石墨烯基納米結(jié)構(gòu)新材料在非酶電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用綜述*

張建斌， 左國防， 王 鵬， 雷新有

(1.甘肅省高校新型分子材料設(shè)計與功能省級重點實驗室,甘肅 天水 741000；2.天水師范學(xué)院 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,甘肅 天水 741000)

0 引 言

石墨烯及其衍生物是電化學(xué)生物傳感器理想的電極材料，在生物傳感領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力?；瘜W(xué)還原氧化石墨烯(reduced grapheme oxide,RGO)制備過程中表面及邊緣的含氧基團增強了親水性，易于吸附檢測物分子?；瘜W(xué)摻雜和表面功能化使其具有更好的表面性能，提高了其在介質(zhì)中的分散性。金屬納米粒子、金屬氧化物或?qū)щ娦跃酆衔锏慕槿耄故┗鶑?fù)合材料在生物傳感技術(shù)中具有更好的催化和電化學(xué)活性[1]。

基于石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)和良好的電化學(xué)活性，以及可以通過π-π堆積或靜電相互作用吸附各種芳環(huán)分子的能力，實現(xiàn)生物活性酶的有效固定，可用于葡萄糖，過氧化氫(H2O2)、多巴胺(DA)、抗壞血酸(AA)、尿酸(UA)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，以及脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)等生物分子的高選擇性和高靈敏檢測[1,2]。但固定化酶的活性很容易受到諸如pH值、溫度、化學(xué)毒性等因素的影響。此外，高成本，有限壽命，也限制了酶電化學(xué)生物傳感器的實際應(yīng)用。而非酶電化學(xué)傳感器在解決這些問題方面均表現(xiàn)出良好的特性。

本文結(jié)合作者在此領(lǐng)域的工作，探討了石墨烯基質(zhì)材料在非酶電化學(xué)生物傳感領(lǐng)域中的最新應(yīng)用，以期為國內(nèi)開展相關(guān)研究提供文獻參考。

1 非酶電化學(xué)生物傳感器

非酶電化學(xué)生物傳感器的應(yīng)用分為2種類型：特定酶檢測，如葡萄糖和H2O2的檢測；用于檢測類似分析物的電化學(xué)特性，如DA，AA，UA和NADH等。石墨烯優(yōu)異的電催化活性和導(dǎo)電性能，可以阻止金屬納米材料在傳感區(qū)域聚集，已廣泛用于構(gòu)建各種生物小分子檢測的非酶電化學(xué)生物傳感器。

1.1 葡萄糖檢測應(yīng)用

過渡金屬/金屬氧化物/氫氧化物，以及各種貴金屬納米粒子，對葡萄糖的電化學(xué)檢測表現(xiàn)出優(yōu)良的催化性能。羥基氧化鎳(NiOH)在堿性環(huán)境中，是一種很好的葡萄糖氧化催化劑，其催化表現(xiàn)是基于Ni(Ⅲ)/Ni(Ⅱ)的氧化還原電對。Zhan B等人[3]通過簡單的水熱過程沉積Ni(OH)于化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)生長的3D—石墨烯泡沫上(3D—GF)，作為非酶葡萄糖電化學(xué)檢測電極，具有很高的靈敏度(～2.65 mA/((mmol/L)cm2))和優(yōu)異的催化性能，這歸于Ni(OH)2納米片高導(dǎo)電性和3D—GF大的表面積協(xié)同作用的結(jié)果。Wang Z G等人[4]利用所制備的Ni-NP/石墨烯納米復(fù)合物修飾電極檢測葡萄糖，該電極對UA表現(xiàn)出良好的抗干擾性能。采用電化學(xué)還原合成和電沉積的RGO—鐵氰化鎳(RGO-NiNPs)復(fù)合材料，對葡萄糖的檢測顯示出比純NiNPs更高的靈敏性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)石墨烯修飾電極對葡萄糖的催化氧化需要非常高的電位，而葡萄糖在NiO—石墨烯修飾的玻碳電極(NiO—石墨烯/GCE)界面氧化電位顯著降低。Cu及其氧化物，基于良好的電化學(xué)活性，是非酶葡萄糖電化學(xué)檢測常見的電極材料。Wang Q等人[5]采用電泳沉積(electrophoretic deposition,EPD)技術(shù)報道了同時還原/沉積RGO/CuNPs。制備的修飾電極對各種生化分子，如DA，UA，AA和碳水化合物的檢測表現(xiàn)出良好的選擇性。Luo L Q等人[6]采用兩步電化學(xué)反應(yīng)，制備的CuO/石墨烯納米復(fù)合材料修飾電極對葡萄糖表現(xiàn)出更佳的檢測性能，靈敏度達到1 360 μA/((mmol/L)cm2)，檢測限為0.7 μmol/L。

