct

<210>191

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ttccagtcct tataaatcaa aagagaacca tcacccaaat

<210>192

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gcgctcacaa gcctggggtg ccta

<210>193

<211>40

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cgatggccca catcgtatag cccgagatag ggattgcgtt

<210>194

<211>43

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

aactcacatt attgagtgtt gttccagaaa ccgtctatca ggg

<210>195

<211>43

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

acgtggactc caacgtcaaa gggcgaattt ggaacaagag tcc

<210>196

<211>25

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ttaattaatt ttttaccata tcaaa

<210>197

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ttaatttcat cttagacttt acaa

<210>198

<211>23

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ctgtccagac gtataccgaa cga

<210>199

<211>22

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tcaagattag tgtagcaata ct

<210>200

<211>25

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tgtagcattc cttttataaa cagtt

<210>201

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

tttaattgta tttccaccag agcc

<210>202

<211>23

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

actacgaagg cttagcacca tta

<210>203

<211>22

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

ataaggcttg caacaaagtt ac

<210>204

<211>25

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gtgggaacaa atttctattt ttgag

<210>205

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

cggtgcgggc cttccaaaaa catt

<210>206

<211>23

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

atgagtgagc ttttaaatat gca

<210>207

<211>22

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

actattaaag aggatagcgt cc

<210>208

<211>24

<212>DNA

<213>人工序列

<400>

gcgcttaatg cgccgctaca gggc