基于離子液體復(fù)合膜電化學(xué)傳感器的研究

劉 峰，李穎慧，李雨晴，何婧琳，馮澤猛，印遇龍，曹 忠*

（1.長沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，電力與交通材料保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，微納生物傳感與食品安全檢測協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙410114)(2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南長沙410125）

基于離子液體復(fù)合膜電化學(xué)傳感器的研究

劉 峰1※，李穎慧2※，李雨晴1，何婧琳1，馮澤猛2，印遇龍2，曹 忠1*

（1.長沙理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，電力與交通材料保護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，微納生物傳感與食品安全檢測協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙410114)(2.中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南長沙410125）

離子液體作為一種特殊的熔融鹽，因其特殊的物理化學(xué)性質(zhì)在不同領(lǐng)域受到了相當(dāng)大的關(guān)注。基于離子液體的復(fù)合納米材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能和良好的穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感領(lǐng)域。該文總結(jié)了近些年來不同離子液體復(fù)合膜在電化學(xué)傳感檢測方面的研究進(jìn)展，著重分析了復(fù)合膜修飾電極的制備方法、檢測性能以及傳感界面的構(gòu)筑原理。

離子液體；納米復(fù)合材料；修飾電極；傳感界面

Abstract:Ionic liquid (IL)has been generally described as a molten salt.Attributed to its special physical and chemical properties,ILs have been received a considerable concern in different areas.The ionic liquid-based composite nanomaterials have been applied in electrochemical sensors,because of their excellent electrochemical performance and good stability.In this paper,the recent developments for the applications of IL composites in electrochemical sensors and biosensors were summarized,in which the preparation method,detection performance and construction principle of the sensing interfaces were emphasized.

Key words:ionic liquid;nano composite;modified electrode;sensing interface

0 引言

最早關(guān)于離子液體的相關(guān)報(bào)道可追溯至1888年，Gabriel等[1]發(fā)現(xiàn)了熔點(diǎn)為52~55℃的硝酸乙醇胺，是迄今為止第一個發(fā)現(xiàn)熔點(diǎn)低于100℃的有機(jī)鹽。Walden[2]報(bào)道了另一種硝酸乙基銨鹽(EAN,(C2H5)NH3+·NO3-)，是目前研究較為廣泛的一種離子液體。20世紀(jì)90年代研究者發(fā)現(xiàn)能在室溫下穩(wěn)定存在的離子液體，如四氟硼酸鹽、六氟磷酸鹽和硝酸鹽等[3-4]。由于離子液體的陰、陽離子結(jié)構(gòu)可調(diào)性和可修飾性，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)出帶有一定官能團(tuán)的功能化離子液體[5]，因此離子液體被稱為“設(shè)計(jì)者溶液”。目前已作為鋰電池和太陽能敏化電池的電解質(zhì)[6]，以及藥物傳遞過程中的溶劑[7]。

優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)使得離子液體被廣泛用于電化學(xué)裝置的制備，尤其是電化學(xué)傳感器。一方面，離子液體可作為一種新型電解質(zhì)；另一方面，離子液體復(fù)合納米材料能有效改善電極表面的導(dǎo)電率。高粘性的離子液體可以作為電極材料的粘合劑，有效地將生物分子固定在電極的表面。較低的蒸汽壓、寬的化學(xué)窗口、高的電子傳導(dǎo)率和好的化學(xué)穩(wěn)定性能夠提高傳感器的電化學(xué)性能[8]。在電化學(xué)生物傳感器中，通常以水作為介質(zhì)，其波動性和較窄的溫度范圍都限制了其發(fā)展。將離子液體應(yīng)用于電化學(xué)生物傳感器中，可以避免此類麻煩。良好的生物相容性可以增強(qiáng)生物分子（如酶、抗體）的活性，對于目標(biāo)分子的檢測更加靈敏。

1 離子液體的分類

離子液體(Ionic Liquids，ILs)，又稱室溫熔融鹽，一般是由有機(jī)陽離子和無機(jī)陰離子組成[9]。離子液體種類繁多，如果按照陽離子種類分類，主要有以下幾類：季銨鹽類、咪唑類和吡啶類。若根據(jù)陰離子分離，則主要有金屬類 （如、、等）和非金屬類（、、CF3COO－等）。常用陽離子型和陰離子型離子液體見表1。與常規(guī)溶劑相比，離子液體具有難揮發(fā)性、低毒性、高導(dǎo)電性等優(yōu)異性質(zhì)，常作為一種“綠色溶劑”廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括功能材料的制備、催化、有機(jī)合成、電化學(xué)分析等[10]。在電化學(xué)傳感方面，離子液體因其優(yōu)異的電化學(xué)特性，常常作為一種用于制備復(fù)合材料的新型功能化媒介。

表1 常見陽離子型和陰離子型離子液體Tab.1 Typical structures of cations and anions used for ILs

該文主要介紹了陽離子型和陰離子型離子液體在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用，概括了離子液體適用于電化學(xué)傳感器中的優(yōu)異性能，著重綜述了離子液體及其復(fù)合材料所構(gòu)筑電極界面的研究進(jìn)展。