此外，Ci S Q等人[7]通過超聲波噴霧法設(shè)計了石墨烯負載氧化鈷(CoO)修飾電極，制備的CoO/石墨烯納米微球復(fù)合材料修飾電極對葡萄糖的氧化表現(xiàn)出響應(yīng)快(小于3 s)，檢測范圍寬(0.83 μmol/L～8.61 mmol/L)，檢測限低(0.46 μmol/L)等特點。Wang L等人[8]將3D樹狀Cu-Co納米復(fù)合材料共電沉積于石墨烯—CHIT/GCE，構(gòu)筑了高度敏感的非酶葡萄糖傳感器(Cu-CoNPs/RGO-CHIT)。該方法提高了納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性，增加了復(fù)合材料比表面積，成功地應(yīng)用于實際葡萄糖樣品中的實時檢測。Ci S Q等人[9]制備的CoNPs/N-G對葡萄糖的檢測比CoO/石墨烯復(fù)合材料顯示出更高的靈敏度，達到4 700 μA/((mmol/L)cm2)。

1.2 H2O2檢測應(yīng)用

非酶H2O2檢測的主要問題是存在其他電活性物質(zhì)的干擾，導(dǎo)致其過電位過高。因此，發(fā)展H2O2非酶電化學(xué)傳感器的關(guān)鍵是降低其還原電位。功能化石墨烯和石墨烯基納米復(fù)合材料在這方面顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

Chen C W等人[10]報道了在電解質(zhì)溶液中超聲電化學(xué)還原合成石墨烯，降低了Hummer方法化學(xué)還原GO產(chǎn)生的化學(xué)缺陷(RGNCM)，而更多物理缺陷的RGNSECM比RGNCM表現(xiàn)出更好的催化性能。該非酶H2O2傳感器可應(yīng)用于牛奶樣品中H2O2的檢測。Jia L P等人[11]研究了功能化石墨烯對H2O2電還原的催化活性。聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)功能化的石墨烯與純石墨烯相比，修飾電極顯著增加了電流響應(yīng)，顯示了PDDA在分散性和石墨烯電催化方面發(fā)揮了重要作用。

Ag，Au，Pt和Pd等貴金屬納米結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的催化性能，被認為是另一類有前景的制備非酶H2O2電化學(xué)傳感器材料。Wang Q等人[12]介紹了AgNP/PIL—石墨烯基電極對H2O2的檢測。將AgNP引入功能化石墨烯薄膜增強了H2O2檢測的靈敏性，電流信號增強了10倍。隨后，Zhong L J等人[13]采用雙脈沖電化學(xué)方法獲得了Ag納米晶(AgNCs)—石墨烯結(jié)構(gòu)，與Wang等人提出的AgNPs/石墨烯電極相比，該石墨烯—AgNPL復(fù)合材料對H2O2表現(xiàn)出更高的檢測靈敏度，達到183.5 μA/((mmol/L)cm2)。Golsheikh A M等人[14]通過簡單的超聲波作用合成了AgNPs-RGO修飾電極，與裸電極相比，對H2O2的檢測表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化活性并顯著增加了電子轉(zhuǎn)移速率。Tian Y等人[15]制備的AgNPs/N-G對H2O2的電化學(xué)還原顯示出比石墨烯/AgNPs更好的性能。電子轉(zhuǎn)移速率的提高主要由于石墨烯的N元素摻雜。Maji S K等人[16]研究了H2O2在介孔硅包覆(RGO@AuNPs)電極上的電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)所制備的復(fù)合材料催化了H2O2的還原。RGO-PMS@AuNPs無毒，可以在納摩爾水平下靈敏檢測活腫瘤細胞釋放的痕量H2O2。此外，N摻雜石墨烯—AuNPs(AuNPs-N-GQDs)復(fù)合材料，在檢測人宮頸癌細胞中釋放的H2O2也取得了滿意的結(jié)果。AuNPs-N-GQDs增強的電催化性能主要歸于AuNPs暴露的(111)面，對H2O2的—OH提供了大量的吸附位點，促進N-GQDs-Au到GC電極表面的電子轉(zhuǎn)移。PdNP—石墨烯納米片(PdNP-GN)修飾GCE以及PtNP—石墨烯/CNT修飾電極在檢測H2O2也顯示出良好的催化性能[17]。

