硫代乙酸/DNA修饰金电极的电化学行为研究

张　环

（甘肃省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，甘肃　兰州　730070）

硫代乙酸/DNA修饰金电极的电化学行为研究

张环

（甘肃省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，甘肃兰州730070）

摘要：采用循环伏安法，在K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6溶液体系中，分别对裸金电极，硫代乙酸自组装单分子膜（Self-assembled monolayers：SAMs）修饰的金电极、二次自组装技术制备的Au/硫醇/DNA混合双层膜（Hybrid Bilayer Membranes，HBMs）修饰的金电极的电化学行为进行了表征。结果表明，硫代乙酸自组装单分子膜使DNA和可能与DNA相互作用的生物物质避免了与金电极表面的直接接触，从而防止可能发生的变性。利用自组装单分子膜对电极的封闭作用，可以消除由吸附产生的对金属电极的毒化。

关键词：自组装单分子膜；硫代乙酸；DNA；修饰电极；循环伏安法

SAMs作为制备超薄有序膜的一种新技术，为研究表面和界面现象提供了分子水平上精确控制界面性质的理想方法，从而迅速成为有关学科研究的焦点［1-5］。利用SAMs膜技术已成功地研制了一类优良的化学修饰电极。该类型的SAMs包括有机硅烷在羟基化表面（SiO2/Si、Al2O3/Al、玻璃等）；醇和胺在铂表面，硫醇、二硫化物和硫化物在金、银、铜表面；脂肪酸在金属氧化物表面；膦酸在金属磷酸盐表面及异腈在铂表面。近年来，有关硫化物在金表面形成单分子层的报道日益增多，将硫醇自组装到金电极表面形成的单分子层膜因具有优良的稳定性和有序性，而受到人们越来越多的关注［6］，然而，对自组装单分子层研究最广泛并且最深入的是烷基硫醇类物质在Au表面的自组装。目前，利用自组装单分子膜技术在分子水平上按人们预期的目标进行设计SAMs被广泛研究［3，5］，而通过巯基（—SH）在Au表面自组装制备DNA修饰电极的方法尚未见报道。笔者采用先进的—SH化合物自组装，得到自组装单分子层（SAM）后，对其进行电化学测试，再在SAM上共价键合或吸附固定DNA的方法制备DNA修饰电极，并对得到的DNA修饰电极进行电化学表征，以期为基因传感器、DNA与其他分子的相互作用、以及DNA识别分析提供科学依据。

1　材料与方法

1.1仪器与试剂

1.1.1仪器电化学系统CH-Instruments work station660（美国CH公司）电极系统为传统三电极系统，铂丝电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，工作电极为膜修饰的金电极）。Branson 200超声清洗仪（美国），PHS3C型酸度计（上海）。

1.1.2试剂硫代乙酸（CH3COSH，分析纯，天津市光复科技发展有限责任公司生产）；小牛胸腺DNA（北京华美生物工程公司生产）；双蒸水；电解质［5 mmol/L的K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6溶液］；丙酮（天津市光复科技发展有限责任公司生产）；Tris（天津市光复科技发展有限责任公司生产）；无水乙醇（天津市光复科技发展有限责任公司生产）。0.5 mol/L Tris溶液配制：先准确称取3.028 5 g Tris，用双蒸水定容至50 mL，用pH酸度计将pH调至5，使Tris溶液浓度为0.5 mol/L。

1.2方法

1.2.1金电极的预处理封装金电极（D=3 mm纯度大于99.99%）。首先将金电极分别用0.3 μm 和0.05 μm的Al2O3仔细抛光，分别在丙酮，乙醇和二次水中超声波清洗，每次5 min，再用N2干燥，在-0.2～0.8 V范围内作循环伏安扫描，检测电极是否达到实验要求。支持电解质溶液为：K3Fe（CN）6/ K4Fe（CN）6（5 mmol/L）溶液体系，要求其氧化还原峰电位差ΔEp＜75Mv。

1.2.2硫醇自组膜的制备配制5 mmol/L硫代乙酸溶液，将处理好的金电极从无水乙醇中取出并置于装有半瓶5 mmol/L硫代乙酸溶液的青霉素瓶中，盖好塞子，并用胶带缠好进行自组装一定时间，通常不少于24 h［7］。金电极在5 mmol/L硫代乙酸/丙酮溶液中浸泡24 h，取出，用水冲洗后，即得到硫代乙酸自组装单分子层修饰电极（SAM/Au），再依次用无水乙醇、二次蒸馏水冲洗，以除去表面物理吸附的分子，然后用高纯N2吹干表面溶剂，立即进行电化学测试。测试溶液中含有相同浓度的Fe（CN）3-和Fe（CN）4-，测试前溶液通高纯N2以除去溶解氧。

1.2.3DNA修饰电极的制备取50 mL 0.5 mol/L Tris溶液配置成DNA的Tris溶液，然后将硫代乙酸自组装单分子膜（SAMs）修饰后的金电极放入配置好的DNA的Tris溶液中静置24 h。然后取出用水冲洗后即得到含有Au/硫醇/DNA双层膜（Hybrid Bilayer Membranes，HBMs）的硫代乙酸自组装层膜修饰电极（DNA/SAM/Au），再依次用无水乙醇、双蒸水冲洗，以除去表面物理吸附的分子，然后用高纯N2吹干表面溶剂，立即进行电化学测试。测试溶液中含有相同浓度的Fe（CN）63-和Fe（CN）64-，测试前溶液通高纯N2以除去溶解氧。

