La(OH)3纳米片修饰玻碳电极对鸟嘌呤和腺嘌呤的电催化氧化

2016-10-15郑崇涛刘计敏郭满栋

分析科学学报 2016年2期

郑崇涛, 刘计敏, 王娟，李玲，郭满栋

(山西师范大学化学与材料科学学院，山西临汾 041004)

鸟嘌呤(Guanine，G)和腺嘌呤(Adenine，A)是一类含有稠合嘧啶杂环和咪唑环的生物碱，是生物体内核糖核酸的重要碱基，在生物遗传和代谢过程中起着非常重要的作用。此外，二者广泛存在于生物体体液和细胞中，其体内浓度的变化可为某些疾病的发生发展和预防提供重要参考。因此，对G和A的电化学行为进行研究具有十分重要的意义。

镧系元素纳米化合物具有优良的光、电、磁性能[1]，在磁性材料、催化材料、光导纤维及发光材料等高科技领域得到了广泛的应用[2,3]。张娜等利用钕的氧化物与单壁碳纳米管修饰玻碳电极研究了鸟嘌呤和腺嘌呤的电催化性能[4]；Liu 等研制了基于La(OH)3纳米线修饰碳糊电极的葡萄糖传感器[5]；孙进高等制备了纳米La(OH)3粒子修饰电极并实现了对邻苯二酚和对苯二酚的同时测定[6]。目前，文献很少报道基于La(OH)3纳米材料测定G和A的分析方法。本实验通过滴涂法制备了La(OH)3纳米片修饰玻碳电极(LNP/GCE)，研究了该修饰电极对G和A的电催化行为，并对生物样品进行了检测。结果表明该修饰电极具有较好的重现性和良好的稳定性，基于此构建了一种同时测定G和A的电化学新方法。本研究还未见文献报道。本实验对基于La(OH)3纳米材料电化学传感器的开发和应用具有重要的参考和借鉴意义。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

LK2005A型电化学工作站(天津兰力科电子高科技有限公司)，三电极体系：修饰电极和裸玻碳电极(GCE)为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂丝电极为辅助电极。JSM-7500F型扫描电子显微镜(日本，电子公司)。JB-2型定时双向磁力加热搅拌器(江苏金坛市金城国胜实验仪器厂)。KQ-250B型超声波清洗器(昆仑市超声波仪器制造厂)。

La(NO3)3(天津市光复精细化工研究所)；聚乙烯吡咯烷酮K30、脱氧核糖核酸(鱼精)、鸟嘌呤(G)与腺嘌呤(A)(国药集团化学试剂有限公司)；G和A溶液由0.01 mol/L NaOH溶液配制；乙酸盐缓冲溶液(ABS)由0.2 mol/L HAc和0.2 mol/L NaAc溶液混合配制。其它试剂均为分析纯，实验用水为二次蒸馏水。

1.2 实验方法

1.2.1La(OH)3纳米片的制备参照文献方法[7 - 10]制备La(OH)3纳米片。常温下，以聚乙烯吡咯烷酮为分散剂，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，强磁力搅拌下，以3 mL/min的速度滴加0.50 mol/L的氨水至溶液pH=8.0。在温度80 ℃下,强磁力搅拌并回流24 h，冷却至常温，静置12 h，得到白色沉淀。将该沉淀用水和乙醇反复离心洗涤，烘干，得到La(OH)3白色粉末。经扫描电镜(SEM)表征，其结构为六边形纳米片(图1)

1.2.2修饰电极的制备GCE(直径2 mm)用0.05 μm的Al2O3粉抛光至镜面，再依次用水、HNO3(1+1)、无水乙醇、水各超声5 min。然后将GCE置于0.5 mol/L H2SO4中，于-0.6～+1.4 V电位范围内，以100 mV/s扫速循环扫描10圈，活化电极。活化完毕后电极用水冲洗干净，用高纯氮吹干，备用。

将La(OH)3纳米片置于DMF溶剂中，配制成0.5 mg/mL的La(OH)3溶液，超声分散均匀后取2 μL分散液滴于处理好的GCE表面，室温下干燥，修饰电极记为LNP/GCE。

1.2.3DNA样品的制备DNA样品制备按文献方法[11]进行：取3 mg鱼精DNA于试管中，加入1 mL 1 mol/L HCl。在100 ℃水浴80 min。加入1 mL 1 mol/L NaOH溶液。冷至室温后用pH=4.8的ABS稀释至10 mL，摇匀后备用。

2 结果与讨论

2.1 修饰电极的电化学表征

图2(A)所示曲线b为LNP/GCE在0.1 mol/L KCl+1.0×10-3mol/L [Fe(CN)6]3-/4-溶液中的交流阻抗图，由图可知修饰电极的表面电阻明显小于GCE,说明修饰电极上的电荷传递电阻更小，电极表面修饰的LNP能有效地促进[Fe(CN)6]3-/4在电极表面的电子传递。