催化活性高、成本低的過渡金屬常用于替代貴金屬納米材料的非酶H2O2傳感研究。Bai J等人[18]研究了CuS/石墨烯納米復(fù)合材料的H2O2生物傳感器。CuS/石墨烯納米復(fù)合材料修飾電極在檢測人血清和尿液樣品，以及從宮頸癌細胞釋放的H2O2，均獲得了滿意的結(jié)果。不同形貌Cu2O/石墨烯納米復(fù)合材料被用于非酶H2O2生物傳感器的制備。其中，物理吸附的Cu2O/石墨烯納米復(fù)合材料對H2O2的電化學(xué)還原具有最佳的催化性能，Cu2O晶體結(jié)構(gòu)的完整性對催化效率有著重要的影響。除了形態(tài)和金屬氧化物自身的結(jié)構(gòu)，金屬與GO和石墨烯的協(xié)同作用對于提高生物傳感器的性能也產(chǎn)生重要影響。如，F(xiàn)e2O3/RGO復(fù)合材料對H2O2催化還原產(chǎn)生了顯著的響應(yīng)，峰值電流產(chǎn)生于 -0.22 V vs Ag/AgCl電極，而孤立的Fe2O3與石墨烯在相同條件下還原H2O2催化活性非常低[19]。Gao W等人[20]利用CNT修飾石墨烯提高的表面積和電導(dǎo)率，制備了Ni(OH)2/電還原氧化石墨烯(electrically reduced graphene oxide,ERGO)-SWCNT納米復(fù)合材料，用于H2O2和葡萄糖的電化學(xué)檢測。MWCNT作為石墨烯片間的橋梁提高了電子轉(zhuǎn)移速率。研究者也制備了MnO2/石墨烯納米復(fù)合材料，用于H2O2檢測。石墨烯骨架支持的MnO2納米片突出了電催化活性，對中性環(huán)境中H2O2的還原表現(xiàn)出良好性能[21]。

1.3 DA的檢測應(yīng)用

DA,AA和UA氧化峰電位非常相近，直接電化學(xué)檢測存在很大困難。尤其是DA在人體中的濃度約為0.01～ 1 μmol/L，遠低于共存的AA和UA濃度。因此，準確檢測DA就要求傳感器具有更高的靈敏度和選擇性。

通過石墨烯制備過程中的結(jié)構(gòu)控制可以實現(xiàn)AA共存下DA檢測，所制備的石墨烯具有更大的感測區(qū)和更活躍的位點吸附目標分子。石墨烯的化學(xué)摻雜是另一種改進碳基材料催化活性有效的方法。Li M J等人[22]通過固態(tài)反應(yīng)合成了噻吩硫均相摻雜石墨烯，在S摻雜的石墨烯表面形成了豐富的微孔，有效提高了DA氧化反應(yīng)的電催化活性。Yu B等人[23]使用PSS為模板獲得3D多孔結(jié)構(gòu)RGO(3D-RGO)，對DA檢測靈敏度高達24 400 μA/(mmol/L cm2)。研究者[24]也通過化學(xué)氣相沉積法建立了一種具有獨立3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的N摻雜石墨烯DA電化學(xué)生物傳感器，比非摻雜石墨烯具有更高電化學(xué)活性。

