DNA/單壁碳納米管/聚多巴胺修飾電極的制備及其分析應(yīng)用

張 婷，馮蒞均，張修華，宋功武

(1.武漢軟件工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430205;2.湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖北 武漢 430062)

痢特靈(Furazolidone,Fu)，學(xué)名呋喃唑酮，是一種人工合成的抗菌藥物，廣泛用于治療動(dòng)物的痢疾和腸炎。痢特靈是一種誘變致癌劑[1]，因此應(yīng)嚴(yán)格控制動(dòng)物性食品中痢特靈的殘留量。目前，對(duì)痢特靈含量的測(cè)定方法主要有分光光度法[2]、HPLC法[3]和極譜法[4]等，大多存在耗時(shí)長(zhǎng)、靈敏度低、操作繁瑣等缺點(diǎn)。由于呋喃唑酮具有電活性，因此可探索適當(dāng)?shù)碾娀瘜W(xué)測(cè)定方法以充分發(fā)揮電化學(xué)簡(jiǎn)便、靈敏的優(yōu)勢(shì)[5]。

作者在此采用電化學(xué)聚合方法制備了聚多巴胺修飾玻碳電極(PDA/GCE)，并進(jìn)一步用單壁碳納米管和DNA進(jìn)行修飾，制備得到DNA/單壁碳納米管/聚多巴胺復(fù)合膜修飾電極(DNA/SWNTs/PDA/GCE)，詳細(xì)研究了呋喃唑酮在該修飾電極上的電化學(xué)行為及其與DNA的相互作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

呋喃唑酮、DNA，Sigma-Aldrich(St.Louis，Missouri)公司；多巴胺(DA)，上海晶純?cè)噭┯邢薰?；單壁碳納米管(SWNTs)，中科院成都有機(jī)所；其它試劑均為分析純；實(shí)驗(yàn)室用水為二次蒸餾水。

電化學(xué)工作站CHI660C三電極系統(tǒng)：裸GCE或修飾電極為工作電極，鉑絲電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極(SCE)，上海辰華儀器公司；BRANSON2000型超聲波清洗儀，美國(guó)；320-S型酸度/離子計(jì)，瑞士METTLER-TOLEDO公司。

1.2 DNA/SWNTs/PDA/GCE的制備

將處理好的裸玻碳電極置于0.05 mol·L-1DA溶液(PBS，pH=7.0)中，在-0.6～+0.6 V的電位范圍內(nèi)以0.1 V·s-1的掃描速度聚合6圈，即得到PDA/GCE；然后取10 μL 1.0 mg·mL-1SWNTs溶液滴涂于PDA/GCE表面，空氣中室溫干燥，即制得SWNTs/PDA/GCE；最后將20 μL 1.0 mg·mL-1DNA滴涂于SWNTs/PDA/GCE表面，空氣中室溫干燥，即制得DNA/SWNTs/PDA/GCE。

1.3 電化學(xué)行為研究

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用三電極系統(tǒng)，在含有Fu的BR緩沖溶液(pH=7.0)中，在選定的電位范圍內(nèi)記錄循環(huán)伏安曲線(xiàn)(CV)和差分脈沖伏安曲線(xiàn)(DPV)。DPV測(cè)定參數(shù)如下：脈沖寬度25 mV，頻率30 Hz，脈沖增量4 mV。交流阻抗圖譜的測(cè)定在5 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-溶液中進(jìn)行，0.1 mol·L-1的KNO3為支持電解質(zhì)，所施加的交流信號(hào)的振幅為5.0 mV，頻率范圍為50～100 kHz，電化學(xué)電池的等效電路由Randles等效電路表示。

