CN104634853A - 一种检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，使用三电极体系通过示差脉冲伏安法对样品溶液中的丙烯酰胺进行检测，根据丙烯酰胺的示差脉冲伏安曲线得到样品溶液中丙烯酰胺的浓度，其中，所述三电极体系中的工作电极为氨基化石墨烯和单链DNA修饰的电极。本发明还提供了检测溶液中丙烯酰胺浓度的具体步骤以及工作电极的制备方法，能够快速并定量检测溶液中丙烯酰胺的含量，对丙烯酰胺的检测限可达到5.1×10-8mol/L。
Description
技术领域
本发明属于化学检测技术领域，具体涉及一种检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法。
背景技术
丙烯酰胺在体内和体外试验均表现有致突变作用，可引起哺乳动物体细胞和生殖细胞的基因突变和染色体异常，如微核形成、姐妹染色单体交换、多倍体、非整倍体和其他有丝分裂异常等，显性致死试验阳性。并证明丙烯酰胺的代谢产物环氧丙酰胺是其主要致突变活性物质。动物试验研究发现，丙烯酰胺可致大鼠多种器官肿瘤，包括乳腺、甲状腺、睾丸、肾上腺、中枢神经、口腔、子宫、脑下垂体等。国际癌症研究机构(IARC)1994年对其致癌性进行了评价，将丙烯酰胺列为2类致癌物(2A)即人类可能致癌物，其主要依据为丙烯酰胺在动物和人体均可代谢转化为其致癌活性代谢产物环氧丙酰胺。因此，丙烯酰胺的分析检测显得尤为重要。迄今为止，丙烯酰胺的检测方法主要有高效液相色谱法、液相色谱耦合质谱法、荧光光谱法等。但这些方法有前处理过程繁琐、分析时间长、仪器及药品成本高等不足。因此，建立简单、快速且灵敏度高的丙烯酰胺检测方法逐渐成为研究重点。
近年来，氨基化石墨烯作为一种新型碳材料，引起多个研究领域的广泛关注。与传统的石墨烯相比，氨基化石墨烯量子点具有十分优越的物理化学性质，如：较大的比表面积、生物相容性好、电子传递性能强、良好的热稳定性等。这些优越的电学性质使氨基化石墨烯广泛应用于生化分析检测领域，并发挥了巨大的应用潜力。
丙烯酰胺进入体内后，会在体内与DNA上的鸟嘌呤结合形成加合物，导致基因突变等遗传物质损伤。所以可以以单链DNA作为传感平台，利用电化学技术检测丙烯酰胺，但迄今为止，将氨基化石墨烯与单链DNA修饰玻碳电极用于丙烯酰胺检测的相关报道仍未见。
针对以上问题，我们研究了一种基于氨基化石墨烯和单链DNA修饰玻碳电极检测丙烯酰胺的新方法，该方法操作简单、检测快速且灵敏度高，能进行丙烯酰胺的高灵敏识别。
发明内容
作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，本发明的发明人已经发现，丙烯酰胺会与DNA上的鸟嘌呤结合形成加合物，这有助于提高检测丙烯酰胺的灵敏度。基于这种发现，完成了本发明。
本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，其能够快速并定量检测溶液中丙烯酰胺的含量，对丙烯酰胺的检测限可达到5.1×10-8mol/L。
本发明还有一个目的是提供工作电极的制备方法，制备氨基化石墨烯和单链DNA修饰的电极。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，
使用三电极体系通过示差脉冲伏安法对样品溶液中的丙烯酰胺进行检测，根据丙烯酰胺的示差脉冲伏安曲线得到样品溶液中丙烯酰胺的浓度，其中，所述三电极体系中的工作电极为氨基化石墨烯和单链DNA修饰的电极。
优选的是，所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、制备工作电极，配制多份不同浓度的丙烯酰胺标准溶液；
步骤二、采用所述工作电极搭建三电极体系，利用示差脉冲伏安法，分别测量并记录多份丙烯酰胺标准溶液的示差脉冲伏安曲线，在此过程中记录每份丙烯酰胺标准溶液的电流强度峰值；
步骤三、以步骤二得到的每份丙烯酰胺标准溶液的电流强度峰值与不含丙烯酰胺的标准溶液的电流强度峰值的差值作为纵坐标，以每份丙烯酰胺标准溶液的浓度为横坐标，绘制标准曲线并计算线性方程；
步骤四、按照所述步骤二的方法测量并记录待检测溶液的示差脉冲伏安曲线，并将该示差脉冲伏安曲线的电流强度峰值与不含丙烯酰胺的标准溶液的电流强度峰值的差值代入到所述线性方程中，即可得到待检测溶液中丙烯酰胺的浓度。
优选的是，所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，具体包括以下步骤：
步骤1、制备工作电极，配制丙烯酰胺浓度为0mol/L、0.75×10-7mol/L、1.5×10-7mol/L和2.25×10-7mol/L的标准溶液；
