DNA/單壁碳納米管/聚多巴胺修飾電極的制備及其分析應用

張 婷，馮蒞均，張修華，宋功武

(1.武漢軟件工程職業技術學院，湖北 武漢 430205;2.湖北大學化學化工學院，湖北 武漢 430062)

痢特靈(Furazolidone,Fu)，學名呋喃唑酮，是一種人工合成的抗菌藥物，廣泛用于治療動物的痢疾和腸炎。痢特靈是一種誘變致癌劑[1]，因此應嚴格控制動物性食品中痢特靈的殘留量。目前，對痢特靈含量的測定方法主要有分光光度法[2]、HPLC法[3]和極譜法[4]等，大多存在耗時長、靈敏度低、操作繁瑣等缺點。由于呋喃唑酮具有電活性，因此可探索適當的電化學測定方法以充分發揮電化學簡便、靈敏的優勢[5]。

作者在此采用電化學聚合方法制備了聚多巴胺修飾玻碳電極(PDA/GCE)，并進一步用單壁碳納米管和DNA進行修飾，制備得到DNA/單壁碳納米管/聚多巴胺復合膜修飾電極(DNA/SWNTs/PDA/GCE)，詳細研究了呋喃唑酮在該修飾電極上的電化學行為及其與DNA的相互作用機理。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

呋喃唑酮、DNA，Sigma-Aldrich(St.Louis，Missouri)公司；多巴胺(DA)，上海晶純試劑有限公司；單壁碳納米管(SWNTs)，中科院成都有機所；其它試劑均為分析純；實驗室用水為二次蒸餾水。

電化學工作站CHI660C三電極系統：裸GCE或修飾電極為工作電極，鉑絲電極為對電極，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；320-S型酸度/離子計，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 電化學行為研究

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

2 結果與討論

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的交流阻抗曲線近乎是一條直線(曲線a),表明在此情況下，氧化還原探針[Fe(CN)6]3-/4-極易到達電極的表面發生電化學反應，電極上幾乎沒有阻礙電子傳遞的物質存在。當裸GCE上修飾了SWNTs/PDA膜(曲線b)或PDA膜(曲線c)后，阻抗圖譜中的高頻部分出現了一個小半圓，表明探針[Fe(CN)6]3-/4-的電子傳遞受阻，說明SWNTs/PDA或PDA膜已經被修飾到電極表面；而SWNTs/PDA膜的阻抗比PDA膜小，表明SWNTs的存在能促進電極與基體溶液中電活性物質的電子傳遞，使得SWNTs/PDA復合膜有較好的電子傳遞能力。當DNA固定到SWNTs/PDA/GCE上(曲線d)，半圓的直徑進一步增大，這是因為DNA生物大分子的結構阻礙了界面電子傳遞；同時，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伏安曲線。

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a)于-0.43 V出現一個還原峰；在PDA/GCE(曲線b)上，呋喃唑酮的還原峰電流較裸GCE有所增大；在SWNTs/GCE(曲線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d)上，呋喃唑酮有良好的電化學響應，峰電流較裸GCE增大了約10倍，表明SWNTs和PDA對呋喃唑酮的電化學還原具有協同電催化作用。此外，在SWNTs/PDA/GCE上，呋喃唑酮的響應信號比PDA/GCE上的更強，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，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e)上，相同濃度的呋喃唑酮還原峰電流減小，峰電位負移，由此說明DNA與呋喃唑酮通過靜電結合形成非導電復合物[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上的循環伏安曲線見圖3。

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

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，峰電位負移；而底液中DNA的濃度增加到25.0 mg·mL-1時，呋喃唑酮的還原峰電流進一步降低，峰電位進一步負移。這表明溶液中DNA與呋喃唑酮是通過靜電相結合[8]。

據報道[9]，結合常數(βs)與結合位點數(m)的關系為log[ΔI/(ΔImax-ΔI)]=logβs+mlog[Fu]，因此可以根據呋喃唑酮峰電流的變化計算出呋喃唑酮與DNA的結合常數和結合位點數。

