石墨烯及其衍生物電化學(xué)生物傳感器研究進(jìn)展

孫曉玲， 韓海霞， 弓巧娟

（1.山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，山西臨汾041000）（2.運(yùn)城學(xué)院應(yīng)用化學(xué)系，山西運(yùn)城044000）

0 引言

石墨烯是碳以sp2雜化方式形成的準(zhǔn)二維新型納米材料。該材料具有獨(dú)特的導(dǎo)電性，可促進(jìn)電子的快速轉(zhuǎn)移，加快電極表面的反應(yīng)過(guò)程[1]，相對(duì)于石墨（10 m2/g）和碳納米管（1315 m2/g）而言，石墨烯具有較大的理論比表面積（2630 m2/g），其表面的缺陷和含氧官能團(tuán)等活性位點(diǎn)易被修飾[2]，從而賦予石墨烯某些優(yōu)異的性能，同時(shí)，石墨烯還具有良好的生物相容性[3]。作為單原子平面二維晶體，石墨烯具有雙極性，不管是電子供體還是電子受體均能導(dǎo)致石墨烯材料 “化學(xué)門(mén)控”[4]，故易被電阻型傳感器監(jiān)測(cè)到，同時(shí)由于碳原子可以直接與被分析物作用，使其在電化學(xué)傳感器方面相比于其他碳材料更具靈敏性。

該文主要介紹近年來(lái)基于石墨烯材料的電化學(xué)生物傳感器的研究進(jìn)展，包括酶、大分子、小分子以及免疫傳感器等，并簡(jiǎn)單討論了基于石墨烯的電化學(xué)傳感器材料的制備優(yōu)勢(shì)和面臨的挑戰(zhàn)。

1 石墨烯及其衍生物在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用

1.1 生物小分子的檢測(cè)

1.1.1 非酶葡萄糖的檢測(cè)

Huang等[5]合成了一種3D NiO空心球與石墨烯氧化物的復(fù)合材料，該復(fù)合物修飾的電極材料對(duì)葡萄糖響應(yīng)時(shí)間少于5 s，穩(wěn)定性高、再現(xiàn)性好，使低濃度的葡萄糖具有高的靈敏度（-2.04 mA/(mmol/L)cm2），顯著的性能可能是由于復(fù)合物獨(dú)特的3D分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，能增加反應(yīng)活性位置和電極穩(wěn)定性，使電子在NiO和rGO間直接轉(zhuǎn)移，加快了電子轉(zhuǎn)移速率。Yang等[6]利用Co3O4和石墨烯通過(guò)一步水熱法制備了具有分層多孔結(jié)構(gòu)的Co3O4@石墨烯（Co3O4@G）微球，這種多孔結(jié)構(gòu)提供了大量可接近的活性部位，石墨烯又提供了連續(xù)的電子通路，從而實(shí)現(xiàn)了Co3O4的高效電催化反應(yīng)，使非酶葡萄糖檢測(cè)靈敏度高（628 μA/(mmol/L)cm2）， 選擇性好，穩(wěn)定性強(qiáng)， 檢測(cè)范圍在0.02～8 mmol/L，檢出限低至38 nmol/L(S/N=3)。

1.1.2 非酶H2O2的檢測(cè)

Wang等[7]采用化學(xué)氣相沉積法制備Au納米粒子修飾的石墨烯（AuNPs@Gr）/鎳泡沫納米復(fù)合材料（AuNPs@Gr/NiF），表現(xiàn)出高導(dǎo)電性、特殊表面積和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，被用作電極構(gòu)建H2O2電化學(xué)傳感器。結(jié)果表明，AuNPs在Gr/NiF表面均勻穩(wěn)定地分布，對(duì)H2O2表現(xiàn)出高的敏感性（47.4 μA/(mmol/L)cm2）、穩(wěn)定性和選擇性，檢測(cè)線性范圍 0.05～1.75 mmol/L，檢出限低至 1 μmol/L。 Chen等[8]構(gòu)建了一種基于鉑納米粒子-碳量子點(diǎn)/離子液體功能化石墨烯氧化物（PtNPs-CDs/IL-GO）納米復(fù)合物的H2O2傳感器，該納米復(fù)合物獨(dú)特的結(jié)構(gòu)提供了充足的活性位點(diǎn)，大大加速了H2O2的催化作用。結(jié)果顯示該傳感器具有較高的選擇性，寬的線性范圍（1～900 μmol/L），檢測(cè)下限為0.1 μmol/L。