步骤2、采用所述工作电极搭建三电极体系，利用示差脉冲伏安法，分别测量并记录四份丙烯酰胺标准溶液的示差脉冲伏安曲线，在此过程中记录每份丙烯酰胺标准溶液的电流强度峰值；
步骤3、以步骤2得到的四份丙烯酰胺标准溶液的电流强度峰值与丙烯酰胺浓度为0mol/L的标准溶液的电流强度峰值的差值作为纵坐标，以每份丙烯酰胺标准溶液的浓度为横坐标，绘制标准曲线并计算线性方程；
步骤4、按照所述步骤二的方法测量并记录待检测溶液的示差脉冲伏安曲线，并将该示差脉冲伏安曲线的电流强度峰值与丙烯酰胺浓度为0mol/L的标准溶液的电流强度峰值的差值代入到所述线性方程中，即可得到待检测溶液中丙烯酰胺的浓度。
优选的是，所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，所述三电极体系中的参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂电极。
优选的是，所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，所述丙烯酰胺标准溶液的溶剂为pH为7.0，浓度为0.2mol/L的磷酸缓冲溶液。
优选的是，所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，所述示差脉冲伏安曲线的测量参数为：
初始电位为0.5V，终止电位为0.8V，电位增量为0.004V，方波频率为50Hz，方波幅度为0.05V，等待时间为10s。
优选的是，所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，所述工作电极的制备方法包括以下步骤：
步骤a、对玻碳电极进行预处理；
步骤b、取氨基化石墨烯溶于水，超声混合，得到混合液，取5μL混合液滴到步骤a得到的玻碳电极表面，然后红外干燥烘干，冷却至室温备用；
步骤c、取5μL单链DNA滴至步骤b得到的电极表面，在5℃下冷冻4h，干燥，即得所述工作电极。
优选的是，所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，所述步骤a中，对玻碳电极进行预处理方法为：将玻碳电极在抛光布上依次用粒度为1.0μm、0.3μm和0.05μm的抛光粉打磨，然后用超纯水清洗。
优选的是，所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，在所述步骤b之前，还包括：将玻碳电极依次在丙酮、0.5M硫酸溶液和超纯水中各超声3min，每次超声后均用超纯水清洗。
优选的是，所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，所述单链DNA的序列为5’-AAA AAA AAG GAA AAA AAA-(CH2)6-SH-3’。
本发明至少包括以下有益效果：
鸟嘌呤能与丙烯酰胺作用，两者结合可以使鸟嘌呤氧化强度改变，利用示差脉冲伏安测试鸟嘌呤氧化信号的变化可以用来检测检测丙烯酰胺的浓度。本发明设计在玻碳电极修饰氨基化石墨烯，从而增大了电极的表面积，利用滴加修饰方法，单链DNA可以与带正电荷的氨基化石墨烯通过静电相互作用吸附于电极表面，使单链DNA成功修饰于电极上，因单链DNA中含有鸟嘌呤，在进行空白溶液测试时，具有强的电化学信号，当加入丙烯酰胺溶液后，丙烯酰胺与鸟嘌呤作用，使得电化学信号改变，通过信号的变化即可测量丙烯酰胺的浓度。该方法操作简单、检测快速且灵敏度高，能进行丙烯酰胺的高灵敏识别
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的各标准溶液的示差脉冲伏安曲线；
图2为本发明的一个实施例的标准曲线；
图3为本发明比较例1和比较例2中得到的示差脉冲伏安曲线；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
电化学工作站：CHI760E；
三电极体系：工作电极为经氨基化石墨烯和单链DNA修饰的电极，辅助电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl电极；其中，单链DNA的序列为5’-AAAAAAAAGGAAAAAAAA-(CH2)6-SH-3’。
缓冲溶液：pH值为7.0，0.2mol/L磷酸缓冲溶液；
标准储备溶液：2×10-4mol/L标准丙烯酰胺溶液；用缓冲溶液稀释标准储备溶液可得到所需浓度的丙烯酰胺标准溶液；
玻碳电极在修饰前的处理：在抛光布上分别用1.0μm，0.3μm，0.05μm的抛光粉打磨电极，超纯水冲洗，分别在丙酮、0.5M硫酸，超纯水中超声约3min，超声后每次用超纯水清洗；