提高石墨烯電化學(xué)生物傳感性能的方法還包括等離子體處理、電荷作用，或引入其他功能分子的表面修飾等。Keekly等人[25]以簡單的氧等離子體處理石墨烯，提高了多層石墨烯薄膜表面的含氧基團，促進了電子轉(zhuǎn)移，并首次對化學(xué)氣相沉積生長功能化多層石墨烯的電化學(xué)性能進行了研究。石墨烯表面電子轉(zhuǎn)移行為表明，處理過的多層石墨烯可以替代商品化熱解石墨(BPPG)電極用于電化學(xué)分析，特別是對電極表面氧功能基團敏感的分析物，如DA，NADH，AA，UA的檢測。此外，石墨烯以兩親功能分子柱芳烴(AP5)[5]和AuNPs(RGO—AP5—AuNPs)修飾，顯示出超分子選擇性識別和富集DA分子的能力[26]。以二乙三胺五乙酸修飾的石墨烯螯合Tb離子(RGO—DTPA—Tb)傳感器，由于其良好的協(xié)同作用，以及與金屬納米顆粒、金屬氧化物，或?qū)щ娦跃酆衔锿ㄟ^靜電作用的有效結(jié)合，可用于DA高度敏感識別的光學(xué)、電化學(xué)雙探頭，促進了石墨烯基材料在生物醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用[27]。

RGO—金屬氧化物納米復(fù)合材料，對DA的氧化也顯示出較高的電催化活性。Yang A K等人[28]利用烷基磺酸鈉功能化石墨烯納米片和SnO2納米粒子構(gòu)建了DA傳感器。Salamon J和Zhang W X等人[29,30]分別報道了基于Fe3O4—石墨烯納米復(fù)合材料的DA電化學(xué)檢測系統(tǒng)，所制備的石墨烯復(fù)合材料修飾電極比堆疊石墨烯—Au顯示出更高的電化學(xué)響應(yīng)，這歸因于其更大的活性形態(tài)區(qū)。

基于導(dǎo)電聚合物和石墨烯或GO納米結(jié)構(gòu)材料高的電導(dǎo)率，長期穩(wěn)定性，優(yōu)良的電化學(xué)性能和生物相容性，聚吡咯(PPy)—石墨烯為基礎(chǔ)的復(fù)合材料已被用于DA的檢測。Au@PPy/RGO納米復(fù)合材料修飾電極，對DA檢測表現(xiàn)出顯著的性能，線性范圍為0.1～5 000 nmol/L，檢測限低至18.29 pmol/L[31]。Rodthongkum N等人[32]利用石墨烯/PANI/PS高度敏感的納米纖維結(jié)構(gòu)發(fā)展了DA電化學(xué)檢測系統(tǒng)。石墨烯/PANI/PS納米纖維修飾電極產(chǎn)生的響應(yīng)電流，高于PANI/PS修飾電極約4倍，表明石墨烯基納米纖維可以有效促進電子傳遞。PEDOT摻雜GO被用于研究其表面DA,AA和UA的電化學(xué)氧化行為。GO/PEDOT和DA間靜電相互作用促進了DA 的選擇性檢測，能夠在AA共存下選擇出DA信號。Wang W T等人[33]所報道的PEDOT/RGO納米復(fù)合材料對DA的檢測顯示出比PEDOT/GO更好的電化學(xué)性能。本文制備的石墨烯—水溶性磺酸基卟啉納米復(fù)合材料修飾電極在AA共存下，也實現(xiàn)了DA的高靈敏檢測[34]。

