CdSe量子点电化学发光检测全氟辛酸（PFOA）对DNA的损伤 DNA Damage due to PFOA Based on Electrochemiluminescence of CdSe Quantum Dot

doi:10.12677/AEP.2013.31B005

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Advances in Environmental Protection 环境保护前沿, 2013, 3, 17-19

doi:10.4236/aep.2013.31B005 Published Online March 2013 (http://www.hansp u b . o rg/journal/aep.html)

DNA Damage due to PFOA Based on

Electrochemiluminescence of CdSe Quantum Dot*

Meng Li, Liping Lu

College of Environmental and Energy Engineering , Be i j ing Univer s i t y of Technology No.100,Pingleyuan, Chaoyang Distr ic t , Beijing, China

Email: lipinglu@bjut.edu.cn

Received 2013

Abstract: A new electrochemiluminescence (ECL) sensor for detecting dsDNA damage induced by Perfluorooctanoic

Acid (PFOA) was presented in this paper. DNA was linked to the Au electrode by the S-Au bound, closed the electrode

by MCH and then carb ox yl gr oup of th e TGA- capp ed CdSe QDs was covalently conjugated to amino-DNA on the elec-

trode through EDC and NHS. The morphology of the modified electrode (CdSe/dsDNA/Au) was characterized by XPS.

Finally, in the presence of K 2S2O8 as coreactant, ECL emission of the modified electrode is measured. The results indi-

cate this design was effective for detection the DNA damage.

Keywords: ECL sensor; PFOA; DNA Damage; CdSe QDs

CdSe 量子点电化学发光检测全氟辛酸（PFOA）

对DNA 的损伤*

李萌，鲁理平

北京工业大学环境与能源工程学院，北京市朝阳区平乐园 100 号，100124

Email: lipinglu@bjut.edu.cn

收稿日期：2013

摘要：本文利用电化学发光方法研究了全氟辛酸(PFOA)对双链 dsDNA 的损伤，通过 S-Au 键将一端修饰巯基

的双链 dsDNA 连接到金电极(Au)表面，再利用 6-巯基己-1-醇（MCH）封闭电极表面，然后利用乙基-（3-二甲

基丙基）碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)催化另一端由氨基修饰的双链 dsDNA与羧基包裹的

