A Ratiometric Electrochemical Sensor Based on Silver Ion Interaction with DNA for the Detection of Silver Ion

doi:10.7503/cjcu20220202

Abstract

Abstract:

A ratiometric electrochemical sensor for detecting silver ion（Ag⁺） is proposed. Single-stranded DNA labeled with chromium metal organic framework（Cr-MIL-101 NH₂） is used as a signal probe（Cr-MOFs-SP）， and ferrocene formic acid in the electrolyte solution is used as an internal reference probe（Fc-RP）. In the presence of Ag⁺， the signal of Cr-MOFs can be detected. At the same time， the signal of ferrocene formic acid remained stable. Therefore， the Ag⁺ concentration can be monitored by the ratiometric response of I_Cr-MOFs-SP/I_Fc-RP. The proposed ratiometric biosensor can effectively eliminate the influence of the external environment and avoid electrochemical background signals， also improve the reproducibility， accuracy and sensitivity of detection. The DNA tetrahedral nanomaterials（NTH） with a three-dimensional structure can effectively eliminate the non-specific adsorption of DNA. The well-designed DNA NTH enhances mechanical rigidity， can increase the capture amount of Ag⁺ and the load of signal substances， and further improve the detection sensitivity. This ratiometric biosensor has a good selectivity for Ag⁺ detection， a wide linear range（0.1—100 nmol/L） and a low detection limit（33 pmol/L）. This sensor has been used for the determination of Ag⁺content in Dianchi Lake water samples with the recovery rate of 96.8%—103.0%， which shows that this sensor has potential practical application prospects.

Key words: Silver ion, Electrochemical sensor, Ratiometric type, Tetrahedron, Metal organic framework material

CLC Number:

O657.1

TrendMD:

LI Yulong, XIE Fating, GUAN Yan, LIU Jiali, ZHANG Guiqun, YAO Chao, YANG Tong, YANG Yunhui, HU Rong. A Ratiometric Electrochemical Sensor Based on Silver Ion Interaction with DNA for the Detection of Silver Ion[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220202.

