La(OH)3納米片修飾玻碳電極對(duì)鳥(niǎo)嘌呤和腺嘌呤的電催化氧化

鄭崇濤, 劉計(jì)敏, 王 娟，李 玲， 郭滿棟

(山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西臨汾 041004)

鳥(niǎo)嘌呤(Guanine，G)和腺嘌呤(Adenine，A)是一類含有稠合嘧啶雜環(huán)和咪唑環(huán)的生物堿，是生物體內(nèi)核糖核酸的重要堿基，在生物遺傳和代謝過(guò)程中起著非常重要的作用。此外，二者廣泛存在于生物體體液和細(xì)胞中，其體內(nèi)濃度的變化可為某些疾病的發(fā)生發(fā)展和預(yù)防提供重要參考。因此，對(duì)G和A的電化學(xué)行為進(jìn)行研究具有十分重要的意義。

鑭系元素納米化合物具有優(yōu)良的光、電、磁性能[1]，在磁性材料、催化材料、光導(dǎo)纖維及發(fā)光材料等高科技領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2,3]。張娜等利用釹的氧化物與單壁碳納米管修飾玻碳電極研究了鳥(niǎo)嘌呤和腺嘌呤的電催化性能[4]；Liu 等研制了基于La(OH)3納米線修飾碳糊電極的葡萄糖傳感器[5]；孫進(jìn)高等制備了納米La(OH)3粒子修飾電極并實(shí)現(xiàn)了對(duì)鄰苯二酚和對(duì)苯二酚的同時(shí)測(cè)定[6]。目前，文獻(xiàn)很少報(bào)道基于La(OH)3納米材料測(cè)定G和A的分析方法。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)滴涂法制備了La(OH)3納米片修飾玻碳電極(LNP/GCE)，研究了該修飾電極對(duì)G和A的電催化行為，并對(duì)生物樣品進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明該修飾電極具有較好的重現(xiàn)性和良好的穩(wěn)定性，基于此構(gòu)建了一種同時(shí)測(cè)定G和A的電化學(xué)新方法。本研究還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。本實(shí)驗(yàn)對(duì)基于La(OH)3納米材料電化學(xué)傳感器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用具有重要的參考和借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

LK2005A型電化學(xué)工作站(天津蘭力科電子高科技有限公司)，三電極體系：修飾電極和裸玻碳電極(GCE)為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，鉑絲電極為輔助電極。JSM-7500F型掃描電子顯微鏡(日本，電子公司)。JB-2型定時(shí)雙向磁力加熱攪拌器(江蘇金壇市金城國(guó)勝實(shí)驗(yàn)儀器廠)。KQ-250B型超聲波清洗器(昆侖市超聲波儀器制造廠)。

La(NO3)3(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)；聚乙烯吡咯烷酮K30、脫氧核糖核酸(魚(yú)精)、鳥(niǎo)嘌呤(G)與腺嘌呤(A)(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；G和A溶液由0.01 mol/L NaOH溶液配制；乙酸鹽緩沖溶液(ABS)由0.2 mol/L HAc和0.2 mol/L NaAc溶液混合配制。其它試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水為二次蒸餾水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1La(OH)3納米片的制備參照文獻(xiàn)方法[7 - 10]制備La(OH)3納米片。常溫下，以聚乙烯吡咯烷酮為分散劑，配制含25 g/L聚乙烯吡咯烷酮和50 g/L尿素的0.1 mol/L La(NO3)3溶液。取上述溶液100 mL，強(qiáng)磁力攪拌下，以3 mL/min的速度滴加0.50 mol/L的氨水至溶液pH=8.0。在溫度80 ℃下,強(qiáng)磁力攪拌并回流24 h，冷卻至常溫，靜置12 h，得到白色沉淀。將該沉淀用水和乙醇反復(fù)離心洗滌，烘干，得到La(OH)3白色粉末。經(jīng)掃描電鏡(SEM)表征，其結(jié)構(gòu)為六邊形納米片(圖1)

1.2.2修飾電極的制備GCE(直徑2 mm)用0.05 μm的Al2O3粉拋光至鏡面，再依次用水、HNO3(1+1)、無(wú)水乙醇、水各超聲5 min。然后將GCE置于0.5 mol/L H2SO4中，于-0.6～+1.4 V電位范圍內(nèi)，以100 mV/s掃速循環(huán)掃描10圈，活化電極。活化完畢后電極用水沖洗干凈，用高純氮吹干，備用。