1.1.3 DA、AA、UA 的檢測(cè)

T?g[9]利用銀納米顆粒（AgNPs）、石墨烯（GO）和聚L-精氨酸制備出可以單獨(dú)或同時(shí)檢測(cè)抗壞血酸（AA），多巴胺（DA），尿酸（UA）和 L-色氨酸（L-Trp）的生物傳感器，電流響應(yīng)在4.0～2400.0 μmol/L AA，0.05 ～50.0 μmol/L DA，0.5 ～150.0 μmol/L UA，1.0～150 μmol/L L-TRP 有好的線性關(guān)系， 檢測(cè)限分別為 0.984 μmol/L，0.01 μmol/L，0.142 μmol/L 和 0.122 μmol/L， 同時(shí)還表現(xiàn)出穩(wěn)定性高、再現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)。Yan等[10]采用一鍋水熱法制備了rGO/Bi2S3復(fù)合物，并通過(guò)調(diào)節(jié)GO的用量實(shí)現(xiàn)了可調(diào)尺寸的納米復(fù)合材料的合成，再利用硫代乙酰胺作還原劑和硫源制備出rGO/Bi2S3-1/GCE傳感器檢測(cè)多巴胺，結(jié)果顯示該傳感器具有良好的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和選擇性，線性范圍在 0.01～40 μmol/L，檢出限為 12.3 nmol/L。

1.1.4 其他生物小分子的檢測(cè)

?zlem等[11]提出了一種利用多金屬氧酸鹽（H3PW12O40）功能化的還原型氧化石墨烯改進(jìn)玻碳電極的新型伏安傳感器，并成功應(yīng)用于加標(biāo)血清樣品中L-絡(luò)氨酸和L-色氨酸的同時(shí)測(cè)定，線性范圍為 1.0×10-11～1.0×10-9mol/L，檢出限為2.0×10-12mol/L。Istrate等[12]將氧化石墨烯與烯丙胺鹽酸鹽沉積到絲網(wǎng)印刷電極表面，通過(guò)原位聚合法制得聚稀丙胺鹽酸鹽/石墨烯（PAH/GN）納米復(fù)合材料，顯著降低了煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的氧化過(guò)電位，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)NADH產(chǎn)生較強(qiáng)的電化學(xué)活性，并表現(xiàn)出高的速率常數(shù)和穩(wěn)定的響應(yīng)濃度（0.8 mV），其靈敏度為108.6 μA/(mmol/L)cm2， 檢 出 限 為 6.6 μmol/L。Palanisamy等[13]研究了一種基于漆酶固定化石墨烯-纖維素超細(xì)纖維復(fù)合物修飾絲網(wǎng)印刷碳電極的新型漆酶生物傳感器，靈敏地測(cè)定鄰苯二酚，該傳感器在鄰苯二酚濃度為0.2～209.7 μmol/L范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系，對(duì)鄰苯二酚的靈敏度為0.932 μA/(μmol/L)cm2,響應(yīng)時(shí)間為 2 s，檢出限在0.085 μmol/L，同時(shí)還具有良好的選擇性和穩(wěn)定性，對(duì)水樣和環(huán)境中CC的監(jiān)測(cè)具有很大的潛力。

1.2 生物大分子的檢測(cè)

1.2.1 DNA的檢測(cè)

Fu等[14]制備了基于二極模式的接近石墨烯晶體管中性點(diǎn)的生物傳感器，能夠有效檢測(cè)DNA，檢出限低至2 pmol/L，在接近石墨烯晶體管的中點(diǎn)時(shí)，可以用于多層石墨烯裝置，有效改善信噪比。Loan等[15]采用化學(xué)氣相沉積法利用金作為轉(zhuǎn)換支撐層，制備了一種基于超凈無(wú)殘留的石墨烯薄膜的霍爾效應(yīng)生物傳感器，能夠大幅度提高傳感器對(duì)DNA檢測(cè)的靈敏度，選擇性高，線性范圍為1 pmol/L～100 nmol/L，檢出限為 1 pmol/L，可對(duì)DNA分子整體部分進(jìn)行檢測(cè)。Xu等[16]制備了厘米級(jí)的單晶石墨烯，構(gòu)成一體化、小型化GFET多通道檢測(cè)DNA的生物傳感器，與光學(xué)傳感器相比，無(wú)論分子的大小如何，該傳感器對(duì)DNA檢測(cè)均具有高度靈敏性、親和性、重復(fù)性，可以實(shí)時(shí)定量區(qū)別單堿基突變，并且具有非常大的潛力用于集成陣列實(shí)現(xiàn)高通量多路的DNA雜交動(dòng)力學(xué)和親和性的多重分析。