2 陽離子型離子液體電化學(xué)傳感器

2.1 季銨鹽類離子液體電化學(xué)傳感器

季銨鹽類離子液體是首先被發(fā)現(xiàn)和研究的一類離子液體，季銨根離子由NH4+中一個H或多個H被烴基所取代而形成的，當(dāng)烷基取代的季銨陽離子與多種無機(jī)或有機(jī)陰離子結(jié)合即形成了各種各樣的季銨類陽離子。Mbouguen等[11]利用三甲基丙基銨(TMPA)與天然粘土結(jié)合，將形成的有機(jī)粘土沉積到玻碳電極表面，作為多酚氧化酶(PPO)的固定基質(zhì)。由于PPO與TMPA－粘土之間存在靜電作用，所以當(dāng)酶修飾到有機(jī)粘土膜上后，能夠?qū)崿F(xiàn)對兒茶酚的高靈敏檢測。實(shí)驗(yàn)表明這種離子液體有機(jī)復(fù)合膜能夠保持酶良好的生物活性，其線性范圍為 0.02～12 μmol/L，檢測限可達(dá)到 0.009 μmol/L。 Kamga 等[12]利用 TMPA 有機(jī)粘土膜與二茂鐵結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了抗壞血酸和尿酸的同時檢測，采用循環(huán)伏安法能有效地將兩種待測物的氧化峰分離開來(△E＞400 mV)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。

2.2 咪唑類離子液體電化學(xué)傳感器

咪唑類離子液體是目前研究最為廣泛的一類離子液體。咪唑?yàn)槲逶s環(huán)化合物，當(dāng)一個正離子取代基R+去進(jìn)攻帶有孤對電子的N原子時，形成了五元環(huán)的大π鍵，此時即形成了一個穩(wěn)定的有機(jī)陽離子。由于咪唑環(huán)的各個位置都可以帶有不同的取代基，這樣帶有不同取代基的咪唑陽離子與其他陰離子組合在一起即為咪唑類離子液體。Liu等[13]制備了摻雜磷鉬雜酸的咪唑類離子液體修飾碳糊電極，用于檢測亞硝酸鹽，檢測下限為0.45 μmol/L。Elaheh等[14]成功合成了一種新型咪唑類離子液體(MImEO8BS)，如圖1所示，可用于三維結(jié)構(gòu)聚合鎳(Ni)復(fù)合納米材料的制備，復(fù)合材料NiPILNF修飾電極可以用于同時檢測華法林鈉和曲馬多，華法林鈉的氧化峰電位明顯負(fù)移，說明該修飾電極對待測物具有良好的電催化活性。Sun等[15]合成了1-丁基-3-甲基咪唑六氟硼酸鹽 ([(Bmim)PF6])-殼聚糖-二氧化鈦-石墨烯復(fù)合材料，作為血紅蛋白在電極表面的固定基質(zhì)。結(jié)果表明復(fù)合材料可以保持血紅蛋白的生物活性，通過電化學(xué)檢測可以明顯觀察到其對應(yīng)的Fe(III)/Fe(II)氧化還原峰。將復(fù)合材料修飾到玻碳電極上用于檢測過氧化氫，在1~1170 μmol/L濃度范圍成良好的線性關(guān)系，檢測下限為0.3 μmol/L。

圖1 NiPILNF修飾電極示意圖[14]Fig.1 Schematic representation of the NiPILNF modified electrode[14]

2.3 吡啶類離子液體電化學(xué)傳感器

吡啶類離子液體是近年來除咪唑類離子液體外研究最多的離子液體。吡啶為六元環(huán)含氮化合物，其結(jié)構(gòu)類似于苯，氮原子上有一對孤對電子，所以易與H+與R+結(jié)合形成相應(yīng)的吡啶陽離子，烴基取代的吡啶陽離子與多種無機(jī)或有機(jī)離子形成了不同種類的吡啶類離子液體。Chandrashekar等[16]采用1-丁基-4-甲基-吡啶四氟硼酸鹽修飾碳糊電極(BMPTB/CPE)，通過循環(huán)伏安法(CV)和差分脈沖法(DPV)探究腎上腺素在該修飾電極上的電化學(xué)行為，其氧化峰電流在濃度為5~45 μmol/L范圍內(nèi)成良好的線性關(guān)系 （圖2）。Sun等[17]也通過吡啶類碳糊電極用于檢測蘆丁，峰電流較傳統(tǒng)碳糊電極增加了約27.5倍，對蘆丁顯示出強(qiáng)烈的電催化活性，且修飾電極表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和抗干擾能力。Pandurangachar等[18]通過循環(huán)伏安法(CV)法將1-丁基-4-甲基吡啶四氟硼酸鹽(BMPIB)電沉積在電極表面，在多巴胺、尿酸和抗壞血酸共存的情況實(shí)現(xiàn)了同時檢測，為實(shí)際樣品中同時測定三種物質(zhì)提供了一種新方法。

3 陰離子型離子液體電化學(xué)傳感器

3.1 金屬類離子液體電化學(xué)傳感器

金屬類離子液體主要為烷基咪唑和烷基吡啶的其他金屬絡(luò)合物， 如、、、等。此類離子液體具有可調(diào)控酸堿性，構(gòu)成的陰離子部分價格低廉，但是在空氣中很不穩(wěn)定，遇水也極易分解變質(zhì)，因此在電化學(xué)傳感應(yīng)用較少。Branco等[19]報(bào)道了一種基于鈷-EDTA離子液體的電致變色傳感器，用于檢測液態(tài)電池中二茂鐵的氧化過程。Fan等[20]利用[BMIM+][Dy(N]和[BMIM+][Sm(N]等稀有金屬離子液體實(shí)現(xiàn)了對Fe3+選擇性檢測，檢測下限可以達(dá)到9.4 μmol/L，可用實(shí)際水樣中Fe3+的監(jiān)測。