玻碳电极的修饰：称取氨基化石墨烯，将其溶于水并超声混合，得到混合液，取5μL混合液滴到打磨好的电极表面，对玻碳电极进行修饰，然后红外干燥烘干，冷却至室温备用。
取5μL单链DNA滴至已修饰氨基化石墨烯的玻碳电极，于5℃冷冻4h，干燥，即得。
测定方法：将工作电极、参比电极和辅助电极分别固定在上述标准溶液中，设定初始电位为0.5V，终止电位为0.8V，然后设置如下脉冲参数：电位增量为0.004V，方波频率为50Hz，方波幅度为0.05V，等待时间为10s。
如图1为示差脉冲伏安曲线，其中曲线a、b、c、d分别为丙烯酰胺浓度为0mol/L、0.75×10-7mol/L、1.5×10-7mol/L和2.25×10-7mol/L的标准溶液的示差脉冲伏安曲线。用0mol/L、0.75×10-7mol/L、1.5×10-7mol/L和2.25×10-7mol/L的标准溶液的电流强度峰值分别减去0mol/L标准溶液的峰值电流，得到四个电流强度峰值差值。以电流强度峰值差值(I-I0)为纵坐标，以每份丙烯酰胺标准溶液的浓度(c)为横坐标，绘制标准曲线并计算线性方程，图2为丙烯酰胺的标准工作曲线，线性方程：Y＝0.08+0.26X，式中Y为电流强度峰值差值，单位为μA，X为丙烯酰胺浓度，单位为10-7mol/L，相对线性R2为0.907。由图可知，修饰电极对丙烯酰胺的检测限为5.1×10-8mol/L。
检测待测溶液中丙烯酰胺的浓度：首先测量待测溶液的示差脉冲伏安曲线，从示差脉冲伏安曲线读出电流强度峰值减去0mol/L标准溶液的电流强度峰值，即得到Y值，将Y带入线性方程即可解出X，即为溶液中丙烯酰胺的浓度。
比较例1
电化学工作站：CHI760E；
三电极体系：工作电极为未修饰的玻碳电极，辅助电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl电极；
缓冲溶液：pH值为7.0，0.2mol/L磷酸缓冲溶液；
标准储备溶液：2×10-4mol/L标准丙烯酰胺溶液；用缓冲溶液稀释标准储备溶液可得到所需浓度的丙烯酰胺标准溶液；
玻碳电极的处理：在抛光布上分别用1.0μm，0.3μm，0.05μm的抛光粉打磨电极，超纯水冲洗，分别在丙酮、0.5M硫酸，超纯水中超声约3min，超声后每次用超纯水清洗，室温干燥即为工作电极；
测定方法：将工作电极、参比电极和辅助电极分别固定在上述溶液中，设定初始电位为0.5V，终止电位为0.8V，然后设置如下脉冲参数：电位增量为0.004V，方波频率为50Hz，方波幅度为0.05V，等待时间为10s。测量并记录示差脉冲伏安曲线。
图3(a)为未修饰的玻碳电极对丙烯酰胺浓度为0mol/L的标准溶液的示差脉冲伏安曲线。图3(b)为未修饰的玻碳电极对丙烯酰胺浓度为0.75×10-7mol/L的标准溶液的示差脉冲伏安曲线。由两图可知，丙烯酰胺对未修饰的玻碳电极不产生影响，未修饰的玻碳电极不能用于检测丙烯酰胺。
比较例2
电化学工作站：CHI760E；
三电极体系：工作电极为经氨基化石墨烯和单链DNA修饰的玻碳电极或未修饰的玻碳电极，辅助电极为铂电极，参比电极为Ag/AgCl电极；
缓冲溶液：pH值为7.0，0.2mol/L磷酸缓冲溶液；
标准储备溶液：2×10-4mol/L标准丙烯酰胺溶液；用缓冲溶液稀释标准储备溶液可得到所需浓度的丙烯酰胺标准溶液；
玻碳电极在修饰前的处理：在抛光布上分别用1.0μm，0.3μm，0.05μm的抛光粉打磨电极，超纯水冲洗，分别在丙酮、0.5M硫酸，超纯水中超声约3min，超声后每次用超纯水清洗；
玻碳电极的修饰：称取氨基化石墨烯，将其溶于水并超声混合，得到混合液，取5μL混合液滴到打磨好的电极表面，对玻碳电极进行修饰，然后红外干燥烘干，冷却至室温备用。
取5μL单链DNA滴至已修饰氨基化石墨烯的玻碳电极，于5℃冷冻4h，干燥即可备用。
测定方法：将工作电极、参比电极和辅助电极分别固定在上述标准溶液中，设定初始电位为0.5V，终止电位为0.8V，然后设置如下脉冲参数：电位增量为0.004V，方波频率为50Hz，方波幅度为0.05V，等待时间为10s。
图3(c)为氨基化石墨烯与单链DNA修饰的玻碳电极对丙烯酰胺浓度为0mol/L的标准溶液的示差脉冲伏安曲线，与图3(a)有较大不同，表明氨基石墨烯和单链DNA已成功修饰在玻碳电极上。图1(b)、图1(c)和图1(d)与图3(c)或图1(a)的峰值电流相比更小，而且随着丙烯酰胺浓度的增加，峰值电流减小，说明丙烯酰胺能与电极表面的单链DNA发生作用，而且有规律地影响峰值电流，表明修饰后的电极能够用于检测溶液中丙烯酰胺的浓度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。