Figures/Tables 13

References 40

1	Zhao C.， Qu K. G.， Song Y. J.， Xu C.， Ren J. S.， Qu X. G.， Chem.⁃Eur. J.， 2010， 16（27）， 8147—8154
2	Huy G. D.， Zhang M.， Zuo P.， Ye B. C.， Analyst， 2011， 136（16）， 3289—3294
3	Barriada J. L.， Tappin A. D.， Evans E. H.， Achterberg E. P.， Trac⁃Trends Anal. Chem.， 2007， 26（8）， 809—817
4	Jang K.， You J.， Park C.， Na S.， New J. Chem.， 2017， 41（4）， 1840—1845
5	Yang D. Y.， Zhou T.， Tu Y. F.， Yan J. L.， Microchim. Acta， 2021， 188（6）， 212
6	Gao Y. K.， Zhang C. M.， Yang Y. X.， Yang N.， Lu S. C.， You T. T.， Yin P. G.， J. Alloy. Compd.， 2021， 863， 158758
7	Yang J. R.， Dong P. F.， Wang Y. K.， Liu T. R.， Huang Y. Y.， Lei J. P.， Analyst， 2021， 146（6）， 1859—1864
8	Chen P. P.， Sawyer E.， Sun K.， Zhang X. L.， Chen C.， Ying B. W.， Wei X. W.， Wu Z. Z.， Geng J.， Talanta， 2019， 201， 9—15
9	Wang G. K.， Shao C. W.， Yan C. L.， Li D.， Liu Y. F.， J. Lumines.， 2019， 210， 21—27
10	Ono A.， Cao S.， Togashi H.， Tashiro M.， Fujimoto T.， Machinami T.， Oda S.， Miyake Y.， Okamoto I.， Tanaka Y.， Chem. Commun， 2008， 39， 4825—4827
11	Wang Y. F.， Shan D. L.， Wu G. F.， Ru F.， Zhang X. H.， Li L. F.， Qian Y. X.， Lu X.Q.， Hung W.， Biosens. Bioelectron.， 2018， 106， 64—70
12	Zhu C. X.， Liu D.， Li Y. Y.， Shen X. L.， Li L. B.， Liu Y.， You T. Y.， Curr. Opin. Electrochem.， 2019， 17， 47—55
13	Xiao X.， Li C. C.， Liu Y. Z.， Feng Y. Q.， Han K.， Xiang H. Y.， Shi G. Y.， Gu H.， Analyst， 2021， 146（20）， 6202—6210
14	Liao Y. M.， Gao J. X.， Huang W. X.， Yuan R.， Xu W. J.， Biosens. Bioelectron， 2020， 195， 113662
15	Yu L. X.， Zhai R.， Gong X. Y.， Xie J.， Huang Z. J.， Liu M. Y.， Jiang Y.， Dai X. H.， Fang X.， Yu X. P.， Chin. J. Anal. Chem.， 2019， 47（11）， 1742—1750
16	Yao Y.， Wang G. X.， Shi X. J.， Li J. S.， Yang F. Z.， Cheng S. T.， Zhang H.， Dong H. W.， Guo Y. M.， Sun X.， Wu Y. X.， J. Mater. Sci.， 2020， 55（33）， 15975—15987
17	Qasem N. A. A.， Ben⁃Mansour R.， Habib M. A.， Appl. Energy， 2018， 210， 317—326
18	Sun L.， Park S. S.， Sheberla D.， Dinca M.， J. Am. Chem. Soc.， 2016， 138（44）， 14772—14782
19	Dou S.， Song J. J.， Xi S. B.， Du Y. H.， Wang J.， Huang Z. F.， Xu Z. C. J.， Wang X.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2019， 58（12）， 4041—4045
20	Liu T. Z.， Hu R.， Zhang X.， Zhang K. L.， Liu Y.， Zhang X. B.， Bai R. Y.， Li D. L.， Yang Y. H.， Anal. Chem.， 2016， 88（24）， 12516—12523
21	Lv S. Z.， Tang Y.， Zhang K. Y.， Tang D. P.， Anal. Chem.， 2018， 90（24）， 14121—14125
22	Dai W. L.， Mao P.， Liu Y.， Zhang S. Q.， Li B.， Yang L. X.， Luo X. B.， Zou J. P.， J. CO2 Util.， 2020， 36， 295—305
23	Han X. R.， Study on the Synthesis and Electrochemical Performance of Zinc Cobaltate Electrode Material， North University of China， Taiyuan， 2019
	韩兴荣. 钴酸锌电极材料的合成及其电化学性能研究，中北大学，太原： 2019
24	Gnanamoorthy G.， Ramar K.， Ali D.， Yadav V. K.， Sureshbabu K.， Narayanan V.， Chem. Phys. Lett.， 2020， 759， 137988
25	Zhao R. Z.， Li Q.， Wang C. X.， Yin L. W.， Electrochim. Acta， 2016， 197， 58—67
26	Pan L.， Zhu Q. Y.， Tian D.， J. Sol⁃Gel Sci. Technol.， 2019， 90（3）， 525—534
27	Li J.， Fan C. H.， Pei H.， Shi J. Y.， Huang Q.， Adv. Mater.， 2013， 25（32）， 4386—4396
28	Huang M. F.， Kuo Y. C.， Huang C. C.， Chang H. T.， Anal. Chem.， 2004， 76（1）， 192—196
29	Lin Y. C.， Lin H.， Wang H. M.， Suo Y. G.， Li B. H.， Kong C. L.， Chen L.， J. Mater. Chem. A， 2014， 2（35）， 14658—14665
30	Wang D.， Qi X. J.， Gao H. Y.， Yu J. G.， Zhao Y. N.， Zhou G. T.， Li G. D.， Mater. Lett.， 2016， 164， 93—96
31	Li D. L.， Zhang X.， Ma Y. C.， Deng Y.， Hu R.， Yang Y. H.， Anal. Methods， 2018， 10（26）， 3273—3279
32	Wen X. L.， Chen Z.， Liu E. H.， Lin X.， Appl. Surf. Sci.， 2015， 357， 1212—1216
33	Chen P.， Xiao T. Y.， Qian Y. H.， Li S. S.， Yu S. H.， Adv. Mater.， 2013， 25（23）， 3192—3196
34	Chen X.， Gao H. Y.， Yang M.， Xing L. W.， Dong W. J.， Li A.， Zheng H. Y.， Wang G.， Energy Storage Mater.， 2019， 18， 349—355
35	Zhang Y. H.， Zhou K.， Qiu Y.， Xia L.， Xia Z. N.， Zhang K. L.， Fu Q. F.， Sens. Actuator B： Chem.， 2021， 339， 129922
36	An J.， Chen R. B.， Chen M. Z.， Hu Y. Q.， Lyu Y.， Liu Y. F.， Sens. Actuator B： Chem.， 2021， 329， 129097
37	Mao L. H.， Wang Q. Q.， Luo Y. H.， Gao Y. P.， Talanta， 2021， 222， 121506
38	Fu L.， Wang A. W.， Xie K. F.， Zhu J. W.， Chen F.， Wang H. G.， Zhang H. W.， Su W. T.， Wang Z. G.， Zhou C. T.， Ruan S. C.， Sens. Actuator B： Chem.， 2020， 304， 127390
39	Yu X. H.， Wang Z. X.， Gao Y. F.， Kong F. Y.， Lv W. X.， Ma H. F.， Wang W.， Int. J. Electrochem. Sci.， 2018， 13（3）， 2875—2886
40	Fu Y.， Yang Y. J.， Tuersun T.， Yu Y.， Zhi J. F.， Analyst， 2018， 143（9）， 2076—2082

