1、槲皮素在多壁碳纳米管修饰碳糊电极上的电化学行为及其与脱氧核糖核酸的相互作用 尚永辉 孙家娟 周琴 毛茹 商娟 咸阳师范学院化学与化工学院 摘 要： 采用循环伏安法和差分脉冲伏安法研究了槲皮素在多壁碳纳米管修饰碳糊电极上的电化学行为。结果表明:槲皮素多壁碳纳米管修饰碳糊电极上均能产生一对氧化还原峰, 氧化峰电位和还原峰电位分别为 0.488, 0.348V, 氧化峰电流是裸多壁碳纳米管修饰碳糊电极氧化峰电流的 5.3 倍, 多壁碳纳米管对槲皮素有良好的催化作用。槲皮素在修饰电极上的电化学反是 2 质子, 2 电子反应过程。采用中性红为探针研究了槲皮素与脱氧核糖核酸之间的相互作用, 结果表明两者可
2、通过嵌插方式相结合。关键词： 槲皮素; 多壁碳纳米管; 碳糊电极; 脱氧核糖核酸; 作者简介：尚永辉 (1978-) , 男, 陕西宝鸡人, 副教授, 博士, 主要从事药物分析与化学计量学研究, 收稿日期：2016-11-12基金：国家自然科学基金 (21475113) Electrochemical Behavior of Quercetin on Multi-Walled Carbon Nanotubes Modified Carbon Paste Electrode and Interaction between Querectin with DNASHANG Yonghui SUN J
3、iajuan ZHOU Qin MAO Ru SHANG Juan School of Chemistry and Chemical Engineering, Xianyang Normal University; Abstract： The electrochemical behavior of quercetin on multi-walled carbon nanotubes modified carbon paste electrode was studied by cyclic voltammetry and differential pulse voltammetry.It was
4、 found that the modified electrode could produce a pair of redox peaks, and potential of anodic peak and cathodic peak were 0.488, 0.348 V, respectively.Anodic peak current at the modified electrode was 5.3 times that of anodic peak current of the bare modified electrode.Multi-walled carbon nanotube
5、s for quercetin had good catalytic activity.The electrode process was 2 protons and 2 electrons reaction.The interaction between quercetin and DNA using neutral red as a probe is mainly attributed to the embed mode.Keyword： quercetin; multi-walled carbon nanotube; carbon past electrode; DNA; Receive
6、d： 2016-11-12槲皮素又称槲皮黄素或枥精, 属黄酮类有机化合物, 广泛存在于蔬菜、水果以及谷类植物中, 具有祛痰、止咳、平喘, 降血脂、扩张冠状动脉和增加冠脉血流量等多种功效1。近年的研究发现:其在抗人类免疫缺陷病毒 (HIV) 以及抗癌等方面也具有一定的潜在药理作用, 特别在前列腺癌的治疗方面效果显著2。脱氧核糖核酸 (DNA) 是生物界遗传信息的数据库, 生物的发育和生命的基体机能正常运转是通过 DNA 来指导的, 同时 DNA 也是组成遗传命令的主体3。DNA是由很多组分组成的一条长链聚合物, 药物分子和 DNA 作用之后会改变 DNA 长链的序列, 从而在一定程度上改变了 D