2 結(jié)果與討論

2.1 DNA/SWNTs/PDA/GCE的交流阻抗表征

圖1為不同電極在5 mmol·L-1[Fe(CN)6]3-/4-溶液中的交流阻抗圖譜。

a.GCE b.SWNTs/PDA/GCE c.PDA/GCE d.DNA/SWNTs/PDA/GCE

由圖1可以看出：裸GCE的交流阻抗曲線(xiàn)近乎是一條直線(xiàn)(曲線(xiàn)a),表明在此情況下，氧化還原探針[Fe(CN)6]3-/4-極易到達(dá)電極的表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，電極上幾乎沒(méi)有阻礙電子傳遞的物質(zhì)存在。當(dāng)裸GCE上修飾了SWNTs/PDA膜(曲線(xiàn)b)或PDA膜(曲線(xiàn)c)后，阻抗圖譜中的高頻部分出現(xiàn)了一個(gè)小半圓，表明探針[Fe(CN)6]3-/4-的電子傳遞受阻，說(shuō)明SWNTs/PDA或PDA膜已經(jīng)被修飾到電極表面；而SWNTs/PDA膜的阻抗比PDA膜小，表明SWNTs的存在能促進(jìn)電極與基體溶液中電活性物質(zhì)的電子傳遞，使得SWNTs/PDA復(fù)合膜有較好的電子傳遞能力。當(dāng)DNA固定到SWNTs/PDA/GCE上(曲線(xiàn)d)，半圓的直徑進(jìn)一步增大，這是因?yàn)镈NA生物大分子的結(jié)構(gòu)阻礙了界面電子傳遞；同時(shí)，也證明了DNA被成功地固定到了電極表面。

2.2 呋喃唑酮在DNA/SWNTs/PDA/GCE上的電化學(xué)行為

圖2為1.0×10-4mol· L-1呋喃唑酮在0.1 mol·L-1pH=7.0的BR緩沖溶液中于不同電極上的循環(huán)伏安曲線(xiàn)。

a.GCE b.PDA/GCE c.SWNTs/GCE d.SWNTs/PDA/GCE e.DNA/SWNTs/PDA/GCE

由圖2可知，呋喃唑酮在裸GCE上(曲線(xiàn)a)于-0.43 V出現(xiàn)一個(gè)還原峰；在PDA/GCE(曲線(xiàn)b)上，呋喃唑酮的還原峰電流較裸GCE有所增大；在SWNTs/GCE(曲線(xiàn)c)上，呋喃唑酮的還原峰電流明顯增大，這是由于SWNTs的存在有效地增大了電極的表面積；在SWNTs/PDA/GCE(曲線(xiàn)d)上，呋喃唑酮有良好的電化學(xué)響應(yīng)，峰電流較裸GCE增大了約10倍，表明SWNTs和PDA對(duì)呋喃唑酮的電化學(xué)還原具有協(xié)同電催化作用。此外，在SWNTs/PDA/GCE上，呋喃唑酮的響應(yīng)信號(hào)比PDA/GCE上的更強(qiáng)，表明SWNTs可以加速呋喃唑酮與電極表面之間的電子傳遞；同時(shí)，碳納米管增大了電極的有效表面積，從而也顯著增大了還原峰電流。在DNA/SWNTs/PDA/GCE(曲線(xiàn)e)上，相同濃度的呋喃唑酮還原峰電流減小，峰電位負(fù)移，由此說(shuō)明DNA與呋喃唑酮通過(guò)靜電結(jié)合形成非導(dǎo)電復(fù)合物[6,7]，從而阻礙了界面電子傳遞。

2.3 呋喃唑酮與DNA的相互作用

在BR緩沖溶液(pH=7.0)中加入不同濃度DNA后，1.0×10-4mol·L-1呋喃唑酮在SWNTs/PDA/GCE上的循環(huán)伏安曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖3 加入不同濃度DNA后，呋喃唑酮在SWNTs/PDA/GCE上的循環(huán)伏安曲線(xiàn)

