基因电子学,这一名词首次由Joseph Wang等提出,用于描述DNA分子生物识别系统与电子系统间的耦合界面,其最终目的是实现将DNA特异性识别反应直接转化为电学信号,实现DNA检测、疾病诊断并最终用于发展DNA传感器。由于基因电子学的研究涉及众多学科领域,如表面物理化学,分子生物学,生物化学及电子学等,因此研究充满挑战,但同时也充满期许。聚吡咯,一种共轭导电聚合物,它的发展为基因电子学的研究提供了契机。一方面,聚吡咯可以作为载体材料实现DNA分子探针的灵活固定;另一方面,聚吡咯可作为三维的“分子导线”将DNA分子识别反应直接转变为电学信号。在此研究基础上,我们利用吡咯、DNA分子探针电化学共聚合技术,志在发展出一种基于导电聚吡咯的电化学DNA生物传感器,实现对DNA杂交的无标记现场检测,为聚吡咯在电化学DNA传感器的应用以及未来基因电子学的发展添砖加瓦。为此,我们做了以下几个方面的工作:(1)研究了吡咯、寡核苷酸分子探针通过电化学共聚合技术形成聚吡咯/寡核苷酸(PPy/ODN)复合物的生长机理。我们发现:在PPy/ODN聚合之初,ODN分子首先通过静电作用吸附在电极表面作为核粒开始聚吡咯电聚合反应。随后,PPy/ODN的成核生长机理由渐进成核三维生长模式转为瞬间式成核三维生长模式。在核粒重叠后,PPy/ODN的成核生长机理为瞬间成核三维生长和渐进成核三维生长模式相结合;电化学聚合生成的PPy/ODN膜表面呈现皱褶状结构;ODN分子可作为模板指导聚吡咯的电化学聚合。(2)将ODN探针分子作为唯一对阴离子,采用电化学共聚合技术将ODN探针分子掺杂进聚吡咯的分子网络中制备了一种基于循环伏安法的聚吡咯电化学DNA传感器。利用原子力显微镜(AFM)及电化学循环伏安法,我们研究并探讨了制备的电化学DNA生物传感器杂交检测机理。总结如下:杂交反应使PPy/ODN与缓冲液界面的分子结构变得紧凑和扭曲,从而通过空间位阻效应阻滞了聚吡咯氧化还原过程中的阳离子交换动力学行为。在此基础上,优化实验条件,制备的聚吡咯电化学DNA生物传感器具有低至5×10-18M的检测下限值。(3)利用16位单片机MSP430F169作为主控芯片,结合外围的模拟电子线路,设计并实现了一种基于循环伏安法的便携式电化学分析系统。该系统具有电池供电、硬件结构简单、低功耗、设计升级灵活等优点。结合前面制备的聚吡咯电化学DNA传感器,可实现DNA杂交的无标记检测,检测具有较好的灵敏度。通过后续优化工作,该系统可取代商业化桌面式电化学工作站或恒电位仪,朝向DNA检测的“个性化”和“现场化”。(4)结合微阵列、微流控技术以及纳米材料,对聚吡咯电化学DNA生物传感器技术的研究动向和应用做了探讨性展望。认为:通过将纳米材料的电极修饰和杂交信号放大、多样品阵列式电化学分析技术以及微流控样品操纵技术相结合,聚吡咯电化学DNA生物传感器将朝多功能、自动化、便携式、便宜的DNA杂交检测系统发展,为未来基因电子学的研究提供有力工具。