圖2 A-BMPTB修飾在碳糊電極上的循環(huán)伏安圖；B-氧化峰電流與離子液體掃描周期關(guān)系圖；C-電極表面掃描電鏡圖：(a)裸CPE、(b)BMPTB/CPE[16]Fig.2 A-Cyclic voltammo gram of electrocatalytic deposition of BMPTB on CPE.B-Graph of anodic peak current of EN versus number of scan cycles of the modifier.C-SEM images of(a)bare carbon paste electrode and(b)BMPTB/CPE[16]

3.2 非金屬類離子液體電化學(xué)傳感器

非金屬類離子液體主要由咪唑陽離子和四氟硼酸、六氟磷酸等陰離子構(gòu)成。此類離子液體具有粘度更小、電化學(xué)窗口更寬、化學(xué)性能更穩(wěn)定等特點(diǎn)。由于金屬類離子液體不穩(wěn)定，所以非金屬類離子液體被廣泛研究和應(yīng)用。常用于電化學(xué)的非金屬類離子液體主要有咪唑硼酸鹽、咪唑磷酸鹽、吡啶磺酸鹽等。Zhan等[21]通過共沉淀法合成了1-氨基丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽，與片狀的Zn-Al雙氫氧化物組合得到了一種層狀復(fù)合材料(ILs-LDH)，將該納米材料修飾到玻碳電極(GCE)表面，得到一種靈敏檢測雙酚A的新型電化學(xué)傳感器。雙酚A在ILs-LDH/GCE電化學(xué)行為與裸GCE、LDH/GCE相比，氧化峰電流最大，氧化峰電位明顯負(fù)移，說明該修飾電極對雙酚A有良好的電催化活性，檢測下限達(dá)到了4.6 nmol/L，此方法已經(jīng)成功應(yīng)用于真實(shí)水樣中雙酚A檢測，回收率為94.9%~102.0%。Sukumaran等[22]報(bào)道了一種無標(biāo)記的離子液體（1-丁基-3甲基咪唑四氟硼酸鹽）功能化氮摻雜石墨烯修飾電極（如圖3所示），利用離子液體的靜電作用將目標(biāo)DNA捕獲到電極表面，用于檢測互補(bǔ)、非互補(bǔ)DNA和堿基錯配的DNA序列，線性范圍為10~50 nmol/L，檢測下限為8.12 nmol/L。

4 離子液體納米復(fù)合膜

近年來，離子液體作為新型功能化媒介、流體和材料已經(jīng)逐漸代替了傳統(tǒng)的溶劑或電解質(zhì)。離子液體一直被認(rèn)為是構(gòu)建多功能化和高潛力型新穎材料的重要模塊。離子液體功能化后的復(fù)合材料具有不同于傳統(tǒng)分子材料的優(yōu)點(diǎn)：

（1）通過化學(xué)鍵修飾或者離子交換，形成離子液體為骨架的新型離子型復(fù)合材料；

（2）這些功能材料不僅保留了原始材料的主要性質(zhì)，還具有相應(yīng)離子液體的離子特性，而離子液體的本質(zhì)就是能夠提供這些分子材料中所缺乏的離子導(dǎo)電性，以及被修飾材料表面會帶有許多特定的功能化基團(tuán)，拓展其應(yīng)用范圍；

圖3 離子液體修飾氮摻雜石墨修飾電極檢測DNA傳感器原理圖[22]Fig.3 Representation of ionic liquid modified nitrogen doped graphene as a selective platform for the electrochemical DNA analysis.(i)ssDNA,(ii)ssDNA+ncDNA and(iii)ssDNA+cDNA[22]

（3）較低的蒸汽壓力與寬的電化學(xué)窗口以及良好的熱、機(jī)械、化學(xué)和電化學(xué)穩(wěn)定性結(jié)合，使得能夠在極端條件（例如高溫或超低溫、高真空或壓力）下合成基于離子液體的多種材料；

（4）其組成離子和官能團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及烷基鏈可變長度的無限組合，可允許設(shè)計(jì)或定制具有特定性質(zhì)例如熔點(diǎn)、粘度、密度、極性、溶解性、疏水性/親水性和電導(dǎo)率等基于離子液體的材料。

離子液體能夠與各種材料形成不同特性的復(fù)合物，極大地拓寬了離子液體在電化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用前景。目前基于離子液體復(fù)合膜的電化學(xué)傳感器主要分為兩大類：即離子液體-碳材料復(fù)合膜和離子液體-金屬納米復(fù)合膜。

圖4 單壁碳納米管分散在BMIBF4中的透射電鏡圖[25]Fig.4 TEM image of SWNTs dispersed in

4.1 離子液體-碳材料復(fù)合膜

碳材料(CNM)由于具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特征，已被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中。目前應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中的碳納米材料主要有富勒烯 (C60)、石墨烯 (GN)、單壁碳納米管(SWCNT)、多壁碳納米管(MWCNT)、碳纖維(CF)和碳量子點(diǎn)(CD)等[23]。優(yōu)異的電化學(xué)性能、較低的背景電流以及低廉的價格大大拓寬了碳材料在電化學(xué)分析中的應(yīng)用范圍[24]。離子液體與碳材料的復(fù)合物(IL-CNM)不僅結(jié)合了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，還能產(chǎn)生優(yōu)于材料本身的物理化學(xué)性質(zhì)，大大促進(jìn)了電化學(xué)傳感器的發(fā)展。2003年Fukushima[25]首次提出將CNT與IL研磨制備得到了一種新型凝膠結(jié)構(gòu)“巴基膠”(見圖4)。IL-CNM復(fù)合物優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和電子傳導(dǎo)率引起了人們的廣泛關(guān)注，基于離子液體-碳材料的電化學(xué)傳感器已有相關(guān)報(bào)道。