由圖3可知，在底液中加入12.5 mg·mL-1DNA后，呋喃唑酮的還原峰電流明顯降低，峰電位負(fù)移；而底液中DNA的濃度增加到25.0 mg·mL-1時(shí)，呋喃唑酮的還原峰電流進(jìn)一步降低，峰電位進(jìn)一步負(fù)移。這表明溶液中DNA與呋喃唑酮是通過(guò)靜電相結(jié)合[8]。

據(jù)報(bào)道[9]，結(jié)合常數(shù)(βs)與結(jié)合位點(diǎn)數(shù)(m)的關(guān)系為log[ΔI/(ΔImax-ΔI)]=logβs+mlog[Fu]，因此可以根據(jù)呋喃唑酮峰電流的變化計(jì)算出呋喃唑酮與DNA的結(jié)合常數(shù)和結(jié)合位點(diǎn)數(shù)。

實(shí)驗(yàn)表明log[ΔI/(ΔImax-ΔI)]與log[Fu]為線(xiàn)性關(guān)系(圖4)，其線(xiàn)性方程為log[ΔI/(ΔImax-ΔI)]=5.09+0.95 log[Fu]，R=0.995。根據(jù)直線(xiàn)的截距和斜率得到m=1、logβs=5.09，說(shuō)明Fu與DNA相互作用的結(jié)合位點(diǎn)數(shù)為1，結(jié)合常數(shù)為1.23×105。

圖4 log[ΔI/(ΔImax-ΔI)]與log[Fu]的關(guān)系曲線(xiàn)

2.4 定量測(cè)定

2.4.1 線(xiàn)性范圍和檢測(cè)限

在所選最佳實(shí)驗(yàn)條件下，測(cè)定不同濃度呋喃唑酮的差分脈沖伏安曲線(xiàn)(DPV)，結(jié)果見(jiàn)圖5。其中小圖為呋喃唑酮的標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)。

a～k,×10-6 mol·L-1:0.04,0.065,0.09,0.17,0.39,0.51,0.76,1.5,2.5,3.6,4.8

由圖5可知，呋喃唑酮的還原峰電流隨著濃度的增加而增大，并在4.0×10-8～4.8×10-6mol·L-1濃度范圍內(nèi)呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性回歸方程為：ipc=3.11×10-7+1.85[Fu]，R=0.997(n=11)，檢測(cè)限為1.33×10-8mol·L-1(S/N=3)。

2.4.2 電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性

采用DPV法研究了DNA/SWNTs/PDA/GCE復(fù)合膜修飾電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。在1.0×10-6mol·L-1的呋喃唑酮溶液中(BR，pH=7.0)，用同一支修飾電極連續(xù)測(cè)定5次，還原峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.08%；采用5支不同的修飾電極在相同實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行測(cè)定，還原峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.74%，表明該修飾電極對(duì)呋喃唑酮的定量測(cè)定有很好的重現(xiàn)性。將修飾電極置于冰箱中保存，40 d后測(cè)定上述溶液的電流響應(yīng)，響應(yīng)峰電流為原電流的91.72%。這表明該DNA/SWNTs/PDA/GCE復(fù)合膜修飾電極具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

2.4.3 干擾實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)論

制備了DNA/SWNTs/PDA/GCE復(fù)合膜修飾電極。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：SWNTs的引入確實(shí)可以提高復(fù)合膜的界面電子傳遞效率；DNA/SWNTs/PDA/GCE復(fù)合膜修飾電極對(duì)呋喃唑酮氧化還原具有明顯的電催化作用；呋喃唑酮與DNA通過(guò)靜電結(jié)合形成非導(dǎo)電復(fù)合物，該復(fù)合物阻礙了電極界面電子傳輸，其結(jié)合常數(shù)、結(jié)合位點(diǎn)數(shù)分別為1.23×105和1。在最佳的實(shí)驗(yàn)條件下，呋喃唑酮還原峰電流與其濃度在4.0×10-8～4.8×10-6mol·L-1范圍內(nèi)呈良好的線(xiàn)性關(guān)系，檢測(cè)限達(dá)到1.33×10-8mol·L-1。

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