碳納米管在電化學生物傳感器中的應(yīng)用

徐潮飛

(南開大學化學學院 天津 300071)

1 前言

生物傳感器(biosensor)是利用生物特異性識別過程來實現(xiàn)檢測的傳感器件，通常以生物活性單元(如酶、抗原、抗體、核酸、細胞器、細胞膜、細胞、組織等)作為敏感基元，與被分析物產(chǎn)生高度選擇性生物親和或生物催化反應(yīng)產(chǎn)生的各種物理、化學變化被轉(zhuǎn)換元件捕獲，進而實現(xiàn)將生物學信息轉(zhuǎn)換為可識別和測量的電信號［1］。根據(jù)不同的基礎(chǔ)傳感器件，生物傳感器可分為6大類型［2］:電化學生物傳感器、介體生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器和光生物傳感器。其中，電化學生物傳感器占有重要的位置。

20世紀90年代前，石墨是傳感器領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的電極材料，但是在石墨電極上難以直接固定生物分子，而且石墨電極的電子傳遞效率不高。自從1991年日本的Iijima教授在高分辨率透射電鏡下發(fā)現(xiàn)碳納米管(CNT)以來［3］，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和獨特的物理、化學特性以及潛在的應(yīng)用前景而倍受人們關(guān)注。近年來，隨著研究的深入，CNT越來越多地被應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域，其作為一種新型的電極材料，取得了理想的效果。

2 CNT的結(jié)構(gòu)和特性

CNT又名巴基管，是由單層或多層石墨繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管，其中碳以sp2軌道雜化方式成鍵。根據(jù)石墨管壁的層數(shù)，CNT可分為2類:單壁碳納米管(SWNT)和多壁碳納米管(MWNT)。SWNT是由單層碳原子繞合而成，具有較好的對稱性和單一性［4］;而MWNT由多層碳原子繞合而成，在開始形成時，層與層之間很容易成為陷阱中心而形成缺陷［5］。但無論是SWNT還是MWNT，徑向尺寸均為納米量級，而軸向尺寸為微米量級，即具有很大的長徑比［6－8］，可以認為是具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。CNT的尺寸處在原子、分子為代表的微觀物體和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，使它既非典型的微觀系統(tǒng)也非典型的宏觀系統(tǒng)，因而具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等4大效應(yīng)。

作為一維納米材料，CNT重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有獨特的力學性質(zhì)、優(yōu)異的電學性能和穩(wěn)定的化學物理特性，將其用于修飾電極，可以降低化學物質(zhì)氧化還原反應(yīng)的過電位，改善生物分子氧化還原可逆性。CNT具有特殊的管狀結(jié)構(gòu)，體積極小，作為高效傳質(zhì)單元能夠容易地穿過細胞壁，因此將其應(yīng)用于生物傳感器具有極大優(yōu)勢。CNT比表面積大，既有利于酶的固定化，促進酶活性中心與電極表面的電子傳遞，還易于吸附有機分子，用它去修飾電極，可以提高對H+等的選擇性，制成電化學傳感器。利用CNT的導(dǎo)電性及其對氣體吸附的選擇性，可制成氣體傳感器。不同溫度下吸附微量氧氣能改變CNT的導(dǎo)電性，可在金屬和半導(dǎo)體之間轉(zhuǎn)換。在CNT內(nèi)局部填充堿金屬可以形成p－n結(jié)。在CNT內(nèi)填充光敏、濕敏、壓敏等材料，可以制成納米級的各種功能傳感器。

3 CNT在生物傳感器方面的應(yīng)用

CNT在制備和純化過程中表面產(chǎn)生的缺陷和基團，通過共價或非共價的方法使CNT的某些性質(zhì)發(fā)生改變，尤其突出的是分散性，使其更適于研究和應(yīng)用。對CNT功能化修飾的研究可以使人們能夠按照特定的目的來改造CNT的固有特性，從而將大大擴展CNT的應(yīng)用前景。

