基于還原氧化石墨烯@DNA修飾電極的Cu2+傳感器

張子強 吳珍玲 周心雨 周培蘭 張 娜 張克營

(宿州學院 化學化工學院，安徽 宿州 234000)

引言

銅離子是生命體中必需的微量元素，廣泛分布于生物組織中[1]。它在生物體內以復雜化合物形式存在，對于生命活動具有重要的意義[2]。銅離子對大腦、心臟、抗癌、以及造血等也具有重要作用[3]。它還與人們在恐慌和壓力下的生理反應密切相關[4]。然而，迅速的工業化使重金屬銅在水和土壤中積聚，使生物體攝入過量會造成嚴重威脅[5]。常用的測定銅離方法有原子吸收光譜法[6]、電感耦合等離子體質譜[7]、電感耦合等離子體發射光譜法等[8]。電化學傳感器由于其成本低、選擇性好和檢出限低等特點已被廣泛用于銅離子的檢測[9]。

還原氧化石墨烯因其優異的性能和獨特的結構，在化學、物理和材料科學等領域近年引起了關注[10]。它由碳原子連接單個原子層構成，是目前發現的最薄的二維材料[11]。還原氧化石墨烯是一種重測的六角晶體，基本結構是每個碳原子的SP2軌道形成3個共價鍵，與相鄰的3個相鄰碳原子形成3σ鍵，剩余的1個P電子垂直于還原性氧化石墨烯的表面，并與周圍原子形成π鍵[12]。它具有優異性能，是目前最強大的材料[13]。由于獨特的載流特性、大的表面積及優異的電學性質，已成為化學修飾電極研究熱點[14]。

隨著對電化學生物傳感器[15]研究，生物傳感器領域研究者對生物傳感器選擇性和靈敏度的研究和檢測方法的優化具有很大的興趣[16]。DNA是很多生物體遺傳信息的載體[17]。以DNA或DNA輔材為敏感元件，電流為特征檢測信號的生物傳感器[18]，具有不破壞樣品、靈敏度高、便捷快速等優點[19]。在環境檢測中受到了廣泛的關注[20]。

本文以還原氧化石墨烯和DNA為材料，制備了基于氧化還原石墨烯和DNA復合材料的電化學傳感器。拓展了一種檢測Cu2+的新方法，在環境檢測中具有潛在的應用價值。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

CHI660A電化學工作站(上海辰華儀器有限公司)，KQ5200DB型超聲波清洗器(昆山市超聲儀器有限公司)，FA2004N電子天平(常州市宏衡電子儀器廠)，電化學體系采用三電極系統，KQ5200DB型超聲波清洗器，電化學實驗三電極系統。

硫酸銅溶液、還原氧化石墨烯、KCl均為分析純，二次蒸餾水。DNA(上海生物工程有限公司)，序列為TTTTTTTTTTTTTTT。

1.2 DNA和氧化還原石墨烯混合溶液的配制

將DNA溶液和還原氧化石墨烯溶液按不同的比例(質量濃度比例分別為0.67/10、1/5、2/5、3/5、4/5、1/1)混合，分別放在不同的小離心管中，將離心管放入離心機中離心，兩種物質即可混合均勻，就可以得到不同比例的還原氧化石墨烯@DNA復合材料。

1.3 石墨烯@DNA修飾電極的制備

把金電極放在潤濕的Al2O3上打磨如鏡面，打磨后用蒸餾水洗凈，然后在無水乙醇溶液中超聲清洗1 min左右，再用蒸餾水清洗其表面，將電極晾干。吸取5 μL配制好的DNA和還原氧化石墨烯混合溶液滴涂于預處理過的金電極表面，自然風干，即可得到還原氧化石墨烯@DNA修飾電極。

2 結果與討論

2.1 優化DNA和還原氧化石墨烯的比例

不同配比的還原氧化石墨烯@DNA修飾電極對0.05 mol/L的Cu2+溶液的循環伏安圖(圖1)。從a到f依次分別為基于不同比例的DNA和還原氧化石墨烯(質量濃度比例分別為0.67/10、1/5、2/5、3/5、4/5、1/1)。從圖2可知比例為4/5的還原氧化石墨烯@DNA修飾電極的峰電流值明顯強于其他比例的還原氧化石墨烯@DNA電極的峰電流值。所以，比例為4/5的還原氧化石墨烯@DNA修飾電極性能最佳。

2.2 電化學阻抗譜表征電極的組裝

a、b分別為裸電極與修飾電極的電化學阻抗譜(EIS)，如圖3所示。電化學阻抗譜(EIS)在0.1 mol/L PBS(pH 7.4，0.1 mol/L NaCl)中，5 mmol/L [Fe(CN)6]3-/4-的情況下進行，其頻率范圍為0.01～105 Hz，其形式電位為0.2 V。交流電壓振幅為5 mV。將還原氧化石墨烯@DNA修飾到電極表面后，Ret進一步減小，表明還原氧化石墨烯@DNA已被成功修飾到電極表面。

