L-絲氨酸/殼聚糖/石墨烯/納米金修飾電極的制備及應(yīng)用

高寶平，郭滿棟，李 玲

(1.山西師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041004；2.呂梁學(xué)院 汾陽師范分校，山西 汾陽 032200)

L-絲氨酸/殼聚糖/石墨烯/納米金修飾電極的制備及應(yīng)用

高寶平1,2，郭滿棟1，李 玲1

(1.山西師范大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西 臨汾 041004；2.呂梁學(xué)院 汾陽師范分校，山西 汾陽 032200)

將L-絲氨酸(L-Serine)電聚合到裸金電極表面，再將殼聚糖(CS)、納米金(Nano-Au)、石墨烯(GO)混合液滴涂在L-絲氨酸修飾的金電極上，制成L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME電化學(xué)傳感器.考察了胞嘧啶在該傳感器上的電化學(xué)行為，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)條件.結(jié)果表明，該傳感器對(duì)胞嘧啶有良好的選擇性和靈敏度，胞嘧啶的濃度在1.0×10-7～1.0×10-3mol/L范圍內(nèi)與峰電流的減小量呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢出限為3.2×10-8mol/L(S/N= 3).將該傳感器應(yīng)用于實(shí)際樣品中測(cè)定胞嘧啶，結(jié)果令人滿意.

胞嘧啶；石墨烯；納米金；L-絲氨酸；殼聚糖；電化學(xué)

胞嘧啶(Cytosine， C)，是構(gòu)成核酸的嘧啶類堿基之一，是生物體中參與DNA和RNA合成的重要活性原料,在生物的遺傳、變異、免疫、發(fā)育等生命活動(dòng)中扮演著重要角色，是一種重要的藥品，也是精細(xì)化工、農(nóng)藥和醫(yī)藥的重要中間體[1-6].胞嘧啶在化學(xué)化工和藥物化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用前景十分廣泛，特別在醫(yī)藥領(lǐng)域，主要用于合成抗艾滋病藥物及抗乙肝藥物拉米夫定，抗癌藥物吉西他賓、依諾他賓以及5-氟胞嘧啶等[7].檢測(cè)胞嘧啶常用的方法有高效液相色譜法[8]、拉曼光譜法[9]等，關(guān)于胞嘧啶的電化學(xué)[10]測(cè)定方面的文獻(xiàn)還不多見.高效液相色譜法檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確、精度高，但成本高、步驟繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng).拉曼光譜法操作簡(jiǎn)便、耗時(shí)短、靈敏度高，但干擾因素較多，抗干擾能力不強(qiáng).因而有必要尋求一種簡(jiǎn)單、快速、廉價(jià)且有效的檢測(cè)方法.

本文作者將L-絲氨酸(L-Serine)電聚合到裸金電極表面，再將殼聚糖(CS)、納米金(Nano-Au)、石墨烯(GO)混合液滴涂在L-絲氨酸修飾的金電極上，制成L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME電化學(xué)傳感器.該傳感器不僅識(shí)別性能好，靈敏度高，制備方法簡(jiǎn)單，且成本較低，有望在實(shí)際應(yīng)用中快速測(cè)定胞嘧啶.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

LK2005A型電化學(xué)工作站(天津蘭力科化學(xué)電子高技術(shù)有限公司)；三電極體系：以d=2 mm的金電極為工作電極，Ag/AgCl(飽和KCl)電極為參比電極，鉑絲電極為輔助電極；JSM-7500F型掃描電子顯微鏡(日本電子)；KQ-250B型超聲波清洗儀(昆山市超聲波儀器制造廠).

胞嘧啶(上海源聚生物科技有限公司，超純)，L-絲氨酸、殼聚糖(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司，分析純)，鱗片石墨粉(天津光復(fù)精細(xì)化工研究所，化學(xué)純)，氯金酸(武漢鑫思銳科技有限公司，分析純)，鐵氰化鉀、亞鐵氰化鉀(天津光復(fù)精細(xì)化工研究所，分析純)，其余試劑均為分析純.實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 金電極的預(yù)處理及納米金、石墨烯的制備

參照文獻(xiàn)[11]對(duì)金電極預(yù)處理及制備實(shí)驗(yàn)所需納米金，參照文獻(xiàn)[12-13]用改進(jìn)Hummers法制備實(shí)驗(yàn)所用的氧化石墨烯，并用掃描電鏡與透射電鏡進(jìn)行表征，如圖1所示.