將La(OH)3納米片置于DMF溶劑中，配制成0.5 mg/mL的La(OH)3溶液，超聲分散均勻后取2 μL分散液滴于處理好的GCE表面，室溫下干燥，修飾電極記為L(zhǎng)NP/GCE。

1.2.3DNA樣品的制備DNA樣品制備按文獻(xiàn)方法[11]進(jìn)行：取3 mg魚(yú)精DNA于試管中，加入1 mL 1 mol/L HCl。在100 ℃水浴80 min。加入1 mL 1 mol/L NaOH溶液。冷至室溫后用pH=4.8的ABS稀釋至10 mL，搖勻后備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 修飾電極的電化學(xué)表征

圖2(A)所示曲線b為L(zhǎng)NP/GCE在0.1 mol/L KCl+1.0×10-3mol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中的交流阻抗圖，由圖可知修飾電極的表面電阻明顯小于GCE,說(shuō)明修飾電極上的電荷傳遞電阻更小，電極表面修飾的LNP能有效地促進(jìn)[Fe(CN)6]3-/4在電極表面的電子傳遞。

2.2 修飾電極對(duì)G和A的電催化作用

圖3是G和A在0.1 mol/L ABS(pH= 4.8)中，在不同電極上的CV曲線。由圖可知，G和A在活化的裸GCE上有微弱的氧化峰。當(dāng)修飾LNP后，G和A的峰電流明顯增加，峰電位負(fù)移且峰形較好，二者的△E相差330 mV，表明LNP/GCE對(duì)于兩種物質(zhì)具有明顯的電催化作用。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件優(yōu)化

2.3.1底液的選擇分別以KCl-HCl(pH=1.60)、NaAc-HAc(pH=4.80)、磷酸鹽(pH=6.86)、硼砂-鹽酸(pH=8.80)、硼砂-NaOH(pH=10.2)緩沖溶液作支持電解質(zhì)對(duì)G和A進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明在NaAc-HAc緩沖溶液中峰形好、峰電流大且穩(wěn)定，所以本實(shí)驗(yàn)選用NaAc-HAc緩沖溶液作為底液。

2.3.2pH值的影響考察修飾電極在不同的pH值NaAc-HAc緩沖溶液中對(duì)G和A氧化峰電流和峰電位的影響。G和A的氧化峰電流隨pH增大呈現(xiàn)先減小后增大又減小的趨勢(shì)，綜合考慮峰電流和峰形兩個(gè)因素，實(shí)驗(yàn)選取pH=4.80為最佳實(shí)驗(yàn)條件。G和A的氧化峰電位隨pH增加而負(fù)移且與pH值均呈線性關(guān)系，線性回歸方程分別為：G：Ep=1.1878-0.0665pH(R2=0.9976)；A：Ep=1.5068-0.0656pH(R2=0.9991)。表明G和A的電化學(xué)氧化過(guò)程伴隨著質(zhì)子得失。根據(jù)公式dEp/dpH=2.303mRT/nF得m和n的比值分別為1.12和1.11，可知電極反應(yīng)的電子轉(zhuǎn)移數(shù)n與質(zhì)子數(shù)m相等。

另由Laviron公式[12]可求出pH=4.80時(shí)G和A在反應(yīng)中轉(zhuǎn)移的電子數(shù)分別為n=1.7和1.9。說(shuō)明G和A在修飾電極上的電化學(xué)反應(yīng)均為2電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。因此G和A電極反應(yīng)均為2電子和2質(zhì)子參與的過(guò)程。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及文獻(xiàn)報(bào)道[13]可以判斷G和A在LNP/GCE上的電極反應(yīng)：

2.3.3掃速的影響用CV法研究了掃速對(duì)G和A的電化學(xué)行為的影響。由圖4(A)結(jié)果表明:在掃速10～150 mV/s范圍內(nèi)，G和A的氧化峰電流與掃速呈線性關(guān)系(圖4(B))，線性方程分別為：G:lgIp=0.3830+0.4407lgv(mV/s)(R2= 0.9976);A:lgIp=0.3113+0.3905lgv(mV/s)(R2= 0.9984)。說(shuō)明G和A在LNP/GCE上的電極反應(yīng)過(guò)程為吸附控制的過(guò)程。

