色氨酸在DNA-Pd混合納米顆粒修飾玻碳電極上的電催化氧化作用

朱小紅，金蓮，丁愛(ài)民

（合肥師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

納米材料由于小的體積和大的比表面效應(yīng)，以及粒子表面帶有較多的功能基團(tuán)，而對(duì)某些物質(zhì)的電化學(xué)行為產(chǎn)生特有的催化效應(yīng)[1]。納米材料修飾電極在電催化和傳感器方面有著十分廣泛的應(yīng)用，尤其貴金屬納米材料修飾電極的電催化作用的研究受到普遍關(guān)注[2-6]。高分散性是納米粒子高催化活性的保障，生物大分子DNA 可以作為制備特殊形貌納米材料的模板，DNA 鏈狀結(jié)構(gòu)及含有豐富的活性基團(tuán)已被廣泛應(yīng)用于分子識(shí)別領(lǐng)域，基于DNA 界面組裝金屬納米材料能有效解決納米材料的固定及分散性問(wèn)題。DNA分子是在糖磷酸骨架下由堿基緊密堆積形成的富含電子的大π體系，為電子的快速轉(zhuǎn)移提供了通道，使制得的電極響應(yīng)速度快，催化能力也增強(qiáng)，進(jìn)一步提高傳感器的電化學(xué)性能[7]。

色氨酸（Trp）是生物體中必需氨基酸之一，是合成許多活性物質(zhì)的前體物質(zhì)，生理作用十分重要，被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和飼料添加領(lǐng)域[8]。本文利用恒電位在玻碳電極表面沉積DNA，以此為模板沉積Pd納米顆粒，構(gòu)建了DNA-Pd 混合納米顆粒修飾電極，制得對(duì)色氨酸有電催化活性的電化學(xué)傳感器。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

CH I 832 電化學(xué)儀，上海辰華儀器有限公司；JEOL JSM-6700F 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡，F(xiàn)E-SEM，Hitachi，Japan。

小牛胸腺DNA，Sigma 公司；色氨酸（Trp）、氯化鈀、尿酸（UA）、硝酸鈉、檸檬酸，分析純，上海試劑廠；二次蒸餾水，高純氮除氧；為模擬生理?xiàng)l件，若無(wú)說(shuō)明，均選擇混合不同體積的1.0 mol/L Na2HPO4和1.0 mol/L NaH2PO4溶液來(lái)獲得pH 為7.0 的緩沖溶液（PBS），以0.1 mol/L PBS+50 mmol/L KCl用作支持電解質(zhì)。

1.2 修飾玻碳電極的制備

工作電極在使用前先用800 目、1000 目、1400 目的氧化鋁砂紙拋光成鏡面，再依次在無(wú)水乙醇和二次水中超聲清洗各5 min。拋光并清洗好的玻碳電極簡(jiǎn)寫(xiě)為GCE，或稱為裸GCE。

將玻碳電極放入0.1 mg/mL 的ct-DNA（pH 7.0，PBS）溶液中，在+1.5 V 下恒電位電沉積30 min，用二次水沖洗后即得DNA 修飾電極，記為DNA/GCE。DNA/GCE 在0.024 mol/L 的PdCl2溶液中浸泡10 min，則通過(guò)靜電作用吸附在DNA 上。取出電極清洗，用氮?dú)獯蹈伞Ｈ缓笤撾姌O置于事先通氮?dú)獬^(guò)氧的0.1 mol/L KCl溶液中，在-0.55 V下原位電化學(xué)還原5 min，即生成DNA-Pd 混合納米顆粒，所得的修飾電極標(biāo)記為DNAPd/GCE。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用三電極體系，利用循環(huán)伏安法對(duì)修飾電極的電催化行為進(jìn)行考查，同時(shí)用差分脈沖伏安法考查線性范圍及選擇性（脈沖寬度為0.05 V，振幅為0.05 V，周期為0.2 s）。實(shí)驗(yàn)溶液均預(yù)先通氮除氧10 min，實(shí)驗(yàn)過(guò)程N(yùn)2氛保護(hù)。