碳量子點(diǎn)(CD)作為一種尺寸小于10 nm的離散型納米顆粒，具有低毒性和良好的生物相容性[26-27]。如圖5所示，Li等[28]利用離子液體功能化碳量子點(diǎn)，通過共價作用將葡萄糖氧化酶固定在IL-CD修飾的玻碳電極上，制備的葡萄糖電化學(xué)傳感器檢測下限為7 μmol/L。采用循環(huán)伏安法(CV)表征電極，結(jié)果表明IL-CD有效改善了葡萄糖氧化酶與電極之間的電子傳遞。

圖5 IL-CDs復(fù)合材料的合成原理圖[28]Fig.5 Schematic of the synthesis of IL-CDs[28]

石墨烯具有比表面積大、催化活性較高和導(dǎo)電性好等優(yōu)勢，自2004年[29]發(fā)現(xiàn)以來，作為一種電極材料已廣泛應(yīng)用于電化學(xué)傳感器中。Sun課題組[30]利用離子液體、氧化石墨烯制備得到的Nafion/Hb-GO-IL/CILE對不同的底物（如三氯乙酸、過氧化氫和亞硝酸鈉）都具有良好的電催化活性。其檢測過氧化氫的線性范圍是0.08~635 μmol/L，檢測限可達(dá)到 0.0137 μmol/L。 Li等[31]成功合成了一種新型離子液體—1,3-2(4-氨基-1-吡啶)丙烷四氟硼酸鹽(DAPPT)，如圖6所示，通過殼聚糖與戊二醛的交聯(lián)作用將血紅蛋白固定在DAPPT-GN上，構(gòu)建了一種新型傳感界面用于過氧化氫的電化學(xué)還原，檢測下限為0.08 μmol/L。

圖6 Gr-DAPPT(a)和CHI/Gr-DAPPT–Hb(b)修飾電極的掃描電鏡圖[31]Fig.6 SEM of Gr-DAPPT/GCE(a)and CHI/Gr-DAPPT–Hb/GCE(b)[31]

目前基于離子液體修飾碳糊電極(CILE)負(fù)載石墨烯的電化學(xué)傳感器也有許多報(bào)道[32-33]。Sun等[32]以離子液體為粘合劑制備了碳糊電極，在其表面電還原石墨烯和金納米，構(gòu)筑了一種用于檢測DNA的電化學(xué)平臺。如圖7所示，在CILE表面電還原GN和AuNPs后，ssDNA通過與巰基乙酸的共價相互作用被修飾到電極上，以亞甲基藍(lán)為雜交信號指示劑，實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)DNA電化學(xué)檢測。采用差分脈沖法(DPV)進(jìn)行測試，目標(biāo)DNA在1.0×10-12~1.0×10-6mol/L范圍內(nèi)成良好的線性關(guān)系，檢測下限可至2.9×10-13mol/L。此外，該DNA傳感器還可以檢測單堿基和三堿基錯配的ssDNA序列?；贗L-GN電化學(xué)傳感器還可以檢測更多的活性小分子，如葡萄糖、一氧化氮、腺嘌呤、膽固醇、多巴胺和尿酸[34-39]等。Ping等[34]采用一步電沉積法將還原的氧化石墨烯(rGO)直接修飾在摻雜了IL的絲網(wǎng)印刷電極(SPE)上，實(shí)現(xiàn)了對NADH和H2O2靈敏檢測。與單獨(dú)的IL-SPE相比，該修飾電極顯示出更快的電子遷移速率，這可能是由于rGO高密度的結(jié)構(gòu)缺陷所導(dǎo)致的。

圖7 離子液體修飾碳糊電極DNA電化學(xué)傳感器示意圖[32]Fig.7 Schematic representation of the electrochemical DNA biosensor with IL[32]

圖8 無標(biāo)記檢測免疫球蛋白電化學(xué)傳感器原理示意圖[43]Fig.8 The schematic of the principle for label-free electrochemical IgE biosensing[43]

碳納米管(CNT)在電化學(xué)傳感器中作為另一種常用的納米材料[40-41]，不僅可以通過共價作用來固定生物分子，還能加快電子傳遞速率。然而，單獨(dú)的CNTs容易團(tuán)聚在一起，因此大大限制了其應(yīng)用范圍。Fukushima[25]首次發(fā)現(xiàn)了將SWCNTs分散在IL中，SWCNT-IL通過陽離子-π作用結(jié)合在一起，所形成的一種黑色溶膠能有效改善碳納米管的纏繞現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)單根碳納米管的分散。Keihan等[42]采用MWCNT/IL/PB修飾玻碳電極用于靈敏檢測膽堿。膽堿氧化酶通過交聯(lián)劑固定在電極表面，引入普魯士藍(lán)(PB)來降低檢測膽堿時H2O2過度電位，在堿性條件下Ni2+能保持PB的穩(wěn)定性,線性范圍為 4.5×10-7~1.0×10-4mol/L，檢測下限可至4.5×10-7mol/L。Khezrian等[43]開發(fā)出了一種基于MWCNT/IL/chitosan復(fù)合納米材料的簡單靈敏電化學(xué)傳感裝置（如圖8），在提高目標(biāo)DNA分子負(fù)載量的同時還能增強(qiáng)電極導(dǎo)電性。以戊二醛作為連接體，利用殼聚糖自帶的氨基共價作用，將5＇-端帶氨基的適配體修飾到復(fù)合材料上，亞甲基藍(lán)(MB)通過與DNA相互作用進(jìn)入適配體內(nèi)，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電化學(xué)信號，一旦加入免疫球蛋白，會與DNA發(fā)生互補(bǔ)配對，釋放出MB，電信號迅速降低，以此達(dá)到檢測生物分子的目的。檢測免疫球蛋白的線性范圍為0.5~30 nmol/L，檢測下限可以達(dá)到37 pmol/L，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于人體血清中的免疫球蛋白檢測具有重要的實(shí)際應(yīng)用價值。