Claims (10)
1.一种检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，其特征在于，
使用三电极体系通过示差脉冲伏安法对样品溶液中的丙烯酰胺进行检测，根据丙烯酰胺的示差脉冲伏安曲线得到样品溶液中丙烯酰胺的浓度，其中，所述三电极体系中的工作电极为氨基化石墨烯和单链DNA修饰的电极。
2.如权利要求1所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、制备工作电极，配制多份不同浓度的丙烯酰胺标准溶液；
步骤二、采用所述工作电极搭建三电极体系，利用示差脉冲伏安法，分别测量并记录多份丙烯酰胺标准溶液的示差脉冲伏安曲线，在此过程中记录每份丙烯酰胺标准溶液的电流强度峰值；
步骤三、以步骤二得到的每份丙烯酰胺标准溶液的电流强度峰值与不含丙烯酰胺的标准溶液的电流强度峰值的差值作为纵坐标，以每份丙烯酰胺标准溶液的浓度为横坐标，绘制标准曲线并计算线性方程；
步骤四、按照所述步骤二的方法测量并记录待检测溶液的示差脉冲伏安曲线，并将该示差脉冲伏安曲线的电流强度峰值与不含丙烯酰胺的标准溶液的电流强度峰值的差值代入到所述线性方程中，即可得到待检测溶液中丙烯酰胺的浓度。
3.如权利要求2所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、制备工作电极，配制丙烯酰胺浓度为0mol/L、0.75×10-7mol/L、1.5×10-7mol/L和2.25×10-7mol/L的标准溶液；
步骤2、采用所述工作电极搭建三电极体系，利用示差脉冲伏安法，分别测量并记录四份丙烯酰胺标准溶液的示差脉冲伏安曲线，在此过程中记录每份丙烯酰胺标准溶液的电流强度峰值；
步骤3、以步骤2得到的四份丙烯酰胺标准溶液的电流强度峰值与丙烯酰胺浓度为0mol/L的标准溶液的电流强度峰值的差值作为纵坐标，以每份丙烯酰胺标准溶液的浓度为横坐标，绘制标准曲线并计算线性方程；
步骤4、按照所述步骤二的方法测量并记录待检测溶液的示差脉冲伏安曲线，并将该示差脉冲伏安曲线的电流强度峰值与丙烯酰胺浓度为0mol/L的标准溶液的电流强度峰值的差值代入到所述线性方程中，即可得到待检测溶液中丙烯酰胺的浓度。
4.如权利要求1-3任一所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，所述三电极体系中的参比电极为Ag/AgCl电极，辅助电极为铂电极。
5.如权利要求2或3所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，其特征在于，所述丙烯酰胺标准溶液的溶剂为pH为7.0，浓度为0.2mol/L的磷酸缓冲溶液。
6.如权利要求2或3所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，其特征在于，所述示差脉冲伏安曲线的测量参数为：
初始电位为0.5V，终止电位为0.8V，电位增量为0.004V，方波频率为50Hz，方波幅度为0.05V，等待时间为10s。
7.如权利要求2或3所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，其特征在于，所述工作电极的制备方法包括以下步骤：
步骤a、对玻碳电极进行预处理；
步骤b、取氨基化石墨烯溶于水，超声混合，得到混合液，取5μL混合液滴到步骤a得到的玻碳电极表面，然后红外干燥烘干，冷却至室温备用；
步骤c、取5μL单链DNA滴至步骤b得到的电极表面，在5℃下冷冻4h，干燥，即得所述工作电极。
8.如权利要求7所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，其特征在于，所述步骤a中，对玻碳电极进行预处理方法为：将玻碳电极在抛光布上依次用粒度为1.0μm、0.3μm和0.05μm的抛光粉打磨，然后用超纯水清洗。
9.如权利要求7所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，其特征在于，在所述步骤b之前，还包括：将玻碳电极依次在丙酮、0.5M硫酸溶液和超纯水中各超声3min，每次超声后均用超纯水清洗。
10.如权利要求1-3任一所述的检测溶液中丙烯酰胺浓度的方法，所述单链DNA的序列为5’-AAA AAA AAG GAA AAA AAA-(CH2)6-SH-3’。
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