1.2.2L-Serine/Au電極的制備

將處理好的金電極置于10.0 mL 1.5×10-3mol/LL-絲氨酸溶液的電解池中，用循環(huán)伏安法掃描10次(電位區(qū)間：-0.6～2.6 V，掃速：0.05 V/s)，使L-絲氨酸電聚合在裸金電極的表面上，在室溫下避光保存、晾干24 h后使用.

1.2.3L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME電極的制備

準(zhǔn)確稱取4 mg殼聚糖(CS)置于0.2 mL冰乙酸進(jìn)行溶解，然后稀釋至1 mL，在超聲波中超聲至殼聚糖完全溶解，制成殼聚糖(CS)儲(chǔ)備液.于新配制的殼聚糖溶液中加入400.0 μL新制備的納米金溶膠，之后加入200.0 μL 0.06 g/L的氧化石墨烯儲(chǔ)備液繼續(xù)超聲至三者混合均勻.用微型進(jìn)樣器將5.0 μL混合液滴涂在L-絲氨酸修飾的金電極上，在室溫下避光、晾干24 h后使用.制備流程如圖2所示.

圖1 氧化石墨烯的SEM圖(A)TEM圖(B)Fig.1 SEM image of graphite oxide (A) and TEM image of GO film (B)

圖2 修飾電極的制備過程Fig.2 Schematic for the preparation of the modified electrode

2 結(jié)果與討論

2.1L-Serine的電化學(xué)性質(zhì)表征

圖3為將裸金電極置于1.5×10-3mol/L的L-Serine中電聚合過程的循環(huán)伏安曲線，由圖3可知，L-Serine在聚合過程中，隨著掃描圈數(shù)的增加，L-Serine的還原峰電流逐漸增大，表明聚L-Serine膜導(dǎo)電.

聚合底液：1×10-3 mol/L L-Serine, scan rate：50 mV/s，sweep cycle：10.圖3 L-Serine聚合循環(huán)伏安圖Fig.3 Cyclic voltammograms for the electropolymerization of 1 m mol/L L-Serine at bare Au electrode

2.2 修飾電極的電化學(xué)表征

用循環(huán)伏安法在掃速為0.1 V/s的條件下，以Fe(CN)63-/4-作為分子探針對(duì)修飾過程中電極表面的變化進(jìn)行表征.圖4是裸金電極與各種修飾電極在含2.5×10-3mol/L K3Fe(CN)6液溶中的循環(huán)伏安圖.裸金電極在Fe(CN)63-/4-溶液中出現(xiàn)一對(duì)較弱的氧化還原峰(曲線a).當(dāng)在裸金電極表面電聚合一層L-Serine薄膜后(曲線b)，峰位置發(fā)生明顯偏移，說明L-Serine聚合在了電極表面.把CS與納米金(Nano-Au)的混合物滴涂在L-Serine修飾的裸金電極上后(曲線c)，峰電流增加不明顯，原因可能是加有CS的緣故，CS本身的導(dǎo)電性差，阻礙了電極表面電子的傳遞，同時(shí)納米金溶膠有較大的比表面積和優(yōu)良的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，固峰電流增加不明顯.把GO、Nano-Au、CS混合液滴涂在L-Serine修飾的裸金電極上后(曲線d)峰型和峰位置同曲線c相比未發(fā)生明顯偏移，峰高明顯增加，說明GO良好的導(dǎo)電性促進(jìn)了電極表面電子的傳遞.