4.2 離子液體-金屬納米材料復(fù)合膜

金屬納米材料在應(yīng)用于電化學(xué)傳感領(lǐng)域方面[44-45]具有巨大潛能。高的化學(xué)（生物）相容性、巨大的表面能和電催化活性，致使許多金屬納米復(fù)合材料已被用于傳感器分析中。對于低成本，大規(guī)模生產(chǎn)的可控尺寸和組成、界面和分布、成核和生長、穩(wěn)定性、放大合成和組裝是目前材料合成的主要關(guān)注點(diǎn)。金屬納米顆粒作為納米材料的其中一員，本身具有特定的尺寸效應(yīng)，不同的金屬顆粒（如金、鉑和銀）有著其特定的電、光、磁以及化學(xué)性能，且易于合成、表征和表面功能化。而離子液體作為金屬納米材料的分散介質(zhì)以及功能化媒介[46]，不僅是一種表面活性劑，讓金屬納米表面帶有相同的正負(fù)電荷，通過靜電作用穩(wěn)定分散在離子液體中，還能使金屬納米材料表面帶上特定的基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)金屬表面的功能化。

金納米(GNPs)作為傳感器中研究最多的金屬納米材料，最大的優(yōu)勢就在于其高表面自由能以及簡單、成熟的制備過程。如圖9，Kwak等[47]利用三巰基磺酸鹽生成的陰離子型Au25，與陽離子型離子液體（1-葵基-3-甲基咪唑硼酸鹽，DMIm）進(jìn)行配對，得到了量子尺寸的Au25納米簇(DMIm-Au25)。實(shí)驗(yàn)證明，DMIm-Au25容易在電極表面形成一層致密的導(dǎo)電復(fù)合膜。該復(fù)合材料結(jié)合了IL和Au25兩者的性質(zhì)，作為新型的電化學(xué)傳感界面材料，引入葡萄糖氧化酶后，檢測葡萄糖的線性范圍為0.028~2.0 mmol/L，檢測靈敏度為 0.76 μA L/mmol。Liu等[48]報(bào)道了一種靈敏的電化學(xué)免疫傳感器，將抗體修飾在離子液體功能化的GN/GNP復(fù)合材料上，該修飾電極對于檢測癌胚抗原時表現(xiàn)出非常高的靈敏度，最低檢測下限可達(dá)到 0.1 fg/mL(S/N=3)。Kavosi等[49]利用 GNPs、聚酰酰胺 (PAMA)、碳納米管和離子液體多組分材料制備了一種檢測前列腺特異性抗原 (PSA)的電化學(xué)傳感器。該傳感器對于PSA的檢測下限為1 pg/mL,在人體血清中的檢測下限為0.5 ng/mL，且修飾電極具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

圖9 GOx-DMIm-Au25修飾電極檢測葡萄糖原理圖[47]Fig.9 Schematic illustration of processes occurring in a GOx-DMIm-Au25composite electrode[47]

鉑納米(PtNPs)在電化學(xué)傳感器中應(yīng)用也較為廣泛。Roushani等[50]通過PtNPs與GN/IL/chitosan復(fù)合材料制得了一種絨膜促性腺激素(hCG)的電化學(xué)傳感器，如圖10所示，利用蘆丁作為氧化還原探針，將PtNPs連接到GN/IL/chitosan修飾電極上，利用Pt與hCG抗體氨基之間的化學(xué)鍵作用，將hCG的抗體固定在電極表面。分別采用了差分脈沖法(DPV)、循環(huán)伏安法(CV)和交流阻抗分析法(EIS)三種電極表征方法來研究修飾界面的電化學(xué)活性，當(dāng)抗體與hCG相互作用時，蘆丁的峰電流就會降低，以此來達(dá)到檢測hCG目的。線性范圍為0.00106~2.12 mIU/mL和2.12~350 mIU/mL，檢測限達(dá)到了0.00035 mIU/mL，由此可以說明基于離子液體和鉑納米的電化學(xué)傳感器對于檢測hCG具有良好的選擇性。

圖10 絨膜促性腺激素(hCG)電化學(xué)傳感器原理圖[50]Fig.10 The schematic illustration for fabrication of the electrochemical immunosensor[50]