1.2.2 其他生物大分子的檢測(cè)

Li等[17]利用 chitosan/Ru(bpy)32+/silica/Fe3O4納米粒子作為發(fā)光材料，羧基功能化的石墨烯結(jié)合葡萄糖功能化的NiCo2S4納米粒子 （NiCo2S4-COOH-rGO@Glu）作為熒光淬滅探針，制備出一種穩(wěn)定性高、再現(xiàn)性好的淬滅電化學(xué)發(fā)光生物傳感器，能夠超靈敏的檢測(cè)伴刀豆球蛋白，在最佳條件下，線性響應(yīng)范圍為0.5 pg/mL～100 ng/mL，檢出限在0.18 pg/mL(S/N=3)。Chiu等[18]利用石墨烯氧化物與特定肽適體結(jié)合，制備出一種基于GO-肽的表面等離子體共振（SPR）生物傳感器，對(duì)人的絨毛膜促性腺激素（hCG）蛋白具有良好的敏感性、親和性和特異性，GO-肽（1 nmol/L）芯片對(duì)hCG的檢測(cè)限是傳統(tǒng)芯片的16倍多，對(duì)妊娠早期異常和一些癌癥腫瘤的臨床檢測(cè)具有重要意義。

1.3 免疫生物傳感器應(yīng)用

1.3.1 病毒和細(xì)菌檢測(cè)

Afsahi等[19]研究了一種高性價(jià)比、便攜式的石墨烯生物傳感器，通過(guò)高度特異性固定化單克隆抗體與石墨烯共價(jià)連接，利用這種單克隆抗體的場(chǎng)效應(yīng)生物傳感實(shí)時(shí)定量檢測(cè)天然Zika病毒抗原，同時(shí)能提供非臨床生物物理動(dòng)力學(xué)工具的高級(jí)定量數(shù)據(jù)，適應(yīng)于臨床研究和可能的診斷應(yīng)用，成為醫(yī)療發(fā)展的理想型診斷測(cè)試方法。Gong課題組[20]采用石墨烯-Nafion復(fù)合膜修飾玻碳電極制備出簡(jiǎn)單而靈敏的阻抗式DNA生物傳感器測(cè)定HIV-1基因。該方法無(wú)需對(duì)DNA進(jìn)行標(biāo)記，在最優(yōu)條件下，Ret的減小值與目標(biāo)寡核苷酸的對(duì)數(shù)呈良好的線性關(guān)系，檢出限低至2.3×10-14mol/L，對(duì)生物傳感和DNA納米結(jié)構(gòu)框架的構(gòu)建具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1.3.2 癌癥標(biāo)記物檢測(cè)

Pal等[21]利用金納米粒子、石墨烯氧化物、單克隆抗PSA抗體制備出精確檢測(cè)前列腺特異性抗原（PSA）的免疫傳感器。前列腺癌細(xì)胞的免疫熒光染色確認(rèn)了抗體的功能，電化學(xué)分析顯示該傳感器穩(wěn)定性高，對(duì)人血清中PSA選擇性高檢測(cè)準(zhǔn)確，回收率為97.67%，檢測(cè)限低至0.24 fg/mL，信噪比為3，靈敏度為5.4 mA·fg/mL，為不同癌癥生物標(biāo)志物在臨床醫(yī)學(xué)的檢測(cè)提供了可能。Tang等[22]研究了一種測(cè)定心力衰竭的生物標(biāo)記物半乳糖凝集素-3的電化學(xué)免疫傳感器。他們首先在玻碳電極上固定N-GNPs-Fe-MOFs@AuNPs復(fù)合物，并將抗Gal-3固定在修飾玻碳電極的金納米粒子上，然后用牛血清白蛋白封閉，再利用一鍋法合成AuPt-MB納米復(fù)合物，構(gòu)成AuPt-MB-Ab2/N-GNPs-Fe-MOFs@AuNPs-Ab1三明治結(jié)構(gòu)，在最佳條件下，該免疫傳感器線性范圍為100 fg/mL～50 ng/mL，檢出限低至 33.33 fg/mL（S/N=3），并顯示出良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