2.2 修饰电极对G和A的电催化作用

图3是G和A在0.1 mol/L ABS(pH= 4.8)中，在不同电极上的CV曲线。由图可知，G和A在活化的裸GCE上有微弱的氧化峰。当修饰LNP后，G和A的峰电流明显增加，峰电位负移且峰形较好，二者的△E相差330 mV，表明LNP/GCE对于两种物质具有明显的电催化作用。

2.3 实验条件优化

2.3.1底液的选择分别以KCl-HCl(pH=1.60)、NaAc-HAc(pH=4.80)、磷酸盐(pH=6.86)、硼砂-盐酸(pH=8.80)、硼砂-NaOH(pH=10.2)缓冲溶液作支持电解质对G和A进行测定，结果表明在NaAc-HAc缓冲溶液中峰形好、峰电流大且稳定，所以本实验选用NaAc-HAc缓冲溶液作为底液。

2.3.2pH值的影响考察修饰电极在不同的pH值NaAc-HAc缓冲溶液中对G和A氧化峰电流和峰电位的影响。G和A的氧化峰电流随pH增大呈现先减小后增大又减小的趋势，综合考虑峰电流和峰形两个因素，实验选取pH=4.80为最佳实验条件。G和A的氧化峰电位随pH增加而负移且与pH值均呈线性关系，线性回归方程分别为：G：Ep=1.1878-0.0665pH(R2=0.9976)；A：Ep=1.5068-0.0656pH(R2=0.9991)。表明G和A的电化学氧化过程伴随着质子得失。根据公式dEp/dpH=2.303mRT/nF得m和n的比值分别为1.12和1.11，可知电极反应的电子转移数n与质子数m相等。

另由Laviron公式[12]可求出pH=4.80时G和A在反应中转移的电子数分别为n=1.7和1.9。说明G和A在修饰电极上的电化学反应均为2电子转移过程。因此G和A电极反应均为2电子和2质子参与的过程。根据实验结果及文献报道[13]可以判断G和A在LNP/GCE上的电极反应：

2.3.3扫速的影响用CV法研究了扫速对G和A的电化学行为的影响。由图4(A)结果表明:在扫速10～150 mV/s范围内，G和A的氧化峰电流与扫速呈线性关系(图4(B))，线性方程分别为：G:lgIp=0.3830+0.4407lgv(mV/s)(R2= 0.9976);A:lgIp=0.3113+0.3905lgv(mV/s)(R2= 0.9984)。说明G和A在LNP/GCE上的电极反应过程为吸附控制的过程。

电荷传递系数a是电化学动力学研究的重要参数。实验结果显示，在10～150 mV/s范围内，二者的式量电位E与lnv呈良好的线性关系，线性回归方程分别为：G：Ep(V)=0.0273lnv(mV/s)+0.7578(R2=0.9959)；A：Ep(V)=0.0323lnv(mV/s)+1.0428(R2=0.9925)。

对于不可逆吸附的电氧化反应根据Bulter-volmer方程式[12]，由EP-lnv直线的斜率RT/anF,可求得298 K时，G和A的电荷传递系数a分别为0.47和0.39。

2.4 工作曲线和检出限

在ABS(pH=4.80)缓冲体系中，于+0.6 V～+1.3 V电位范围内，用LNP/GCE对不同浓度的G和A溶液进行DPV法测定(图5)。

二者在浓度0.1×10-7～1.0×10-5mol/L范围内与其氧化峰电流呈良好的线性关系，工作曲线的线性范围和检出限见表1。可见，LNP/GCE电极具有优良的电化学性能。

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 电极的重现性及稳定性

在优化实验条件下，同时制备5支修饰电极，分别对1.0×10-5mol/L的 G和A溶液进行5次平行测定，相对标准偏差(RSD)为6.23%。同一电极对1.0×10-5mol/L的 G和A溶液平行测定10次，RSD为2.58%，说明LNP/GCE修饰电极的重现性较好。将制备好的LNP/GCE储存在4 ℃条件下，放置7 d后电极的响应性能下降了1.53%，一个月后，其电极响应性能是原始的90.7%，说明LNP/GCE修饰电极有较好的稳定性。

2.6 干扰实验及样品测定

在最佳实验条件下，研究了一些常见金属离子、氨基酸、核苷酸类物质对浓度均为1.0×10-6mol/L 的G和A测定的影响。结果表明:200倍浓度的K+、Na+、Cu2+、Zn2+、Ca2+、Al3+、尿酸、抗坏血酸、L-半胱氨酸和50倍浓度的胞嘧啶、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)等不干扰G和A的检测。50倍的腺嘌呤核苷酸(AMP)、鸟嘌呤核苷酸(GMP)、次黄嘌呤核苷酸(IMP)、次黄嘌呤、黄嘌呤会使峰形变宽，但峰电流的改变值仍小于5%。表明该方法具有良好的选择性。

将该方法用于鱼精DNA的分析。在最佳实验条件下，采用标准加入法对样品进行测定。测定结果显示(G+C)/(A+T)=0.71(G、C、A、T分别指鸟嘌呤、胞嘧啶、腺嘌呤和胸腺嘧啶)，RSD=8.3%(n=5)，与文献报道[14]的0.77接近。表明此电极能够用于实际样品的测定。