CNT作為電極材料具備幾大優(yōu)點:①低電阻，即導(dǎo)電性好;②優(yōu)良的化學穩(wěn)定性;③低質(zhì)量密度;④原子結(jié)構(gòu)和大的長徑比決定了大的比表面積;⑤特殊的電極/電解質(zhì)界面對溶液有良好的浸潤性，電極反應(yīng)的靈敏度和再現(xiàn)性好。這些優(yōu)點使得CNT在電分析化學領(lǐng)域有較大的研究潛力和發(fā)展空間。而CNT的彎曲結(jié)構(gòu)使得電子在其中的傳播速度比石墨更快，具有高速電子傳遞效率。CNT可作為優(yōu)良的催化劑載體，用于電化學傳感器，可以促進生物分子與電極的電子傳遞作用［9－11］，增大電化學信號，提高傳感器的靈敏度。因此，可將CNT用于改善生物分子的氧化還原可逆性，或應(yīng)用于酶傳感器、氣體傳感器、DNA傳感器等生物傳感器。

3.1 利用CNT改善生物分子的氧化還原可逆性

將MWNT懸濁液滴加于處理后的玻碳電極表面，待溶劑揮發(fā)后形成MWNT修飾電極。在pH=6.3的磷酸緩沖液中對該電極進行循環(huán)伏安掃描，通過分析掃描結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，電極反應(yīng)來自于CNT表面羧基的氧化還原，并且是一個4電子、4質(zhì)子的電極反應(yīng)過程。其電極反應(yīng)式表示如下:

還原過程:MWNT－COOH+4e+4H+→ WMNT－CH2－OH+H2O

氧化過程:WMNT－CH2－OH+H2O–4e→MWNT－COOH+4H+

將CNT修飾電極和玻碳電極分別在0.1mol的亞鐵氰化鉀溶液中作循環(huán)伏安掃描。亞鐵氰化鉀/鐵氰化鉀電對是接近理想狀態(tài)的準可逆電對，對于一個具有理想表面狀態(tài)的電極來說，它的峰電位差(ΔE)接近59mV(25℃)。經(jīng)過仔細處理后的玻碳電極的ΔE為87 mV，而CNT修飾電極的ΔE僅為64mV，表明CNT修飾電極的表面結(jié)構(gòu)更接近于理想狀態(tài)［12］。

Britto等人［13］報道了利用溴仿作固定劑的CNT修飾電極，將多巴胺電化學反應(yīng)的峰電位差由67mV改善到了30mV。陳朝平等人［14］利用MWNT修飾電極將對苯二酚的峰電位差從285mV降低到了38mV，同時峰電流顯著增大。王建秀等［15］將SWNT修飾在玻碳電極和金電極上，SWNT修飾的玻碳電極對去甲腎上腺素的電化學氧化具有明顯的電催化作用。Wang等人［16］報道了 Nafino溶解SWNT和MWNT制備修飾電極對過氧化氫和兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)具有優(yōu)良的電催化性能。這些都體現(xiàn)了CNT對生物分子的電催化作用，顯示了其作為生物傳感器的應(yīng)用潛能。

3.2 CNT在酶生物傳感器中的應(yīng)用

酶生物傳感器的作用機理是在化學電極的表面組裝固定化酶膜，當酶膜上發(fā)生酶促反應(yīng)時產(chǎn)生電極活性物質(zhì)，電極對之響應(yīng)。由于響應(yīng)信號與底物的濃度之間存在一定的線性關(guān)系，因而可以測得被檢測物的濃度。以葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase，GOD)傳感器為例，其電催化工作原理為:

酶層:glucose+GOD2FAD→gluconolactone+GOD2FADH2

GOD2FADH2+O2→GOD2FAD+H2O2

電極:H2O2→2H++O2+2e

氧在電極上的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生響應(yīng)電流，電流大小與氧在溶液中的濃度以及傳質(zhì)速度有關(guān)。若要消除氧濃度變化而引起的檢測誤差，可以檢測酶反應(yīng)所產(chǎn)生的過氧化氫［17］。