7、NA 的性质。DNA 是抗癌药物分子在人体内作用的靶标物, 近年来, 药物分子与 DNA 作用的研究十分广泛。本工作探究了槲皮素在多壁碳纳米管修饰碳糊电极上的电化学行为, 并研究了槲皮素与 DNA 的相互作用。1 试验部分1.1 仪器与试剂CHI 660C 型电化学工作站;CH 2250 型电子天平;DZX-3 型真空干燥箱;KQ 520DE型数控超声波清洗器;三电极系统:多壁碳纳米管修饰碳糊电极为工作电极, Hg/Hg2Cl2为参比电极, 铂电极为辅助电极。槲皮素标准储备溶液:1.0010molL, 称取槲皮素 0.015 1g, 用热乙醇溶解后转移至 50mL 容量瓶中, 用无水乙醇定容,
8、 摇匀, 备用。DNA 溶液:604 mgL, 称取 DNA0.030 2g, 用水在 50 mL 烧杯里搅拌至完全溶解, 再转移至 50mL 容量瓶中, 用水定容, 摇匀, 备用。中性红溶液:1.0010molL, 称取中性红粉末 0.014 4g, 用水溶解, 转移至50mL 容量瓶中, 用水定容, 摇匀, 备用。试验用水为蒸馏水。1.2 试验方法1.2.1 电极的制备取石墨粉适量于研钵中, 逐滴加入液体石蜡适量并充分研磨至混合物呈有韧性的小片状, 夯实填充入 0.5mL 注射器中。将打磨后的铜丝从尾端插入作为电极的导线, 另一端打磨抛光至镜面, 制得裸碳糊电极。称取多壁碳纳米管粉末 5
9、mg 于试管中, 加入二甲基甲酰胺 (DMF) 适量, 用数控超声波超声分散 2h, 使其均匀分散, 制得多壁碳纳米管 DMF 悬浮液。移取上述悬浮液 10L, 滴至制备好的裸碳糊电极表面, 倒立放置, 自然晾干, 制得多壁碳纳米管修饰碳糊电极。1.2.2 电化学测定移取 pH 3.29 的 B-R 缓冲溶液 3.00 mL 于 10mL 比色管中, 加入槲皮素标准储备溶液适量, 用水定容至 10mL, 摇匀, 以多壁碳纳米管修饰碳糊电极为工作电极, 用三电极系统测定循环伏安曲线和差分脉冲曲线。2 结果与讨论2.1 槲皮素的电化学特性移取槲皮素标准溶液适量, 分别用裸碳糊电极和多壁碳纳米管修饰
10、碳糊电极作为工作电极, 按试验方法进行循环伏安扫描, 扫描速率为 0.30 Vs, 结果见图 1。图 1 不同电极的循环伏安图 Fig.1 CVs of different electrodes 下载原图1-无槲皮素的多壁碳纳米管修饰碳糊电极;2-3.0010-4 molL-1 槲皮素标准溶液在裸碳糊电极上;3-3.0010-4 molL-1 槲皮素标准溶液在多壁碳纳米管修饰碳糊电极上由图 1 可知:槲皮素在裸碳糊电极上产生一个较为明显的氧化峰, 无明显还原峰出现;槲皮素在多壁碳纳米管修饰碳糊电极上产生一对明显的氧化还原峰, 峰电位分别为 0.488, 0.348V, 且氧化峰的电流信号明显强
11、于裸碳糊电极上的氧化峰电流信号 (约为裸碳糊电极上电流信号的 5.3 倍) , 这表明多壁碳纳米管对槲皮素有很好的催化作用。2.2 试验条件的选择2.2.1 酸度试验考察了酸度对槲皮素电化学信号的影响。槲皮素在不同 pH 的 B-R 缓冲溶液中的循环伏安图见图 2, 槲皮素标准溶液的浓度为 2.0010molL, 扫描速率为 0.30Vs。图 2 槲皮素在不同 pH 的 B-R 缓冲溶液中的循环伏安图 Fig.2 CVs of quercetin in B-R buffer solution with different pH 下载原图曲线 19 对应的 pH 分别为 1.81, 3.29,
12、4.10, 5.02, 6.80, 7.96, 9.15, 10.38, 11.58由图 2 可知:随着 pH 增加, 槲皮素的氧化峰线性负移, 峰电位 (E p) 与 pH 的线性回归方程为 Ep=-0.066 42pH+0.747 4, 相关系数为 0.996 6, 表明有质子参与槲皮素在多壁碳纳米管修饰碳糊电极上的反应过程, 依据峰电位与 pH 之间的公式:式中:m 为质子转移数;E 0为标准电极电位;n 为电子转移数。计算得m/n=1.1221, 即 m=n, 表明该电极反应为等质子等电子参与过程4。pH 为 3.29 时, 槲皮素氧化峰电流最大, 峰形最佳, 试验选择反应体系的 pH
