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) Copyright © 2013 Hanspub 17 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) Copyright © 2013 Hanspub 18 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 a a b 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。 参考文献 (References) [1] G. Z. Zou, H. X. Ju. Electrogenerated chemiluminsecence from a CdSe nanocrystal film and its sensing application in aqueous solution. Analytical Chemistry, 2004, 76(23): 6871-6876. [2] X. F. Wang, Y. Zhou, J. J. Xu, H. Y. Chen. Signal-On Electro- chemiluminescence Biosensors Based on CdS–Carbon Nanotube Nanocomposite for the Sensitive Detection of Choline and Ace- tylcholine. Advanced.Functional.Materials. 2009, 19(9): 1444. [3] Y. Shan, J. J. Xu, H. Y. Chen. Distance-Dependent Quenching and Enhancing of Electrochemiluminescence from CdS: Mn Nanocrystals Film by Au Nanoparticles for highly sensitive de- tection of DNA. Chemical Communications, 2009, 905 -907. [4] (a) G. F. Jie, B. Liu, H. C. Pan, J. J. Zhu, H. Y. Chen. CdS Nanocrystal-Based Electrochemiluminescence Biosensor for the Detection of Low-Density Lipoprotein by Increasing Sensitivity with Gold Nanoparticle Amplifiction. Analytical Chemistry. 2007, 79(15): 5574-5581. [5] (b) G. F. Jie, J. J. Zhang, D. C. Wang, C. Cheng, H. Y. Chen, J. J. Zhu. Electrochemiluminescence immunosensor based on CdSe nanocomposites. Anallytical Chemistry, 2008, 80, 4033. [6] L. P. Lu, L. H. Xu, T. F. Kang, S. Y. Cheng. Investigation of DNA damage treated with perfluorooctane sulfonate (PFOS) on ZrO2/DDAB active nano-order film. Biosensors and Bioelec- tronics, 2012, 35(1): 180-185. [7] L. H. Xu. Investigation of DNA damage treated with per- fluorooctane sulfonte(PFOS) using electrochemical and electro- chemiluminescence sensors. Beijing University of Technology, 2012. Copyright © 2013 Hanspub 19 |