2　结果与分析

2.1裸金电极电化学行为表征

Fe（CN）63-和Fe（CN）64-与DNA具有很强的相互作用。以此为指示剂来表征DNA修饰电极，结果表明，裸金电极在5 mmol/L的K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6溶液中表现出可逆的电化学行为（图1 a），其反应由Fe（CN）63-/ Fe（CN）64-的扩散所控制，循环伏安曲线呈现一对可逆的氧化还原峰，当金被自组装膜修饰后，在-0.2～0.8 V的扫描范围内Fe（CN）63-/Fe（CN）64-的氧化还原峰完全消失，并呈现倒“S”形的极化曲线。

2.2硫代乙酸自组装单分子膜修饰的金电极电化学行为表征

（a，裸金电极；b，巯基乙酸修饰电极；c，DNA修饰电极。）图1 DNA修饰电极在5 mmol/L K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6溶液中的循环伏安

硫代乙酸自组装单分子膜修饰的金电极在5mmol/L的K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6溶液中还原峰与氧化峰的差值明显降低，表现出可逆的电化学行为（图1 b），其反应由Fe（CN）63-/Fe（CN）64-的扩散所控制。结果表明，硫醇自组装膜对界面电子转移有强烈的阻碍作用，当电极表面修饰自组装膜后，Fe（CN）63-/Fe（CN）64-溶液中的循环伏安行为则由可逆变成了循环伏安曲线上的氧化峰与还原峰之间的间距减小，峰变平缓，电极反应的可逆性变差。

2.3Au/硫代乙酸/DNA混合双层膜修饰的金电极电化学行为表征

Au/硫代乙酸/DNA混合双层膜修饰的金电极在5 mmol/L的K3Fe（CN）6/K4Fe（CN）6溶液中的电化学行为，其反应仍由Fe（CN）63-/Fe（CN）64-的扩散所控制（图1）。结果表明，相比较硫代乙酸自组装单分子膜修饰的金电极曲线b而言，图象没有太大的变化，但当电位为0.3～0.8 V时，峰电流还是有所降低；-0.2～0.3 V时，峰电流有所升高；0.8 V时，电流与硫代乙酸自组装单分子膜修饰的金电极时的相同；0.3 V时，氧化还原峰电流达到一致；-0.2 V时，电流值增大到40 μA，电极反应的可逆性相比裸金电极明显变差。

3　小结与讨论

1）应用循环伏安法研究了硫代乙酸SAM修饰金电极，并利用二次自组装技术制备了Au/硫醇/DNA混合双层膜（HBMs）的金电极在含Fe（CN）63-/ Fe（CN）64-溶液中的电化学行为，并对其进行了表征。结果表明，硫代乙酸自组装单分子膜使DNA和可能与DNA相互作用的生物物质避免了与金电极表面的直接接触，从而防止可能发生的变性，同时利用自组装单分子膜对电极的封闭作用，可以消除由吸附产生的对金属电极的毒化。无“针孔”缺陷的SAM修饰电极在Fe（CN）63-/Fe（CN）64-溶液中表现出倒“S”形的极化曲线，还原峰与氧化峰差值较大；硫代乙酸自组装单分子膜修饰的金电极在Fe（CN）63-/Fe（CN）64-溶液中，曲线平缓，还原峰与氧化峰差值小，电极反应的可逆性变差，这种现象可能与自组装膜自身的膜电阻有关。

2）由于膜电阻的存在，使测得的电极电位包括了在膜上的电位降。当膜的电阻足够大时，几乎所有的电位降都集中在膜上，这时所表现出来的CV行为将主要反映膜的电阻随电位变化特性［8］。Au /硫代乙酸/ DNA混合双层膜修饰的金电极在Fe（CN）63-/Fe（CN）64-溶液中曲线平缓，与硫代乙酸自组装单分子膜修饰的金电极相比，图象没有太大的变化，但峰电流有所降低。这可能是因为由于SAM的结构特点，使其为DNA的固定提供了一个稳定、均一、反应位点多的理想表面，并可根据不同的需要，提供不同官能团的表面，SAM 使DNA和可能与DNA相互作用的生物物质避免与电极表面的直接接触，从而可以防止可能发生的变性。同时利用SAM对电极的封闭作用，可以消除由吸附产生的对金属电极的毒化。采用在金表面先修饰硫代乙酸SAM，再自组装Au/硫醇/DNA混合双层膜（HBMs）是可靠和较理想的DNA修饰电极的制备方法，制备的DNA修饰电极将在电化学基因传感器和DNA与其他分子的相互作用研究等方面有应用价值。

参考文献：

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［6］汪海燕，杨绳岩，王世君.界面可控硫醇SAMs纳米金修饰金电极的电化学行为研究［J］.分析测试学报，2012，31（7）：868-872.

［7］李俊新，崔晓丽，童汝亭.金上硫醇自组装膜研究进展［J］.河北师范大学学报（自然科学版），2000，26 （2）：233-236.

［8］崔晓丽，蒋殿录，李俊新，等.硫醇在金电极上的SA单分子层膜的电化学研究［J］.高等学校化学学报，1999，20（5）：800-802.

（本文责编：杨杰）

作者简介：张环（1979—），女，甘肃会宁人，实验师，主要从事分析化学及农产品质量检测研究工作。联系电话：（0）13919859386。E-mail：bxy0516@sina.com。

收稿日期：2015-05-27；

修订日期：2015-06-11

doi：10.3969/j.issn.1001-1463.2015.09.008

中图分类号：O657.1

文献标识码：A

文章编号：1001-1463（2015）09-0021-03