研究發(fā)現(xiàn)，CNT修飾電極對過氧化氫的還原表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化效果［18，19］，這就有可能將CNT修飾電極用于開發(fā)酶生物傳感器。CNT作為酶的固定材料，同時也作為基礎(chǔ)電極的修飾材料制成傳感器即成為新型的CNT修飾酶傳感器［20］。該類傳感器的優(yōu)點主要有以下3點［20］:(1)CNT良好的電學性質(zhì)使得它作為一種修飾材料，在電化學反應(yīng)中能夠有效地促進電子傳輸，提高酶傳感器的檢測速度，降低過電位，提高檢測的靈敏度;(2)CNT大的比表面積能夠提高酶的負載量，從而改善傳感器的靈敏度;(3)CNT良好的生物相容性，有利于保持酶的活性，因而有利于提高酶傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。

Azamian等［21］采用吸附的方法將SWNT固定在玻碳電極上，制成GOD－SWNT修飾的玻碳電極。實驗結(jié)果表明，在相同的底物濃度下，用 GODSWNT修飾的玻碳電極的伏安電流是裸玻碳電極的10倍，證實SWNT能極大地促進電子傳輸，顯示出CNT在酶負載量和能量轉(zhuǎn)換上都具有較好的效果。Lim等［22］將GOD和納米粒子同時沉積在Nafion增溶的CNT膜中，通過檢測葡萄糖在酶作用下生成的過氧化氫，制備出快速響應(yīng)的GOD生物傳感器，使用的電極為玻碳電極，附加的Nafion膜可以防止抗壞血酸和尿酸對葡萄糖檢測的干擾。該傳感器的線性范圍可達12mmol/L，檢測下限為0.15mmol/L。Li等［23］也利用GOD共價修飾MWNT制作出葡萄糖生物傳感器。經(jīng)過混酸處理的MWNT在SOCl2和乙二胺的作用下形成氨基終端的MWNT，然后與高碘酸鹽氧化的GOD產(chǎn)物上的羥基反應(yīng)，如圖1所示。將GOD共價結(jié)合在MWNT上，保持了GOD很強的生物活性。

與其他分析方法相比，CNT修飾酶傳感器具有便攜、成本低、靈敏度高、穩(wěn)定性良好等優(yōu)點。并且酶催化與一般的化學催化相比，具有應(yīng)用范圍廣、催化效率高、選擇性專一、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點。酶是高活性、高選擇性、低能耗的生物催化劑，再加上CNT本身的催化和增敏效應(yīng)，使得基于CNT修飾酶傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 通過共價鍵形成的GOD－MWNT傳感器

3.3 CNT在生物氣體傳感器中的應(yīng)用

CNT具有特殊的一維中空結(jié)構(gòu)，大的比表面積以及較石墨(0.335nm)略大的層間距(0.343nm)，能夠吸附許多物質(zhì)，填充其中。由于吸附的氣體分子與CNT發(fā)生相互作用，改變其費米能級，引發(fā)其宏觀電阻發(fā)生較大改變。因此CNT可應(yīng)用于氣敏傳感器，通過測量其表觀電阻的變化來檢測氣體成分。

Collins等［24］研究了SWNT表面對分子氧的吸附。真空環(huán)境下分子氧的吸附可以增加CNT的電導(dǎo)。同樣的環(huán)境下高溫加熱CNT可以徹底解吸附。Kong等［25］發(fā)現(xiàn)，用SWNT制成的微小化學探針，室溫下對低濃度的NO2和NH3分子能產(chǎn)生快速的吸附，靈敏度很高。

CNT氣體傳感器和普通氣體傳感器相比具有尺寸小、反應(yīng)快、靈敏度高、表面積大、能在室溫或更高溫度下操作等諸多優(yōu)點，并可將SWNT置于新環(huán)境或者通過加熱后重新使用。CNT可制得最小的生物醫(yī)學分子級氣敏元件，其響應(yīng)時間比目前使用的同類金屬氧化物或聚合物傳感器至少快一個數(shù)量級。CNT氣體傳感器用于病人呼吸監(jiān)控、檢測等方面，將取得一般傳感器難以達到的效果。