2.3 Cu2+在不同修飾電極上的電化學行為

測定不同修飾電極的循環伏安圖如圖4所示。a～d分別表示的是裸金電極、DNA修飾電極、還原氧化石墨烯修飾電極、DNA@還原氧化石墨烯修飾電極。圖4(a)所示Cu2+在裸金電極上的響應很小，而從圖4(b)、4(c)上可以看出分別用DNA和還原氧化石墨烯修飾過的金電極上有一組較為明顯的氧化還原峰，由圖4(d)則可知在還原氧化石墨烯@DNA修飾電極上，Cu2+的氧化還原峰效果更好。因此，DNA和還原氧化石墨烯修飾電極均對Cu2+有較強的催化效果，而當兩者結合起來時，DNA和還原氧化石墨烯修飾電極對Cu2+的氧化峰峰電流最大，表明該修飾電極對Cu2+催化氧化還原能力最強。

a—0.67/10修飾的電極；b—1/5修飾的電極；c—2/5修飾的電極；d—3/5修飾的電極；e—4/5修飾的電極；f—1/1修飾的電極圖1 不同DNA和還原氧化石墨烯比例修飾電極的CV圖Figure 1 CV diagram of different DNA and RGO proportional modified electrodes.

圖2 DNA和還原氧化石墨烯的比例與峰電流關系圖Figure 2 Ratio of DNA and RGO to peak current.

圖3 裸電極(a)與還原氧化石墨烯@DNA修飾電極(b)阻抗圖Figure 3 Impedance diagram of bare electrode (a) and RGO @DNA-modified electrode (b).

a—裸電極；b—DNA；c—還原氧化石墨烯；d—還原氧化石墨烯@DNA修飾電極圖4 Cu2+在不同電極上的CV圖Figure 4 CV diagram of Cu2+ at different electrodes.

2.4 不同掃描速度的影響

還原氧化石墨烯@DNA修飾電極在不同掃速下的循環伏安圖如圖5所示。從a～j掃描速率依次為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mV/s。從圖5可知，在掃描速率增加的同時，氧化峰電流值也逐漸在增大，同時氧化峰電位也略微的向正方向移動。圖6為氧化峰電流值與掃描速率之間的關系圖，由圖6可知，當掃速從10 mV/s逐漸增至100 mV/s時，兩者具有良好的線性關系，線性方程為i(μA)=1.345+0.057 7v(mV/s)，相關性系數為0.969 1。

圖5 相同濃度Cu2+(0.05 mol/L)不同掃速的循環伏安曲線Figure 5 Cyclic voltammetric curves of Cu2+(0.05 mol/L)with the same concentration and different sweeping speeds.

圖6 Cu2+氧化峰電流與掃描速率的關系Figure 6 Relation between peak oxidation current of Cu2+ and scanning rate.

2.5 標準曲線

為探究還原氧化石墨烯@DNA修飾電極的性能，DNA和還原氧化石墨烯的修飾電極測定不同Cu2+濃度溶液的差分脈沖伏安圖(DPV)如圖7所示。加入6 mL KCl溶液(0.01 mol/L)，再依次加入Cu2+溶液進行測定。a～g顯示的是Cu2+溶液分別為6×10-7、1×10-6、1×10-5、2×10-5、3×10-5、4×10-5、6×10-5、8×10-5mol/L。由圖8可知，隨著Cu2+溶液濃度的增大，氧化峰電流逐漸增大。Cu2+濃度由6×10-7mol/L到8×10-5mol/L的范圍內，即時電流響應信號同Cu2+的濃度分別成線性關系，如圖8所示，線性方程為i(μA)=-2.098 8-0.538 5c(×10-5mol/L)，線性相關系數R=0.996，最低檢出限為1×10-8mol/L。將本方法與文獻報道方法[21-23]相比較(見表1)，結果顯示，本方法具有較寬的線性范圍和較低的檢出限，說明該修飾電極在Cu2+的實際分析工作中具有潛在的應用價值。

圖7 不同Cu2+濃度在修飾電極上的DPV曲線Figure 7 DPV curve of different Cu2+ concentrations on modified electrode.

圖8 Cu2+濃度與峰電流的關系Figure 8 Relationship between Cu2+ concentration and peak current.

表1 不同修飾電極測定Cu2+的比較

3 結論

本實驗采用電化學分析的方法，制備了還原氧化石墨烯@DNA修飾電極，并結合循環伏安法(CV)與差分脈沖伏安法(DPV)將其用于Cu2+的檢測，實驗結果表明，還原氧化石墨烯@DNA修飾電極對Cu2+的氧化還原有顯著的促進作用。在處理難降解有機物廢水、重金屬廢水及生物傳感器等方面都存在巨大研究潛力。