除了貴金屬納米材料之外，金屬氧化物、金屬硫化物和金屬氮化物也常用于電化學(xué)分析。Zhu等[51]報(bào)道了一種基于棒狀硫鉍(rBi2S3)納米顆粒的傳感器，首先將rBi2S3負(fù)載在包含離子液體的碳糊電極(IL-CPE)上，再將聚苯胺修飾在納米顆粒的表面。采用交流阻抗法和循環(huán)伏安法來檢測DNA，當(dāng)DNA探針與目標(biāo)DNA雜交時，交流阻抗會隨著目標(biāo)DNA濃度的增加而增大。對目標(biāo) DNA的檢測下限可達(dá)到 4.37×10-16mol/L。Saadati等[52]設(shè)計(jì)了一種基于離子液體/氮化鈦納米顆粒(TiNNPs)的電化學(xué)傳感器，將IL末端的氨基進(jìn)行電化學(xué)氧化，然后通過共價鍵作用連接到TiNNPs上，血紅蛋白與IL之間的靜電作用被吸附在電極表面，對亞硝酸鹽檢測顯現(xiàn)出良好的電化學(xué)活性，可用于實(shí)際樣品中亞硝酸根的測定。關(guān)于金屬氧化物的電化學(xué)傳感器比其他金屬化合 物 更 多 ， 如 Fe3O4、ZnO、CeO2、NiO、CdO、ZrO2等。Sun等[53]將GN/ZrO2復(fù)合材料負(fù)載在CILE上，通過計(jì)算電化學(xué)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)GN/ZrO2能顯著提高了CILE的電化學(xué)活性，可用于同時檢測人體尿樣中腺苷酸和鳥苷酸，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人滿意。Lou等[54]利用IL功能化層狀Mg2Al雙金屬氫氧化物（見圖11），制備了肌紅蛋白電化學(xué)傳感器，同時發(fā)現(xiàn)肌紅蛋白可以一直維持良好的活性，說明離子液體復(fù)合材料具有良好的生物相容性。

圖11 A-紅外光譜圖：(a)Mg2Al、(b)1-甲基-3-羧甲基咪唑四氟硼酸鹽-Mg2Al、(c)1-甲基-3-羧甲基咪唑四氟硼鹽；B-X 射線衍射圖：(a)Mg2Al、(b)1-甲基-3-羧甲基咪唑四氟硼酸鹽-Mg2Al；C-透射電鏡圖：(a)Mg2Al、(b)1-甲基-3-羧甲基咪唑四氟硼酸鹽-Mg2Al；D-掃描電鏡圖：(a)1-甲基-3-羧甲基咪唑四氟硼酸鹽-Mg2Al、(b)1-甲基-3-羧甲基咪唑四氟硼酸鹽-Mg2Al-肌紅蛋白[54]Fig.11 A FT-IR spectra of(a)LDH,(b)CMMIMBF4-LDH,and(c)CMMIMBF4;B XRD patterns of(a)LDH and(b)CMMIMBF4-LDH;C TEM images of(a)pristine LDH and(b)CMMIMBF4-LDH;D SEM images of(a)CMMIMBF4-LDH and(b)CMMIMBF4-LDH-Mb[54]

5 總結(jié)與展望

離子液體作為一種新型功能材料，因其良好的生物相容性和導(dǎo)電性，被廣泛用于電化學(xué)傳感器的界面構(gòu)建。離子液體復(fù)合膜不僅能提高修飾電極的電子轉(zhuǎn)移能力，好的生物相容性也為在電極上固定活性分子提供了新思路、新方法。離子液體作為一種功能化媒介，如何利用離子液體將不同納米材料獨(dú)特的電化學(xué)優(yōu)勢有效地結(jié)合起來，提高電極的識別能力和靈敏度，這是離子液體電化學(xué)傳感器的重要研究方向和發(fā)展趨勢。

[1]Gabriel S,Weiner J.Ueber einige abk?mmlinge des propylamins[J].Berichte Der Deutschen Chemischen Gesellschaft,1888,21(2):2669-2679.

[2]Walden P.Molecular weight and electrical conductivity of several fused salts[J].Bulletin Academie Imperiale Sciences,1914,8:405-422.

[3]Dean P M,Pringle J M,MacFarlane D R.Structural analysis of low melting organic salts:perspectives on ionic liquids[J].Physical Chemistry Chemical Physics,2010,12(32):9144-9153.

[4]Hasanzadeh M,Shadjou N,Eskandani M,et al.Roomtemperature ionic liquid-based electrochemical nanobiosensors[J].Trac Trends in Analytical Chemistry,2012,41:58-74.

[5]Ueki T,Watanabe M.Macromolecules in ionic liquids:progress,challenges,and opportunities[J].Macromolecules,2008,41(11):3739-3749.

[6]Buzzeo M C,Evans R G,Compton R G.Non-haloaluminate room-temperature ionic liquids in electrochemistrya review[J].Chemphyschem,2004,5(8):1106-1120.

[7]Hough W L,Smiglak M,Rodríguez H,et al.The third evolution of ionic liquids:active pharmaceutical ingredients[J].New Journal of Chemistry,2007,31(8):1429-1436.

[8]Akhmetshina A A,Davletbaeva I M,Grebenschikova E S,et al.The effect of microporous polymeric support modification on surface and gas transport properties of supported ionic liquid membranes[J].Membranes,2015,6(1):4-22.

[9]Shiddiky M J A,Torriero A A J.Application of ionic liquids in electrochemical sensing systems[J].Biosensors and Bioelectronics,2011,26(5):1775-1787.

[10]Torimoto T,Tsuda T,Okazaki K,et al.New frontiers in materials science opened by ionic liquids[J].Advanced Materials,2010,22(11):1196-1221.

[11]Mbouguen J K,Ngameni E,Walcarius A.Quaternary ammonium functionalized clay film electrodes modified with polyphenol oxidase for the sensitive detection of catechol[J].Biosensors and Bioelectronics,2007,23(2):269-275.