3.4 CNT在DNA生物傳感器中的應(yīng)用

CNT也被廣泛應(yīng)用在DNA生物傳感器研究中。Cai等［26］報道了應(yīng)用CNT制作DNA電化學生物傳感器檢測特殊DNA序列。Cheng［27］構(gòu)建CNT摻雜殼聚糖DNA傳感器檢測大馬哈魚精DNA，亞甲基藍作為DNA指示劑。實驗證明，CNT將電極有效面積提高3倍，且有效提高亞甲基藍與電極之間電子傳遞速度。該傳感器檢測限達到0.252nmol/L，當干擾劑人血清白蛋白濃度達到5μg/mL時，選擇性仍很高。Kerman等［28］將 MWNT制作的納米線與DNA作用后直接吸附到碳糊電極(CPE)上，循環(huán)伏安測量的結(jié)果表明:用結(jié)合有DNA分子的MWNT修飾的CPE電極的伏安信號比僅僅用MWNT修飾的CPE電極或裸CPE電極的伏安信號強得多。DNA鏈與cDNA鏈的雜交或與有錯配DNA的雜交前后的信號都能被檢測到，說明DNA修飾MWNT電極具有極強的分子識別功能、選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點，用于電化學檢測是極好的電極材料。Zhang等［29］用CNT修飾玻碳電極作為檢測DNA和DNA堿基的傳感器。該傳感器具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和高的靈敏度，在檢測DNA序列和DNA堿基方面具有較大的應(yīng)用前景。

目前，基于CNT的DNA生物傳感器的研究主要集中在將DNA探針固定在CNT上制備雜交傳感器，以及研究DNA上電活性部分在CNT或CNT修飾電極上的直接電化學行為。隨著CNT制備工藝的改進和前處理技術(shù)的進一步提高，基于CNT的DNA生物傳感器的性能將得到更大提高。

4 展望

縱觀當前的研究，CNT生物傳感器電極的研究基本都是采用無序的CNT固定或鑲嵌在基礎(chǔ)電極表面上的方法，其CNT隨意彎曲、互相纏繞，對其性質(zhì)研究和實際應(yīng)用都造成了很大的影響。而定向排列的CNT陣列電極，其取向高度一致、管徑均勻、CNT陣列不含雜質(zhì)，有利于電活性物質(zhì)在其表面的快速反應(yīng)，使傳感器的性能得到很大的提高。因此，制作高靈敏性CNT陣列傳感器是一個重點的研究方向。

國內(nèi)外對CNT在生物傳感器中的應(yīng)用研究主要集中于CNT修飾生物傳感器對基底物質(zhì)檢測性能和電化學性能的變化。盡管目前CNT生物傳感器的研究工作已取得較大進展，但仍然存在實驗結(jié)果重復(fù)性較差、生物分子易失活、固定效率低、制備工藝較繁瑣、難以規(guī)?；a(chǎn)等問題，且多數(shù)傳感器檢測對象只限于一種目標物。因此，CNT在生物傳感器中的應(yīng)用研究主要還是集中在實驗室的基礎(chǔ)上，距離實際應(yīng)用還有一段很漫長的過程。但是隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn)及電極的微型化發(fā)展，其用于在線活體分析的條件已經(jīng)日趨成熟。

［1］ Tumer P F.Biosensors － sense and sensitivity［J］.Science，2000，290(5495):1315.

［2］ Townsend D W，Beyer T，Kinahan PE，et a1.The SMARTscanner:a combined PET/(CT tomograph for clinical oncology［R］.IEEE Trans Nuclear Science Symposium，1998，2:1170.

［3］ Iijima S.Helical microtubes of graphitic carbon［J］.Nature，1991，354:56－58.

［4］ Withers J C，Loutfy R O，Lowe T P.Fullerene commercial vision［J］.Fullerene Sci Technol，1997，5:1 －31.

［5］ Ebbesen T W.Carbon nanotubes［J］.Phys Today，1996，49:26－32.

［6］ Peigney A，Laurent C，Dobigeon F，et al.Carbon nanotubes grown in － situ by a novel catalytic method［J］.J Mater Res，1997，12:613－615.

［7］ Ugarte D，Stockli T，Bonard JM，et a1.Filling carbon nanotubes［J］.Appl Phys A，1998，67:101－105.

［8］ Hernadik K，F(xiàn)onseca A，Nagy JB，et a1.Catalytic synthesis and purification of carbon nanotubes［J］.Synthetic Metals，1996，77:31－34.