1.4 酶為基礎(chǔ)的生物傳感器應(yīng)用

1.4.1 葡萄糖氧化酶?jìng)鞲衅?/p>

Zhao等[23]利用ZnO納米棒、石墨烯通過(guò)水熱生長(zhǎng)法合成氧化鋅納米棒/石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，并將其作為GOD固定電極，這種結(jié)構(gòu)促進(jìn)了葡萄糖氧化酶（GOD）和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移，有利于檢測(cè)GOD和ZnO納米棒之間的電化學(xué)信號(hào)，靈敏度高達(dá) 17.64 μA/(mmol/L)，在葡萄糖濃度為0.2～1.6 mmol/L范圍內(nèi)有很好的相關(guān)性，同時(shí)具有良好的選擇性和穩(wěn)定性。Jeong等[24]利用2D MoS2與石墨烯相互連接組成了一種三維MGA氣凝膠修飾電極，使電極表面增大有利于酶的有效固定，連續(xù)的骨架結(jié)構(gòu)又有利于電子的快速轉(zhuǎn)移，制備出的基于GOx/3D MGA電極的流動(dòng)注射生物傳感器裝置對(duì)葡萄糖的檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間快（～4 s），靈敏度高（3.36 μA/(mmol/L)），抗干擾性強(qiáng)，線性檢測(cè)范圍為2～20 mmol/L，檢出限為0.29 mmol/L。

1.4.2 過(guò)氧化酶?jìng)鞲衅?/p>

Fan等[25]利用帶氣孔的CaCO3作為犧牲模板將辣根過(guò)氧化酶（HRP）裝入仿生石墨烯膠囊內(nèi)模擬生物體內(nèi)生物酶的存在形態(tài)，再將石墨烯-聚苯乙烯硫酸鈉組裝到氧化銦錫的基底上，成功制備出了用于H2O2電化學(xué)檢測(cè)的酶生物傳感器，表現(xiàn)出寬的線性范圍 (0.01 mmol/L～12 mmol/L)和低的檢測(cè)極限，同時(shí)具有抗干擾性強(qiáng)和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。Bongiwe等[26]構(gòu)建了一種還原氧化石墨烯與銻納米復(fù)合物/辣根過(guò)氧化物酶生物傳感器，該修飾電極傳感器對(duì)H2O2表現(xiàn)出良好的電催化活性，H2O2濃度在0 nmol/L～4 nmol/L范圍內(nèi)顯示出良好的線性關(guān)系，檢測(cè)限為2.88 nmol/L，屬一種快速、低成本的用于測(cè)定較低濃度過(guò)氧化氫的檢測(cè)器。1.4.3 乙酰膽堿酯酶?jìng)鞲衅?/p>

王輝等[27]利用石墨烯納米材料（GR）、殼聚糖（Chit）、納米四氧化三鐵（Fe3O4）和乙酰膽堿酯酶（AChE）為原料制備出檢測(cè)毒死蜱農(nóng)藥的生物傳感器（NF-AchE/Chit-Fe3O4/GR/GCE）。采用方波伏安法在最佳檢測(cè)條件下，毒死蜱農(nóng)藥在0.05 μg/L～4.5 μg/L質(zhì)量濃度范圍內(nèi)與其抑制率有良好的線性關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)0.997，最低檢出限為 0.02 μg/L（S/N=3）。Cui等[28]利用殼聚糖（Chit）TiO2溶膠-凝膠和rGO構(gòu)建多層固定基質(zhì)（CS@TiO2-CS/rGO），并在上面吸附乙酰膽堿酯酶（AChE），可準(zhǔn)確、靈敏檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥敵敵畏，檢測(cè)線性范圍為 0.036 μmol/L～22.6 μmol/L，檢測(cè)限為29 nmol/L，同時(shí)具有高的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，為AChE的固定化提供了一個(gè)高效的平臺(tái)。

2 結(jié)論與展望

該文綜述了近年來(lái)關(guān)于石墨烯電化學(xué)生物傳感器的研究進(jìn)展，討論了各類傳感器的性能，雖然近幾年關(guān)于石墨烯電化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用越來(lái)越多，也取得了一些進(jìn)步，但就傳感器的電催化效率、生物相容性、實(shí)時(shí)分析、再現(xiàn)性與成本方面還需要不斷改進(jìn)，未來(lái)生物傳感器研究也要更注重于石墨烯及其相關(guān)材料傳感器的便攜式、低噪音、可靠性和同時(shí)多路復(fù)用等方面，使基于石墨烯及其衍生物的生物電化學(xué)傳感器能夠從理論研究應(yīng)用到市場(chǎng)商品化中。

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