13、 为3.29。2.2.2 底液试验考察了槲皮素分别在 pH 为 3.29 的柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液、B-R 缓冲溶液、邻苯二甲酸氢钾-盐酸、乙酸-乙酸钠、磷酸氢二钠-柠檬酸缓冲溶液等 5 种底液中的电化学信号, 槲皮素标准溶液的浓度为 2.0010molL, 扫描速率为0.30Vs, 底液对电化学性质的影响见图 3。图 3 底液对电化学性质的影响 Fig.3 Effect of based liquid on electrochemical properties 下载原图1-B-R 缓冲溶液;2-柠檬酸-柠檬酸钠缓冲溶液;3-邻苯二甲酸氢钾-盐酸缓冲溶液;4-乙酸-乙酸钠缓冲溶液;5-磷酸氢
14、二钠-柠檬酸缓冲溶液由图 3 可知:槲皮素在 pH 3.29 的 B-R 缓冲溶液中氧化峰电流最大, 峰形最好。试验选择 pH 为 3.29 的 B-R 缓冲溶液为底液。2.2.3 扫描速率移取 1.0010molL 槲皮素标准储备溶液 2.00mL 于 pH 3.29 的 B-R 缓冲溶液中, 用多壁碳纳米管修饰碳糊电极为工作电极, 在最佳电位下改变扫描速率, 记录循环伏安曲线, 扫描速率对电化学性质的影响见图 4。由图 4 可知:随扫描速率增加, 槲皮素的氧化峰电流逐渐增加, 峰电位逐渐正移。试验选择扫描速率为 0.30Vs。试验还发现, 0.488V 左右的氧化峰电流与其对应的扫描速率呈
15、线性关系, 线性回归方程为 I=-18.81 v-3.903, 相关系数为 0.997 0。这表明槲皮素在修饰电极表面的电极反应受吸附控制。图 4 扫描速率对电化学性质的影响 Fig.4 Effect of scanning rates on electrochemical properties 下载原图曲线 18 对应的扫描速率分别为 0.05, 0.10, 0.15, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, 0.40Vs-1氧化峰电位对扫描速率的线性回归方程为 Ep=0.022 3lnv+0.478 6, 相关系数为0.996 5。根据公式 (2) :式中: 为电子转移系数;k 为
16、电极反应速率常数;F 为法拉第常数;E p为标准峰电位;R 为摩尔气体常数;T 为热力学温度。 取 0.55, 得到 n=2.302, 结合 2.2.1 节电极反应为等质子等电子参与过程, 可知槲皮素在多壁碳纳米管修饰碳糊电极上的电化学反应过程为 2 质子 2 电子参与转移的过程, 槲皮素在多壁碳纳米管修饰碳糊电极上的电极反应过程见图 5。图 5 电极反应过程 Fig.5 Process of electrode reaction 下载原图根据文献6可知:在循环伏安曲线上观察到槲皮素在约 0.88V 和约 0.20V 处的较小的峰电流 (I p) 可能是槲皮素结构式中 C3 位上的-OH 反应
17、引起的。2.3 标准曲线及检出限按试验方法测定了槲皮素标准溶液系列的差分脉冲曲线, 结果表明:槲皮素的浓度在 5.00105.0010molL 内与其对应的差分脉冲伏安电流呈线性关系, 线性回归方程为-i=8 472 c+8.720, 相关系数为 0.999 7, 检出限为2.0010molL。2.4 槲皮素与 DNA 的相互作用2.4.1 槲皮素与 DNA 相互作用的电化学方法移取 pH 3.29 的 B-R 缓冲溶液 2.00mL 于比色管中, 加入一定量的1.0010molL 槲皮素标准储备溶液和一定量的 DNA 溶液, 用水定容至 10mL, 摇匀, 静置 60 min, 使其充分反应
18、。以多壁碳纳米管修饰电极为工作电极的三电极系统进行测定, 记录循环伏安曲线和差分脉冲曲线, DNA 对槲皮素电化学行为的影响见图 6。图 6 DNA 对槲皮素电化学行为的影响 Fig.6 Effect of DNA on electrochemical behavior of quercetin 下载原图曲线 15 对应的 DNA 的质量浓度依次为 0, 30.2, 60.4, 121, 302mgL-1由图 6 (a) 可知:随着 DNA 质量浓度的增加, 槲皮素的氧化峰、还原峰电流均依次减小, 其中氧化峰逐渐正移, 还原峰逐渐负移, 氧化峰正移程度大于还原峰负移程度, 表明随着 DNA 的