［9］ Davis J J，Coles R J，Hill H A Q.Protein Electrochemistry at Carbon Nanotube Electrode［J］.J Electroanal Chem，1997，440:279－282.

［10］ Nugent J M，Santhanam K S V，Rubio A，et a1.Fast electron transfer kinetics on multi－walled carbon nanotube microbundle electrodes［J］.NanoLett，2001，1(2):87 －91.

［11］ Camphell JK，Sun L，Crooks R M.Electrochemistry using single carbon nanotubes［J］.JAm Chem Soc，1999，121:3779 －3780.

［12］ 廖靜敏，李光，馬念章.碳納米管在生物傳感器中的應(yīng)用［J］.傳感技術(shù)學報，2004，3:467－471.

［13］ Britto P J，Santhanam K SV，Ayajan PM.Bioelectrochem［J］.Bioenerg，1996，41:121.

［14］ 陳朝平，劉文霞，何曉英，等.多壁碳納米管修飾電極對對苯二酚的催化作用［J］.四川師范學院學報(自然科學版)，2003，24(2):177－180.

［15］ Wang JX，Li M X，Shi Z J，et al.Electrocatalytic oxidation of norepinephrine at a glassy carbon electrode modified with single－ wall carbon nanotubes［J］.Electroanalysis，2002，14(3):225－230.

［16］ Wang J，Musameh M.Carbon nanotube/teflon composite electrochemical sensors and biosensors［J］.Anal Chem，2003，75(9):2075－2079.

［17］ 羅立新，王紅娟，彭峰.碳納米管修飾酶傳感器的評述［J］.材料科學與工程學報，2006，24(5):732－735.

［18］ 朱玉奴，彭圖治，李建平.碳納米管負載納米鉑修飾電極及電催化氧化H202的研究［J］.高等學?；瘜W學報，2004，25(9):1637－1641.

［19］ 張凌燕，袁若，柴雅琴，等.基于辣根過氧化物酶/納米金/辣根過氧化物酶/多壁納米碳管修飾的過氧化氫生物傳感器的研究［J］.化學學報，2006，64(16):1711－1715.

［20］ Wang SG，Zhang Q，Wang R L，et a1.A Novel multi－walled carbon nanotube － based biosensor for glucose detection［J］.Biochem Biophys Res Commun，2003，311(3):572－576.

［21］ Azamian B R，Davis J J，Coleman K S，et al.Bioelectrochemical single － walled carbon nanotubes［J］.J Am Chem Soc，2002，124(43):12664.

［22］ Lim SH，Wei J，Lin J，et al.A glucose biosensor based on electrode position of palladium nanoparticles and glucose oxidase onto nafion － solubilized carbon nanotube electrode［J］.Biosens Bioelectron，2005，(20):2341.

［23］ Li Jian，Wang Yuebo，Qiu Jianding，et al.Biocomposites of covalently linked glucose oxidase on carbon nanotubes for glucose biosensor［J］.An Bioanal Chem，2005，383(6):918.

［24］ Collins PG，Bradley K，Ishigami M，et a1.Extreme oxygen sensitivity of electronic properties of carton nanotubes［J］.Science，2000(287):1801－1804.

［25］ Kong J，F(xiàn)ranklin N R，Zhou C，et a1.Nanotube molecular wires as chemical sensor［J］.Science，2000，287(5453):622－625.

［26］ Cai H，Cao X，Jiang Y，et al.Carbon nanotube－enhanced electrochemical DNA biosensor for DNA hybridization detection［J］.An Bioanal Chem，2003，375:287.

［27］ Cheng Guifang，Zhao Jie，Tu Yonghua，et al.A sensitive DNA electrochemical biosensor based on magnetite with a glassy carbon electrode modified by multi－walled carbon nanotubes in polypyrrole［J］.Analytica Chimica Acta，2005，533:11.

［28］ Kagan Kermnan，Yasutaka Morita，Yuzuru Takamura，et al.DNA－directed attachment of carbon nanotubes for enhanced label－ free electrochemical detection of DNA hybridization［J］.E-lectroanalysis，2004，16(20):1667.

［29］ Zhang R Y，et a1.Electroanalysis，2007，19(15):1623－1627.