圖4 a.裸金電極；b.L-Serine/Au/CME;c.L-Serine/Nano-Au/CS/Au/CME;d.L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME在Fe(CN)6 3-/4- 溶液中的循環(huán)伏安圖(掃速：0.1 V/s)Fig.4 Cyclic voltammograms of different the electrodes in Fe(CN)6 3-/4- (a) Bare gold electrode; (b) L-Serine/Au/CME; (c) L-Serine/Nano-Au/CS/Au/CME; (d) L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME (scan rate:0.1 V/s)

2.3 胞嘧啶循環(huán)伏安行為的研究

以K3[Fe(CN)6]作為電化學(xué)探針，對(duì)Cytosine在該修飾電極進(jìn)行循環(huán)伏安檢測(cè).如圖5所示，L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME修飾電極在空白緩沖溶液(a)中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描時(shí)，在0.526 V處出現(xiàn)一個(gè)靈敏的還原峰p1(Ip1=40.607 7 μA)和一個(gè)不太靈敏的氧化峰p2，當(dāng)把該修飾電極放在含有1.0×10-6的Cytosine的pH=5.4的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液(b)中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描時(shí)，p1峰電流明顯下降(Ip1=33.851 3 μA)峰電位幾乎不變，而p2峰電流也有明顯變化.說明修飾電極對(duì)Cytosine有明顯的響應(yīng)，Cytosine的加入抑制了修飾電極的活性，導(dǎo)致還原峰電流較空白溶液中的峰電流明顯降低.

圖5 L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME在檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液(a)和含Cytosine (1.0×10-6 mol/L)的緩沖溶液中(b)的循環(huán)伏安圖Fig.5 Cyclic voltammogram of (a)in blank buffer solution; (b)L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME with Cy-tosine in the buffer solution(scan rate:0.1 V/s)

2.4 實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化

2.4.1 緩沖溶液的選擇

分別在PBS(pH=7.15)、HAc-NaAc(pH=4.37)、KH2PO4-硼砂(pH=7.53)、硼砂-NaOH(pH=9.80)、檸檬酸-檸檬酸鈉(pH=5.4)等緩沖溶液中用循環(huán)伏安法測(cè)定Cytosine在L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME的電化學(xué)行為.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該電極在檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中CV曲線峰型良好，峰電流差較高且干擾和背景電流較小，所以本實(shí)驗(yàn)選用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液為底液.

2.4.2 pH的選擇

用檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液為底液，考察了1×10-5mol/L Cytosine在不同pH的緩沖溶液中L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME的電化學(xué)行為.如圖6所示，當(dāng)pH≤5.4時(shí)，Cytosine加入前后峰電流差隨著pH增加而增加；當(dāng)pH>5.4時(shí)，隨著pH的增加峰電流差反而減小.在pH=5.4的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液中，L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME對(duì)Cytosine的響應(yīng)最好，響應(yīng)的峰電流差最高，且峰型也最好，所以本實(shí)驗(yàn)選用pH=5.4的檸檬酸-檸檬酸鈉緩沖溶液作為底液.

圖6 pH對(duì)峰電流的影響Fig.6 Influence of pH to peak current

2.4.3 掃速的影響

研究了Cytosine在L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME上不同掃描速率下峰電流的變化.隨著掃描速率的增加，還原峰電流減小量也逐漸增加，還原峰電位發(fā)生負(fù)移.在50～250 mV/s的掃速范圍內(nèi)，還原峰電流減小量隨著掃速ν的增大而增加，說明Cytosine在L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME的電極反應(yīng)過程主要受表面吸附控制.

2.4.4 線性范圍、檢出限

實(shí)驗(yàn)配置了一系列不同濃度的Cytosine標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用循環(huán)伏安法對(duì)其電化學(xué)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)定.如圖7所示，隨著Cytosine濃度的不斷增大，還原峰和氧化峰電流逐漸減小.實(shí)驗(yàn)表明，胞嘧啶濃度在1.0×10-7～1.0×10-3mol/L范圍內(nèi)與還原峰電流的減小量呈良好的線性關(guān)系.其線性方程為：

I=-213.958 73c+42.888 83，R2=0.998 52

檢出限為3.2×10-8mol/L(S/N=3)，說明此方法對(duì)Cytosine的檢測(cè)有較高的靈敏度.