2 結(jié)果和討論

2.1 修飾電極的形貌分析

DNA 分子在玻碳表面形成三維的納米網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。DNA 上沉積Pd 納米顆粒的形貌用場(chǎng)發(fā)射電鏡研究，如圖1所示，可以看到，電化學(xué)還原后形成了大量規(guī)則、結(jié)構(gòu)致密的花狀結(jié)構(gòu)，納米粒子均勻分散在電極表面。顯然，Pd2+與DNA 堿基之間配位和結(jié)合，進(jìn)一步被還原為Pd納米粒子，并防止其聚集在一起，具有較大的比表面積，因而有非常好的催化活性。

圖1 DNA上沉積Pd納米顆粒的場(chǎng)發(fā)射電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM image of the DNA-Pd/GCE

沉積電位影響形核速度，引起微觀結(jié)構(gòu)不同，沉積時(shí)間影響沉積量。電場(chǎng)是決定DNA沉積方式的關(guān)鍵因素，電化學(xué)沉積法通過(guò)調(diào)節(jié)外加電壓，可以很方便地控制DNA膜的形成以及分子鏈的堆積。在1.5 V的電位下，考查了DNA 不同沉積時(shí)間對(duì)色氨酸催化作用的影響。實(shí)驗(yàn)表明，沉積時(shí)間30 min時(shí)修飾電極對(duì)色氨酸的催化效果最好。將電沉積DNA的玻碳電極放在0.024 mol/L的PdCl2溶液中浸泡10 min后，由于DNA 分子的磷酸骨架帶負(fù)電，Pd 能夠容易地吸附在DNA 上，考查了在電化學(xué)還原5 min時(shí)，Pd在不同沉積電位沉積時(shí)（-0.80 V，-0.55 V，-0.2 V）對(duì)色氨酸催化作用的影響。實(shí)驗(yàn)表明，沉積電位為-0.55 V 時(shí)修飾電極對(duì)色氨酸的催化效果最好。

2.2 色氨酸在DNA-Pd/GCE上的電催化氧化

將裸GCE、DNA /GCE、Pd/GCE 和DNA-Pd/GCE 分別置于2×10-5mol/L Trp（PBS）溶液中記錄循環(huán)伏安圖，見(jiàn)圖2。從圖2可以看出，Trp在裸GCE上（曲線d）呈現(xiàn)出寬的氧化峰，表明是一個(gè)慢的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。在Pd/GCE（曲線c）上在0.690 V有一個(gè)較大的氧化峰，Trp在DNA /GCE 上在0.664 V 出現(xiàn)一個(gè)弱的氧化峰（曲線b），Trp 在DNA-Pd/GCE（曲線a）上于0.422 V 開(kāi)始被氧化，在0.668 V 出現(xiàn)1 個(gè)明顯的氧化峰。盡管Trp 在DNA-Pd/GCE 和DNA/GCE 的氧化電位相似，較大的氧化峰。電流表明，以DNA 為模板沉積Pd納米顆粒修飾電極DNA-Pd/GCE 對(duì)于色氨酸氧化具有很高的催化活性。這是由于DNA膜的存在，電極比表面積增大，電極表面活性位點(diǎn)增加，能有效固載Pd 納米顆粒并防止其聚集，Pd納米顆粒在DNA膜上高度分散，形成DNA-Pd混合納米顆粒，DNA-Pd/GCE 比DNA/GCE 對(duì)色氨酸的催化氧化能力明顯提高，大大提高了測(cè)定的靈敏度。

圖2 在2×10-5 mol/L Trp（PBS）溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig.2 CVs of 2×10-5mol/L Trp（PBS）