電荷傳遞系數(shù)a是電化學(xué)動(dòng)力學(xué)研究的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在10～150 mV/s范圍內(nèi)，二者的式量電位E與lnv呈良好的線性關(guān)系，線性回歸方程分別為：G：Ep(V)=0.0273lnv(mV/s)+0.7578(R2=0.9959)；A：Ep(V)=0.0323lnv(mV/s)+1.0428(R2=0.9925)。

對(duì)于不可逆吸附的電氧化反應(yīng)根據(jù)Bulter-volmer方程式[12]，由EP-lnv直線的斜率RT/anF,可求得298 K時(shí)，G和A的電荷傳遞系數(shù)a分別為0.47和0.39。

2.4 工作曲線和檢出限

在ABS(pH=4.80)緩沖體系中，于+0.6 V～+1.3 V電位范圍內(nèi)，用LNP/GCE對(duì)不同濃度的G和A溶液進(jìn)行DPV法測(cè)定(圖5)。

二者在濃度0.1×10-7～1.0×10-5mol/L范圍內(nèi)與其氧化峰電流呈良好的線性關(guān)系，工作曲線的線性范圍和檢出限見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，LNP/GCE電極具有優(yōu)良的電化學(xué)性能。

AnalyteLinear range (μmol/L)Linear equation (I,μA;c,μmol/L)Correlation coefficient(R2)Detection limit(μmol/L)Guamine0.1-1Ip=-2.3006c-0.26240.99860.011-10Ip=-0.6881c-2.07650.9915Ademine0.1-10Ip=-0.6853c-0.25460.99920.03

2.5 電極的重現(xiàn)性及穩(wěn)定性

在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件下，同時(shí)制備5支修飾電極，分別對(duì)1.0×10-5mol/L的 G和A溶液進(jìn)行5次平行測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為6.23%。同一電極對(duì)1.0×10-5mol/L的 G和A溶液平行測(cè)定10次，RSD為2.58%，說(shuō)明LNP/GCE修飾電極的重現(xiàn)性較好。將制備好的LNP/GCE儲(chǔ)存在4 ℃條件下，放置7 d后電極的響應(yīng)性能下降了1.53%，一個(gè)月后，其電極響應(yīng)性能是原始的90.7%，說(shuō)明LNP/GCE修飾電極有較好的穩(wěn)定性。

2.6 干擾實(shí)驗(yàn)及樣品測(cè)定

在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，研究了一些常見(jiàn)金屬離子、氨基酸、核苷酸類物質(zhì)對(duì)濃度均為1.0×10-6mol/L 的G和A測(cè)定的影響。結(jié)果表明:200倍濃度的K+、Na+、Cu2+、Zn2+、Ca2+、Al3+、尿酸、抗壞血酸、L-半胱氨酸和50倍濃度的胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶、胞嘧啶核苷酸(CMP)、尿嘧啶核苷酸(UMP)、胸腺嘧啶核苷酸(TMP)等不干擾G和A的檢測(cè)。50倍的腺嘌呤核苷酸(AMP)、鳥(niǎo)嘌呤核苷酸(GMP)、次黃嘌呤核苷酸(IMP)、次黃嘌呤、黃嘌呤會(huì)使峰形變寬，但峰電流的改變值仍小于5%。表明該方法具有良好的選擇性。

將該方法用于魚(yú)精DNA的分析。在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)加入法對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定結(jié)果顯示(G+C)/(A+T)=0.71(G、C、A、T分別指鳥(niǎo)嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶)，RSD=8.3%(n=5)，與文獻(xiàn)報(bào)道[14]的0.77接近。表明此電極能夠用于實(shí)際樣品的測(cè)定。

3 結(jié)論

本文制備了La(OH)3納米片修飾玻碳電極，研究了鳥(niǎo)嘌呤和腺嘌呤在修飾電極上的電化學(xué)行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,La(OH)3修飾電極對(duì)鳥(niǎo)嘌呤和腺嘌呤有明顯的電催化作用。該修飾電極具有較好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力，有望用于DNA分析。