圖7 不同濃度的循環(huán)伏安圖Fig.7 CV of different concentration

2.4.5 共存離子的干擾

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，分別加入50倍的尿嘧啶、尿酸、抗壞血酸、葡萄糖、鳥嘌呤、L-半胱氨酸以及30倍的葡萄糖、巴比妥、腎上腺素、多巴胺，用L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME對(duì) 1×10-6mol/L的胞嘧啶進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明這些物質(zhì)的加入對(duì)胞嘧啶的測(cè)定幾乎不產(chǎn)生干擾.

2.4.6 穩(wěn)定性、重現(xiàn)性

新制備5根L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME修飾電極，連續(xù)使用1 w，電流響應(yīng)基本保持不變，說明該修飾電極很穩(wěn)定.用同一根電極對(duì)1×10-5mol/L的Cytosine平行測(cè)定5次，電流響應(yīng)RSD為2.3125%，說明該修飾電極有良好的重現(xiàn)性.

2.4.7 回收率的測(cè)定

準(zhǔn)確稱取一定量胞嘧啶，用二次蒸餾水溶解后定容至100 mL容量瓶中，用差分脈沖伏安法進(jìn)行電化學(xué)測(cè)量.然后加入一定量的標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行回收率測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表2，回收率為94.0%～106.0%，表明此方法有望在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)定胞嘧啶.

表1 平行測(cè)定胞嘧啶電流響應(yīng)(1.0×10-5 mol/L)Table 1 Cytosine parallel determination and the peak current(1.0×10-5 mol/L)

表2 胞嘧啶的回收率測(cè)定Table 2 Determmation results of cytosine

3 結(jié)論

將L-絲氨酸聚合到裸金電極表面，并將CS、Nano-Au、GO混合物修飾在L-絲氨酸修飾的金電極上，制成L-Serine/GO/Nano-Au/CS/Au/CME修飾電極，通過實(shí)驗(yàn)條件的優(yōu)化，獲得了測(cè)定胞嘧啶的最佳條件，并采用循環(huán)伏安法、差分脈沖伏安法研究了胞嘧啶在該修飾電極上的電化學(xué)行為，胞嘧啶濃度在1.0×10-7～1.0×10-3mol/L濃度范圍內(nèi)與峰電流的減小量呈良好的線性關(guān)系，檢出限為3.2×10-8mol/L(S/N=3)，該修飾電極制備方法簡(jiǎn)單、廉價(jià)，有望在實(shí)際應(yīng)用中測(cè)定胞嘧啶.

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[責(zé)任編輯:吳文鵬]

Preparation and application ofL-serine/chitosan/graphene/nano-Au modified electrode

GAO Baoping1,2， GUO Mandong1*， LI Ling1

(1.DepartmentofChemistry,ShanxiNormalUniversity,Linfen041004,Shanxi,China; 2.LüliangCollegeFenyangTeachers’SchoolBranch,Fenyang032200,Shanxi,China)

A modified electrode(L-serine/chitosan/graphene/nano-Au/Au/CME)was successfully prepared using theL-Serine modified gold electrode modified with quantitative chitosan,graphene and nano gold by a drop-coating method.The electrochemical behavior of cytosine at the modified electrode was investigated by cyclic voltammetry (CV) and different pulse voltammetry (DPV).The results showed that the modified electrode ethibited a good selectivity and sensitivity to cytosine.Under the optimum experimental condition,a linear relationship between decrease of the peak current and the concentration of cytosine was obtained in the range of 1.0×10-7-1.0×10-3mol/L and the determination limit of cytosine was 3.2×10-8mol/L (S/N= 3).The modified electrode was applied to the determination of cytosine in practical samples with satisfactory results.

cytosine； graphene； nanogold;L-serine; chitosan; electrochemistry

2016-07-19.

山西省自然科學(xué)基金(20001057).

高寶平(1976-)，男，講師，主要從事電分析化學(xué)研究.*

，E-mail:guomd123@163.com.

O657.1

A

1008-1011(2017)01-0102-06