Method	Linear range	Detection limit	Reference
Fluorescence	0.3—100 nmol/L	80 pmol/L	［35］
Fluorescence	0.1—10 μmol/L	1.6 nmol/L	［36］
UV?Vis spectroscopy	0.1 nmol/L—9 μmol/L	0.042 nmol/L	［37］
Differential pulse voltammetry	0.1 nmol/L—3 μmol/L	71 pmol/L	［38］
Differential pulse voltammetry	5 nmol/L—200 μmol/L	1.97 nmol/L	［39］
Differential pulse voltammetry	50—400 μmol/L	2.15 μmol/L	［40］
Differential pulse voltammetry	0.1—100 nmol/L	33.4 pmol/L	This work

Method	Linear range	Detection limit	Reference
Fluorescence	0.3—100 nmol/L	80 pmol/L	［35］
Fluorescence	0.1—10 μmol/L	1.6 nmol/L	［36］
UV?Vis spectroscopy	0.1 nmol/L—9 μmol/L	0.042 nmol/L	［37］
Differential pulse voltammetry	0.1 nmol/L—3 μmol/L	71 pmol/L	［38］
Differential pulse voltammetry	5 nmol/L—200 μmol/L	1.97 nmol/L	［39］
Differential pulse voltammetry	50—400 μmol/L	2.15 μmol/L	［40］
Differential pulse voltammetry	0.1—100 nmol/L	33.4 pmol/L	This work

	I_Cr-MOFs	I_Cr-MOFs-SP/ I_Fc-RP	RSD（%）
Non?ratiometric probe	10.85 ^a ±1.989 ^b		22.12
Ratiometric probe		2.76 ^a ±0.0701 ^b	2.91

	I_Cr-MOFs	I_Cr-MOFs-SP/ I_Fc-RP	RSD（%）
Non?ratiometric probe	10.85 ^a ±1.989 ^b		22.12
Ratiometric probe		2.76 ^a ±0.0701 ^b	2.91

Sample	Added/（nmol·L^-1）	Found/（nmol·L^-1）	RSD（%）	Recovery（%）
1	0.00	No found	—	—
2	1.00	1.03	1.94	98.7
		1.05		100.4
		1.01		96.8
3	5.00	4.91	3.00	97.3
		5.07		100.5
		5.14		102.0
4	10.0	10.1	1.84	100.7
		10.3		103.0
		9.97		99.2