硒化镉量子点结合，从而将硒化镉量子点连接到金电极表面，得到 CdSe/dsDNA/Au 电极。通过原子力显微镜、

X-射线光电子能谱等方法对电极表面进行表征，以过硫酸钾(K2S2O8)作为共反应剂，检测该 DNA 电化学传感器

的电化学发光强度在 PFOA 损伤前后的变化。

关键词：电化学发光；全氟辛酸；DNA损伤；硒化镉量子点

1 引言

近年来，由于电化学发光方法不仅具有化学发光

灵敏度高、线性范围宽、观察方便和仪器简单等优点，

而且具有电化学分析控制性强、选择性好等优点，已

应用于药物分析、环境分析、免疫分析和 DNA 分析

等方面。目前，纳米技术己经广泛渗透到化学、生物、

医学、材料、电子等学科领域，形成了一个融前沿基

础学科和高科技为一体的完整体系。半导体纳米晶

粒，即量子点是一种新兴的发光材料，有着独特的发

光性质和光学稳定性。电化学发光技术（ECL）己应

*国家自然科学青年基金（No.21005005），北京市教委科研计划

（No.KM201010005014），北京市科技新星（No. 2010B009）和北

京市人才强教中青年骨干（No.PHR20110818）

CdSe 量子点电化学发光检测全氟辛酸（PFOA）对 DNA 的损伤

用于量子点生物分析领域。Ju 等[1]构建了第一支量子

点ECL 传感器，基于 CdSe 量子点的阴极 ECL信号，

检测对象为共反应剂H2O2；Chen 等通过酶催化作用

生成 H2O2，构建了基于 CdS QDs ECL信号升高进行

胆碱和乙酰胆碱检测的双酶生物传感器[2]；基于金溶

胶纳米粒子与 Mn2+掺杂 CdS 量子点的相互作用，研

究组发展了基于量子点ECL 共振能量转移的 ECL

DNA 传感器[3];另外，CdS 和CdSe 量子点用于免疫传

感器的构建也有报道，利用S2O82-为共反应剂，通过

ECL 信号的降低可对蛋白质分子进行检测[4]。本文研

究了在金电极表面直接连接量子点帽化的双链DNA

的电化学发光传感器，利用量子点的电化学发光强度

变化研究 DNA 电荷传递作用的机理，进而研究持久

性有机污染物对 DNA 的损伤。研究中所制备的电极

可以直观的研究 DNA 的电荷传递作用，并且具有良

好的电化学发光性能，条件温和。

2 实验部分

2.1 DNA-ECL传感器的制备及 PFOS 损伤

滴加巯基修饰的 dsDNA将其自组装在洁净的金

电极表面，随后在量子点溶液中加入 EDC 和NHS 将

dsDNA/Au 电极浸入混合溶液中，反应 30 min。制得

QD-DNA/Au 电极。将该 QD-DNA/Au 电极浸泡在 100

µM PFOA溶液中损伤 30 min以测定其损伤。

2.2 电化学发光检测方法

将QD-DNA/Au 电极用超纯水冲洗干净，置于

0.1M PB (pH = 7.4) + 0.1M K2S2O8 + 0.1M KCl 溶液

中，将以铂丝为对电极，以甘汞电极为参比电极进行

循环伏安扫描，并用光电倍增管（PMT）收集光信号，

PMT 的电阻设置为 1 ，电位扫描范围为 0.8 V~ -1.8

V，扫描速度为 100 mV/s。

3 结果与讨论

3.1 电极界面的 X-射线光电子能谱表征

图1是电极表面修饰层的 XPS 光谱分析图。如图

1所示，在dsDNA/Au 的XPS 光谱分析图(a)(b)中分别

出现了 N、P元素的特征峰，表明 dsDNA 已经修饰到

金电极表面；在QDs/dsDNA/Au的XPS 光谱分析图

(c)(d)中分别出现了 Se、Cd 元素的特征峰，表明硒化

镉量子点已经修饰到 dsDNA/Au 电极的表面。

1.86E + 04

1.88E + 04

1.90E + 04

1.92E + 04

1.94E + 04

1.96E + 04

1.98E + 04

2.00E + 04

2.02E + 04

2.04E + 04

2.06E + 04

122124126128130132134136138140

Counts / s

Bi nding Energy (eV )

P2p Scan

C:\ DOCUME ~ 1\XP S \ LOCA LS ~ 1\ Temp\V GD118.t m p

P2p

3.30E +04

3.40E +04

3.50E +04

3.60E +04

3.70E +04

3.80E +04

392394396398400402404406408410

Counts / s

Bi ndi ng E nergy (eV)

N1s S can

C:\DOCUME~ 1\ XP S \LOCALS ~ 1\ Temp\ V GD117. t m p

N1s

3.00E + 03

4.00E + 03

5.00E + 03

6.00E + 03

7.00E + 03

8.00E + 03

9.00E + 03

1.00E + 04

1.10E + 04

4647484950515253545556575859606162636465

Counts / s

Bi ndi ng E nergy (eV)

Se3d S can

C:\ DOCUME ~ 1\ XP S \ LO CALS ~1\Temp\ V GD28D.tmp

Se3d

4.00 E +04

5.00 E +04

6.00 E +04

7.00 E +04

8.00 E +04

9.00 E +04

1.00 E +05

1.10 E +05

398400402404406408410412414416

Counts / s

Binding Energy ( eV )

Cd3d Sc an

C:\DOCUME ~1\XPS\LOCA LS ~ 1 \ Temp\ VGD28B . tmp

Cd3d5

Figure 1. XPS of the dsDNA on the Au (a) (b), CdSe QDs on the dsDNA/Au (c)(d)

图 1. 金电极表面 dsDNA 的XPS(a)(b)；金电极表面 dsDNA 帽化量子点(c)(d)

CdSe 量子点电化学发光检测全氟辛酸（PFOA）对 DNA 的损伤

3.2 DNA损伤研究

3.2.1 电极的电化学发光

图2显示了电极 CdSe/dsDNA/Au (a) 的发光效果

以及 CdSe/dsDNA/Au (b) 经过100 µmol/L PFOA损伤

后的电化学发光效果。实验过程中选择过硫酸钾作为

共反应剂。由图中可知，经过 PFOA 的损伤后，电极

的发光效果较未损伤的有明显的减小。这可能是由于

PFOA 与dsDNA 形成加合物，从而阻碍了电荷的传

递，使得电极的发光减小。推测PFOA 与DNA 结合

是一种两步模式，首先是 PFOA 分子因疏水作用而被

插入到 DNA 沟槽中；其次由于 F元素具有强的电负

性插入到 G-C 碱基对，与碱基中的 H形成了 H-F 键[5]。

3.2.2 PFOA损伤时间的影响

图3显示了电极在 100 µmol/L PFOA中不同损伤

时间对 CdSe/dsDNA/Au 电极电化学发光强度的影响。

由图中可知，在 30 min之内，电极的发光强度随着电

极在 PFOA 中浸泡的时间增加而减小，这是因为

PFOA 与dsDNA 形成加合物，阻碍了电荷的传递，使

得发光强度的减弱[6]；随着时间的增加，发光强度趋

于稳定，由于 PFOA 对dsDNA的损伤达到饱和。

4 总结

实验中提供了一种利用量子点电化学发光考察

DNA 损伤的方法，通过对 CdSe/dsDNA/Au 电极在共

反应剂过硫酸钾的条件下考察电化学发光强度的变

化来研究全氟辛酸对DNA 的损伤。试验中制备的

-2.0 -1.5 -1.0 -0.50.00.51.0

-0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Voltage/V

Potential/V

Figure 2. ECL-potential curves of CdSe/dsDNA/Au (a) and PFOA-

CdSe/dsDNA/Au (b) in 0.1 M PB(pH = 7.4) + 0.1 M K2S2O8 + 0.1 M

KCl;

图 2. CdSe/dsDNA/Au (a)和在 PFOA中损伤的 CdSe/dsDNA/Au (b)

在 0.1 M PB(pH = 7.4) + 0.1 M K2S2O8 + 0.1 M KCl溶液中的电化

学发光图

2min5min10min 15min 20min 30min1h2h12h

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

ECL Inten sity/V

Time

Figure 3. ECL-potential curves of CdSe/dsDNA/Au incubated in

PFOA for different time, 100µmol/L PFOA in 0.1M PB(pH=7.4) +

0.1M K2S2O8 + 0.1M KCl

图 3. dsDNA/Au电极在 100 µmol/L PFOA中损伤不同时间的电化

学发光图

DNA 电化学传感器具有良好的电化学发光性能，条件

温和，此方法有望为研究环境污染物对DNA 的损伤

提供一个新的途径。

5 致谢

感谢国家自然科学青年基金（No. 21005005），北

京市教委科研计划（No. KM201010005014），北京市

科技新星（No. 2010B009）和北京市人才强教中青年

骨干（No. PHR20110818）的支持。

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