張子強(qiáng) 吳珍玲 周心雨 周培蘭 張 娜 張克營(yíng)

(宿州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)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(nèi)以復(fù)雜化合物形式存在，對(duì)于生命活動(dòng)具有重要的意義[2]。銅離子對(duì)大腦、心臟、抗癌、以及造血等也具有重要作用[3]。它還與人們?cè)诳只藕蛪毫ο碌纳矸磻?yīng)密切相關(guān)[4]。然而，迅速的工業(yè)化使重金屬銅在水和土壤中積聚，使生物體攝入過(guò)量會(huì)造成嚴(yán)重威脅[5]。常用的測(cè)定銅離方法有原子吸收光譜法[6]、電感耦合等離子體質(zhì)譜[7]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法等[8]。電化學(xué)傳感器由于其成本低、選擇性好和檢出限低等特點(diǎn)已被廣泛用于銅離子的檢測(cè)[9]。

還原氧化石墨烯因其優(yōu)異的性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，在化學(xué)、物理和材料科學(xué)等領(lǐng)域近年引起了關(guān)注[10]。它由碳原子連接單個(gè)原子層構(gòu)成，是目前發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料[11]。還原氧化石墨烯是一種重測(cè)的六角晶體，基本結(jié)構(gòu)是每個(gè)碳原子的SP2軌道形成3個(gè)共價(jià)鍵，與相鄰的3個(gè)相鄰碳原子形成3σ鍵，剩余的1個(gè)P電子垂直于還原性氧化石墨烯的表面，并與周?chē)有纬搔墟I[12]。它具有優(yōu)異性能，是目前最強(qiáng)大的材料[13]。由于獨(dú)特的載流特性、大的表面積及優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，已成為化學(xué)修飾電極研究熱點(diǎn)[14]。

隨著對(duì)電化學(xué)生物傳感器[15]研究，生物傳感器領(lǐng)域研究者對(duì)生物傳感器選擇性和靈敏度的研究和檢測(cè)方法的優(yōu)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(cè)信號(hào)的生物傳感器[18]，具有不破壞樣品、靈敏度高、便捷快速等優(yōu)點(diǎn)[19]。在環(huán)境檢測(cè)中受到了廣泛的關(guān)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(fù)合材料的電化學(xué)傳感器。拓展了一種檢測(cè)Cu2+的新方法，在環(huán)境檢測(cè)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

CHI660A電化學(xué)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)，F(xiàn)A2004N電子天平(常州市宏衡電子儀器廠)，電化學(xué)體系采用三電極系統(tǒng)，KQ5200DB型超聲波清洗器，電化學(xué)實(shí)驗(yàn)三電極系統(tǒng)。

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T(mén)TTTTTTTTTTTTTT。

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(zhì)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(jī)中離心，兩種物質(zhì)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(fù)合材料。

1.3 石墨烯@DNA修飾電極的制備

把金電極放在潤(rùn)濕的Al2O3上打磨如鏡面，打磨后用蒸餾水洗凈，然后在無(wú)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(yù)處理過(guò)的金電極表面，自然風(fēng)干，即可得到還原氧化石墨烯@DNA修飾電極。

2 結(jié)果與討論

2.1 優(yōu)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(duì)0.05 mol/L的Cu2+溶液的循環(huán)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(zhì)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(qiáng)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(xué)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(xué)阻抗譜(EIS)，如圖3所示。電化學(xué)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(jìn)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(jìn)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(xué)行為

測(cè)定不同修飾電極的循環(huán)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(yīng)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(guò)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(duì)Cu2+有較強(qiáng)的催化效果，而當(dāng)兩者結(jié)合起來(lái)時(shí)，DNA和還原氧化石墨烯修飾電極對(duì)Cu2+的氧化峰峰電流最大，表明該修飾電極對(duì)Cu2+催化氧化還原能力最強(qiáng)。

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(guān)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(huán)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(shí)，氧化峰電流值也逐漸在增大，同時(shí)氧化峰電位也略微的向正方向移動(dòng)。圖6為氧化峰電流值與掃描速率之間的關(guān)系圖，由圖6可知，當(dāng)掃速?gòu)?0 mV/s逐漸增至100 mV/s時(shí)，兩者具有良好的線(xiàn)性關(guān)系，線(xiàn)性方程為i(μA)=1.345+0.057 7v(mV/s)，相關(guān)性系數(shù)為0.969 1。

圖5 相同濃度Cu2+(0.05 mol/L)不同掃速的循環(huán)伏安曲線(xiàn)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(guān)系Figure 6 Relation between peak oxidation current of Cu2+ and scanning rate.

2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)

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(cè)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(jìn)行測(cè)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(nèi)，即時(shí)電流響應(yīng)信號(hào)同Cu2+的濃度分別成線(xiàn)性關(guān)系，如圖8所示，線(xiàn)性方程為i(μA)=-2.098 8-0.538 5c(×10-5mol/L)，線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)R=0.996，最低檢出限為1×10-8mol/L。將本方法與文獻(xiàn)報(bào)道方法[21-23]相比較(見(jiàn)表1)，結(jié)果顯示，本方法具有較寬的線(xiàn)性范圍和較低的檢出限，說(shuō)明該修飾電極在Cu2+的實(shí)際分析工作中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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

圖8 Cu2+濃度與峰電流的關(guān)系Figure 8 Relationship between Cu2+ concentration and peak current.

表1 不同修飾電極測(cè)定Cu2+的比較

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)采用電化學(xué)分析的方法，制備了還原氧化石墨烯@DNA修飾電極，并結(jié)合循環(huán)伏安法(CV)與差分脈沖伏安法(DPV)將其用于Cu2+的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，還原氧化石墨烯@DNA修飾電極對(duì)Cu2+的氧化還原有顯著的促進(jìn)作用。在處理難降解有機(jī)物廢水、重金屬?gòu)U水及生物傳感器等方面都存在巨大研究潛力。