實驗表明log[ΔI/(ΔImax-ΔI)]與log[Fu]為線性關系(圖4)，其線性方程為log[ΔI/(ΔImax-ΔI)]=5.09+0.95 log[Fu]，R=0.995。根據直線的截距和斜率得到m=1、logβs=5.09，說明Fu與DNA相互作用的結合位點數為1，結合常數為1.23×105。

圖4 log[ΔI/(ΔImax-ΔI)]與log[Fu]的關系曲線

2.4 定量測定

2.4.1 線性范圍和檢測限

在所選最佳實驗條件下，測定不同濃度呋喃唑酮的差分脈沖伏安曲線(DPV)，結果見圖5。其中小圖為呋喃唑酮的標準曲線。

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濃度范圍內呈良好的線性關系，線性回歸方程為：ipc=3.11×10-7+1.85[Fu]，R=0.997(n=11)，檢測限為1.33×10-8mol·L-1(S/N=3)。

2.4.2 電極的重現性和穩定性

采用DPV法研究了DNA/SWNTs/PDA/GCE復合膜修飾電極的重現性和穩定性。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測定5次，還原峰電流的相對標準偏差為3.08%；采用5支不同的修飾電極在相同實驗條件下進行測定，還原峰電流的相對標準偏差為4.74%，表明該修飾電極對呋喃唑酮的定量測定有很好的重現性。將修飾電極置于冰箱中保存，40 d后測定上述溶液的電流響應，響應峰電流為原電流的91.72%。這表明該DNA/SWNTs/PDA/GCE復合膜修飾電極具有良好的重現性和穩定性。

2.4.3 干擾實驗

3 結論

制備了DNA/SWNTs/PDA/GCE復合膜修飾電極。結果發現：SWNTs的引入確實可以提高復合膜的界面電子傳遞效率；DNA/SWNTs/PDA/GCE復合膜修飾電極對呋喃唑酮氧化還原具有明顯的電催化作用；呋喃唑酮與DNA通過靜電結合形成非導電復合物，該復合物阻礙了電極界面電子傳輸，其結合常數、結合位點數分別為1.23×105和1。在最佳的實驗條件下，呋喃唑酮還原峰電流與其濃度在4.0×10-8～4.8×10-6mol·L-1范圍內呈良好的線性關系，檢測限達到1.33×10-8mol·L-1。

參考文獻：

[1] 趙敏,胡勁波,來永春,等.離子注入Ni-C修飾電極伏安法測定痢特靈[J].北京師范大學學報(自然科學版),1997，33(4)：517-520.

[2] Sachan A，Trivedi P.Estimation of atenolol and nifedipine in multicomponent formulations by ultraviolet spectroscopy[J].Asion J Chem，1999,11(3)：970-974.

[3] 刁石強,吳燕燕,李來好,等.高效液相色譜法測定水產養殖底泥中呋喃唑酮殘留量的研究[J].南方水產，2010，6(2)：53-58.

[4] 王福民.硝基呋喃類藥物呋喃唑酮的新極譜法測定[J].分析測試學報，2003,22(4):48-50.

[5] Fotouhi L，Banafsheh S，Heravi M M.Electrochemistry of the interaction of furazolidone and bovine serum albumin[J].Bioelechem，2009，77(1)：26-30.

[6] Carter M T，Rodriguez M，Bard A J.Voltammetric studies of the interaction of metal chelates with DNA.2.Tris-chelated complexes of cobalt(Ⅲ) and iron(Ⅱ) with 1,10-phenanthroline and 2,2′-bipyridine[J].J Am Chem Soc，1989，111(24)：8901-8911.

[7] Tian X，Song Y H，Dong H M，et al.Interaction of anticancer herbal drug berberine with DNA immobilized on the glassy carbon electrode[J].Bioelechem，2008，73(1)：18-22.

[8] Li Y L，Liu M L，Xiang C H，et al.Electrochemical quartz crystal microbalance study on growth and property of the polymer deposit at gold electrodes during oxidation of dopamine in aqueous solutions[J].Thin Solid Films，2006，497(1-2)：270-278.

[9] Ibrahim M S.Voltammetric studies of the interaction of nogalamycin antitumor drug with DNA[J].Anal Chim Acta，2001,443(1):63-72.