[12]Kamga W J,Forano C,Bessehoggan P,et al.Electrochemical determination of mesotrione at organoclay modified glassy carbon electrodes[J].Talanta,2013,103:337-343.

[13]Liu H,He P,Li Z,et al.An ionic liquid-type carbon paste electrode and its polyoxometalate-modified properties[J].Electrochemistry Communications,2005,7(12):1357-1363.

[14]Elaheh Molaakbari,Ali Mostafavi,Hadi Beitollahi,et al.Synthesis ofconductive polymeric ionic liquid/Ni nanocomposite and its application to construct a nanostructure based electrochemical sensor for determination of warfarin in the presence of tramadol[J].Talanta,2017,171:25-31.

[15]Sun J Y,Huang K J,Zhao S F,et al.Direct electrochemistry and electrocatalysis of hemoglobin on chitosanroom temperature ionic liquid-TiO2-graphene nanocomposite film modified electrode[J].Bioelectrochemistry,2011,82(2):125-130.

[16]Chandrashekar B N,Swamy B E K,Ashoka N B,et al.Simultaneous electrochemical determination of epinephrine and uric acid at 1-butyl-4-methyl-pyridinium tetrafluroborate ionic liquid modified carbon paste electrode:a voltammetric study[J].Journal of Molecular Liquids,2012,165:168-172.

[17]Sun W,Yang M,Li Y,et al.Electrochemical behavior and determination of rutin on a pyridinium-based ionic liquid modified carbon paste electrode[J].Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis,2008,48(5):1326-1331.

[18]Pandurangachar M,Swamy B E K,Chandrashekar B N,et al.Electrochemical deposition of 1-butyl-4-methylpyridinium tetrafluroborate ionic liquid on carbon pasteelectrode and its application for the simultaneous determination of dopamine,ascorbic acid and uric acid[J].Journal of Molecular Liquids,2011,158(1):13-17.

[19]Branco A,Branco L C,Pina F.Electrochromic and magnetic ionic liquids[J].Chemical Communications,2011,47(8):2300-2302.

[20]Fan B,Wei J,Ma X,et al.Synthesis of lanthanide-based room temperature ionic liquids with strong luminescence and selective sensing of Fe(III)over mixed metal ions[J].Industrial and Engineering Chemistry Research,2016,55(7):2267-2271.

[21]Zhan T,Song Y,Li X,et al.Electrochemical sensor for bisphenol A based on ionic liquid functionalized Zn-Al layered double hydroxide modified electrode[J].Materials Science and Engineering:C,2016,64:354-361.

[22]Sukumaran P,Vineesh T V,Rajappa S,et al.Ionic liquid modified N-doped graphene as a potential platform for the electrochemical discrimination of DNA sequences[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2017,247:556-563.

[23]Georgakilas V,Perman J A,Tucek J,et al.Broad family of carbon nanoallotropes:classification,chemistry,and applicationsoffullerenes,carbon dots,nanotubes,graphene,nanodiamonds,and combined superstructures[J].Chemical Reviews,2015,115(11):4744-4822.

[24]Baptista F R,Belhout S A,Giordani S,et al.Recent developments in carbon nanomaterial sensors[J].Chemical Society Reviews,2015,44(13):4433-4453.

[25]Fukushima T,Aida T.Fukushima,T.,et al.Molecular ordering of organic molten salts triggered by single-walled carbon nanotubes[J].Science,2003,300(5628):2072-2074.

[26]Baker S N,Baker G A.Luminescent carbon nanodots:emergent nanolights[J].Angewandte Chemie International Edition,2011,42(3):6726-6744.

[27]Lim S Y,Shen W,Gao Z.Carbon quantum dots and their applications[J].Chemical Society Reviews,2015,44(1):362-381.

[28]Li H,Chen L,Wu H.,et al.Ionic liquid-functionalized fluorescent carbon nanodots and their applications in electrocatalysis,biosensing,and cell imaging[J].Langmuir,2015,30:15016-15020.

[29]Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Roomtemperature electric field effect and carrier-type inversion in graphene films[J].Science,2004,306:666-669.

[30]Sun W,Gong S,Shi F,et al.Direct electrochemistry and electrocatalysis of hemoglobin in graphene oxide and ionic liquid composite film[J].Materials Science and Engineering C,2014,40:235-241.

[31]Li R,Liu C,Ma M,et al.Synthesis of 1,3-di(4-amino-1-pyridinium)propane ionic liquid functionalized graphene nanosheets and its application in direct electrochemistry of hemoglobin[J].Electrochimica Acta,2013,95:71-79.

[32]Sun W,Qi X,Zhang Y,et al.Electrochemical DNA biosensor for the detection of Listeria monocytogenes,with dendritic nanogold and electrochemical reduced graphene modified carbon ionic liquid electrode[J].Electrochimica Acta,2012,85:145-151.

[33]Sun W,Zhang Y,Hu A,et al.Electrochemical DNA biosensor based on partially reduced graphene oxide modified carbon ionic liquid electrode for the detection of transgenic soybean A2704-12 gene sequence[J].Electroanalysis,2013,25(6):1417-1424.

[34]Ping J,Wang Y,Fan K,et al.Direct electrochemical reduction of graphene oxide on ionic liquid doped screenprinted electrode and its electrochemical biosensing application[J].Biosensors and Bioelectronics,2011,28:204-209.

[35]Chen H,Zhao G.Nanocomposite of polymerized ionic liquid and graphene used as modifier for direct electrochemistry of cytochrome and nitric oxide biosensing[J].Journal of Solid State Electrochemistry,2012,16:3289-3297.