19、加入, 槲皮素峰电位明显正移。根据文献7总结的相互作用规律, 推测槲皮素主要通过嵌入方式与 DNA 产生相互作用。图 6 (b) 也观察到一致的现象:随着 DNA 的加入, 峰电流减小了 21.1% (曲线 15) , 峰电位正移了 13 mV (曲线 1 的 0.410 V 到曲线 5 的 0.423V) 。从结构上看:槲皮素的主体结构有 5 个羟基, 属亲水基团, 易与 DNA 上的碱基对发生相互作用。2.4.2 以中性红为探针研究槲皮素与 DNA 的相互作用中性红能与 DNA 发生嵌插作用8。为了进一步探究槲皮素与 DNA 的相互作用过程, 试验以中性红为探针进行研究。在 pH 3.29
20、 的 B-R 缓冲溶液中, 分别加入一定量的中性红溶液, 中性红与 DNA 的混合溶液, 中性红、DNA 和槲皮素的混合溶液, 分别静置反应 30min 后, 按试验方法以多壁碳纳米管修饰碳糊电极为工作电极测定差分脉冲曲线和紫外-可见吸收光谱。中性红、DNA 及槲皮素反应的差分脉冲曲线和紫外-可见吸收光谱见图 7。图 7 中性红、DNA 及槲皮素反应的差分脉冲曲线和紫外-可见吸收光谱 Fig.7 DPVs and UV-Vis adsorption spectra of neutral red, DNA dn quercetin 下载原图1-2.0010-5 molL-1 中性红溶液;2-1+
21、60.4mgL-1 DNA 溶液;3-2+5.0010-5 molL-1 槲皮素标准溶液由图 7 (a) 可知:中性红在-0.268V 处具有一灵敏的氧化峰 (曲线 1) ;加入 DNA后, 由于中性红与 DNA 的结合导致体系中中性红的浓度降低, 从而使中性红氧化峰电流随之降低 (曲线 2) ;当体系中加入槲皮素后, 中性红的峰电流又明显增强 (曲线 3) 。图 7 (b) 也得到了相同的试验结果。这应该是由于槲皮素、中性红两者与 DNA 的相互作用过程具有相同的作用方式和作用位点。混合溶液中槲皮素与中性红相互竞争与 DNA 相结合, 加入的槲皮素通过竞争导致插进DNA 双链的碱基对中的中性
22、红分子被游离出来, 因此体系中游离的中性红浓度增加, 导致中性红的氧化峰电流和吸光度增加。据此可以判断槲皮素与中性红类似能有效插进 DNA 双链的碱基对中, 与 DNA 发生嵌插作用的结合。本方法灵敏度高、检出限低, 可作为槲皮素测定的新方法。参考文献1孙涓, 余世春.槲皮素的研究进展J.现代中药研究与实践, 2011, 25 (3) :85-88. 2翟广玉, 马海英, 郜蕾.槲皮素及其衍生物的抗肿瘤活性研究进展J.化学试剂, 2015, 37 (2) :97-103. 3黄振兴, 李晨晨, 金旭琴, 等.除藻剂新洁尔灭与鲱鱼精子 DNA 的相互作用J.环境化学, 2016, 35 (8)
23、:1636-1641. 4ZHU Y H, ZHANG Z L, PANG D W.Electrochemical oxidation of theophylline at multi-wall carbon nanotube modified glassy carbon electrodesJ.Journal of Electroanalytical Chemistry, 2005, 581 (2) :303-309. 5李玲, 王娟, 刘计敏, 等.L-半胱氨酸/纳米金/DNA/壳聚糖修饰金电极测定布洛芬J.分析科学学报, 2016, 32 (5) :644-648. 6余从立.槲皮素的电分析与电氧化机理研究D.合肥:合肥工业大学, 2006. 7CARTER MICHAEL T, BARD ALLEN J.Voltammetric studies of the interaction of tris (1, 10-phenanthroline) cobalt (III) with DNAJ.J Am Chem Soc, 1987, 109 (24) :7528-7530. 8杨昌英, 汪鋆植, 代忠旭, 等.以中性红为电化学探针考察根皮苷、根皮素与 DNA 的作用J.天然产物研究与开发, 2009 (21) :221-224.