2.3 pH對(duì)色氨酸電化學(xué)行為的影響

分別用不同pH 的NaH2PO4、Na2HPO4溶液配制2×10-5mol/L Trp 溶液，以DNA-Pd/GCE 為工作電極，研究了Trp 電化學(xué)行為隨pH 的變化情況，見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Trp氧化峰電位隨pH增大而負(fù)移，Trp的氧化峰電位與pH 在3～10 范圍內(nèi)呈直線關(guān)系（Epa= 0.8466 -0.0347 pH，r=0.997），這說(shuō)明Trp 的氧化過(guò)程有質(zhì)子參與，氧化峰電流也受pH 影響，Trp 的峰電流最大值出現(xiàn)在pH 6.0。為模擬生理?xiàng)l件，接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)如果沒(méi)有特殊說(shuō)明均選擇pH為7.0的緩沖溶液。

圖3 2×10-5 mol/L Trp在DNA-Pd/GCE上的峰電位與pH的關(guān)系Fig.3 Dependence of peak potentlal of 2×10-5 mol/L Trp on pH at DNA-Pd/GCE

2.4 掃速對(duì)氧化反應(yīng)的影響

用DNA-Pd/GCE 電極在1×10-5mol/L Trp（PBS）中做循環(huán)伏安圖，改變掃速，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，隨著掃速增加，氧化電位向正的方向偏移，在10～300 mV/s范圍內(nèi)，Trp 的氧化峰電流與掃速的平方根呈良好的線性關(guān)系。ipa= 1.106+ 1.112ν1/2（R = 0.997），表明這是由擴(kuò)散控制的電子傳遞過(guò)程。修飾的DNA不僅可以固載納米顆粒，而且可以增加Trp 的表面積聚。由于DNA-Pd混合納米顆粒對(duì)Trp 的表面積聚作用，修飾膜上Trp 的濃度比溶液中的本體濃度高許多，然后修飾膜上的Trp擴(kuò)散到電極表面被氧化。當(dāng)掃速過(guò)高時(shí)，充電電流變大，為獲得較大峰電流響應(yīng)，同時(shí)又防止充電電流過(guò)大，綜合考慮信躁比及其他因素，實(shí)驗(yàn)掃速選為50 mV／s。

圖4 DNA-Pd/GCE上Trp的DPV氧化峰電流響應(yīng)與掃速的關(guān)系Fig.4 The relationship between oxidation current of Trp and the square of the scan rate

2.5 差分脈沖伏安法測(cè)定Trp

用差分脈沖法研究了DNA-Pd/GCE 對(duì)Trp 的電化學(xué)響應(yīng)。圖5是Trp濃度與響應(yīng)電流的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Trp的濃度在9.99×10-7～2.44×10-5mol/L 的范圍內(nèi)，與峰電流呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，電流響應(yīng)靈敏。其線性方程ip（μA）= -0.6707 +1.670 CTrp（μmol/L），相關(guān)系數(shù)R=0.999，檢測(cè)限為4.6 × 10-7mol/L（s/n=3）。

圖5 DNA-Pd/GCE上Trp 的峰電流與濃度關(guān)系圖Fig.5 Plot of anodic DPV peak current of DNA-Pd/GCE versus the concentration of Trp

本文同時(shí)考查了共存組分對(duì)Trp 測(cè)定的干擾以及修飾電極的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明500 倍的Na+、K+、Cu2+、SO42-、NO3-、Cl-，100 倍的尿酸、檸檬酸不干擾1×10-5mol/L Trp的響應(yīng)電流。同一修飾電極平行測(cè)定8 次，Trp 氧化峰電流的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為4.2%，重現(xiàn)性較好。此外，將使用后的修飾電極清洗后放在冰箱保存1 個(gè)月后，重新測(cè)定的Trp 響應(yīng)電流仍為最初響應(yīng)電流的90%以上，說(shuō)明該電極具有良好的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文利用恒電位法在玻碳電極上電沉積制備了DNA-Pd混合納米顆粒修飾電極（DNA-Pd/GCE）。由于Pd 納米顆粒在DNA 膜上高度分散，此修飾電極對(duì)Trp表現(xiàn)了良好的電催化氧化作用和選擇性，電極重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較好。