[36]Sun W,Liu J,Ju X,et al.Highly sensitive electrochemical detection of adenine on a graphene-modified carbon ionic liquid electrode[J].Ionics,2013,19(4):657-663.

[37]Gholivand M B,Khodadadian M.Amperometric cholesterol biosensor based on the direct electrochemistry of cholesterol oxidase and catalase on a graphene/ionic liquid-modified glassy carbon electrode[J].Biosensors and Bioelectronics,2014,53:472-478.

[38]Wang C,Xu P,Zhuo K.Ionic liquid functionalized graphene-based electrochemical biosensor for simultaneous determination of dopamine and uric acid in the presence of ascorbic acid[J].Electroanalysis,2014,26(1):191-198.

[39]Lu X,Wang X,Jin J.Electrochemical biosensing platform based on amino acid ionic liquid functionalized graphene for ultrasensitive biosensing applications[J].Biosensors and Bioelectronics,2014,62:134-139.

[40]Ojeda I,Barrejón M,Arellano L M.Grafted-double walled carbon nanotubes as electrochemical platforms for immobilization of antibodies using a metallic-complexchelating polymer:application to the determination of adiponectin cytokine in serum[J].Biosensors and Bioelectronics,2015,74:24-29.

[41]Govindhan M,Lafleur T,Adhikari B.Electrochemical sensor based on carbon nanotubes for the simultaneous detection of phenolic pollutants[J].Electroanalysis,2015,27(4):902-909.

[42]Keihan A H,Sajjadi S,Sheibani N,et al.A highly sensitive choline biosensor based on bamboo-like multiwall carbon nanotubes/ionic liquid/prussian blue nanocomposite[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2014,204:694-703.

[43]Khezrian S,Salimi A,Teymourian H,et al.Label-free electrochemical IgE aptasensor based on covalent attachment of aptamer onto multiwalled carbon Nanotubes/ionic liquid/chitosan nanocomposite modified electrode[J].Biosensors and Bioelectronics,2013,43:218-225.

[44]Prakash S,Chakrabarty T,Singh A K,et al.Polymer thin films embedded with metal nanoparticles for electrochemical biosensors applications[J].Biosensors and Bioelectronics,2013,41:43-53.

[45]Putzbach W,Ronkainen N J.Immobilization techniques in the fabrication of nanomaterial-based electrochemical biosensors:a review[J].Sensors,2013,13(4):4811-4840.

[46]Chaudhary G R,Bansal S,Saharan P,et al.Applications of surface modified ionic liquid/nanomaterial composite in electrochemical sensors and biosensors[J].Bionanoscience,2013,3(3):241-253.

[47]Kwak K,Kumar S S,Pyo K,et al.Ionic liquid of a gold nanocluster:a versatile matrix forelectrochemical biosensors[J].ACS Nano,2014,8(1):671-679.

[48]Liu N,Chen X,Ma Z.Ionic liquid functionalized graphene/Au nanocomposites and its application for electrochemical immunosensor[J].Biosensors and Bioelectronics,2013,48:33-38.

[49]Kavosi B,Salimi A,Hallaj R,et al.A highly sensitive prostate-specific antigen immunosensor based on gold nanoparticles/PAMAM dendrimer loaded on MWCNTS/chitosan/ionic liquid nanocomposite[J].Biosensors and Bioelectronics,2014,52:20-28.

[50]Roushani M,Valipour A.Using electrochemical oxidation of rutin in modeling a novel and sensitive immunosensor based on Pt nanoparticle and graphene–ionic liquid–chitosan nanocomposite to detect human chorionic gonadotropin[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2016,222:1103-1111.

[51]Zhu Q,Gao F,Yang Y,et al.Electrochemical preparation of polyaniline capped Bi2S3,nanocomposite and its application in impedimetric DNA biosensor[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2015,207:819-826.

[52]Saadati S,Salimi A,Hallaj R,et al.Layer by layer assembly of catalase and amine-terminated ionic liquid onto titanium nitride nanoparticles modified glassy carbon electrode:study of direct voltammetry and bioelectrocatalytic activity[J].Analytica Chimica Acta,2012,753:32-41.

[53]Sun W,Wang X,Sun X,et al.Simultaneous electrochemical determination of guanosine and adenosine with graphene-ZrO2nanocomposite modified carbon ionic liquid electrode[J].Biosensors and Bioelectronics,2013,44:146-151.

[54]Lou J,Lu Y,Zhan T,et al.Application of an ionic liquidfunctionalized Mg2Al layered double hydroxide for the electrochemical myoglobin biosensor[J].Ionics,2014,20:1471-1479.

Recent development and application of electrochemical sensors based on ionic liquid composites

Liu Feng1※,Li Ying-hui2※,Li Yu-qing1,He Jing-lin1,Feng Ze-meng2,Yin Yu-long2,Cao Zhong1*
(1.Collaborative Innovation Center of Micro/nano Bio-sensing and Food Safety Inspection,Hunan Provincial Key Laboratory of Materials Protection for Electric Power and Transportation,School of Chemistry and Biological Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410114,China)(2.Institute of Subtropical Agriculture,Chinese Academy of Sciences,Changsha 410125,China)

國家自然科學(xué)基金（31527803,21545010,21645009）、中國科學(xué)院科技服務(wù)網(wǎng)絡(luò)STS項(xiàng)目(KFJ-SW-STS-173)資助

※共同第一作者。*通信聯(lián)系人,E-mail:zhongcao2004@163.com