1.4 AA和UA的檢測應(yīng)用

AA是一種重要的保護人類免受氧化應(yīng)激的抗氧化劑。Song J等人[35]發(fā)展了AuNPs/GO納米復(fù)合材料應(yīng)用于人血清和藥物中AA檢測的電化學(xué)生物傳感器。Liu B D等人[36]使用NiO/石墨烯納米復(fù)合膜修飾電極，結(jié)合Ni(Ⅱ)的催化性能選擇性地檢測AA的氧化。Fe2O3/石墨烯納米復(fù)合材料修飾電極在UA的存在下用于檢測AA。與純Fe2O3和純石墨烯材料相比，復(fù)合材料修飾電極對AA的氧化顯示出高催化活性。Ma Y等人[37]制備的3D石墨烯泡沫/花狀納米CuO修飾電極直接用于AA的檢測，靈敏度達到2 060 μA/(mmol/L cm2)，響應(yīng)時間小于3 s。3D石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)有利于收集電流、傳輸物質(zhì)和負載生物活性化合物。花狀CuO納米結(jié)構(gòu)進一步增加了傳感活性區(qū)，催化了AA的氧化。此外，基于石墨烯/CuPc/PANI納米復(fù)合材料的AA電化學(xué)傳感平臺在較低的電位下也顯示對AA優(yōu)異選擇性的催化氧化[38]。

除DA和AA外，靈敏、可靠的UA低濃度檢測在臨床研究中也非常重要。近期，研究者沒有使用任何膠試劑，僅以ERGO作為電極材料修飾ITO電極檢測了UA。研究表明，即使在AA大量存在下，ERGO/ITO電極也可以穩(wěn)定選擇性地測定UA[39]。Zhang Z P等人[40]采用易控制的電還原技術(shù)制備了含有各種氧功能基團的ERGO膜，研究了ERGO修飾電極上氧功能化的電化學(xué)性質(zhì)，揭示了UA氧化的電催化機理。研究顯示，ERGO電極膜上含氧基團的量對UA氧化電流響應(yīng)是一個重要的決定因素。Yan H L等人[41]利用商品羧基化石墨烯(CG)通過陰極電化學(xué)還原制備了電還原ERCG，將電化學(xué)合成的PSA修飾于ERCG表面。PSA/ERCG/GCE電極成功應(yīng)用于尿樣中異煙肼和UA的同時檢測。石墨烯的表面修飾不僅限于含氧官能團的變化，也涉及表面電荷的調(diào)整。將陽離子聚合物PDDA引入到石墨烯表面，對石墨烯的電催化反應(yīng)發(fā)揮了非常重要作用。正電荷的PDDA—石墨烯克服了納米片的聚集，增強了UA的響應(yīng)電流。

1.5 NADH的檢測應(yīng)用

NADH是代謝過程必不可少的輔酶，NAD+/NADH氧化還原電對參與了生物系統(tǒng)數(shù)百個酶促反應(yīng)，并作為輔助因子在300多個脫氫酶的每一個細胞電子傳遞鏈中發(fā)揮著重要作用。然而，NADH的氧化在常規(guī)電極上過電位較高，直接氧化要求在+0.6 V(SCE)。此外，NADH的電化學(xué)氧化是不可逆的，常常導(dǎo)致電極反應(yīng)滯后。石墨烯基電極材料在解決這些問題上表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，實現(xiàn)了NADH在低過電位下的電化學(xué)檢測。Govindhan M等人[42]報道了無任何氧化還原媒介和酶援助的快速、高選擇性和穩(wěn)定的β—腺嘌呤二核苷酸電化學(xué)傳感平臺，常見的干擾物，如谷胱甘肽、葡萄糖、AA幾乎可以忽略。Tabrizi M A等人[43]以NADH為還原劑，經(jīng)溫和的水熱過程環(huán)境友好一鍋法還原合成了RGO。電化學(xué)實驗表明RGO/GCE對NADH的氧化在+0.35 V表現(xiàn)出良好的電催化活性。通過循環(huán)伏安法將ERGO/聚硫堇(polysulfide cordierite)沉積于GC電極上，制備的安培型生物傳感器，在+0.4 V對NADH的氧化表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。Li Z L等人[44]設(shè)計了石墨烯—DNA—多面體Au納米復(fù)合材料修飾Au電極，應(yīng)用于NADH高靈敏檢測，電位降至+0.28 V(Ag/AgCl)，檢測限低至1 fmol/L。

石墨烯基電極材料除了在酶和非酶生物傳感器領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，在其他類型的生物傳感器，包括以DNA和RNA鏈間反應(yīng)為基礎(chǔ)的核酸生物傳感器，以及基于抗原和抗體特異性結(jié)合為基礎(chǔ)的免疫傳感領(lǐng)域均發(fā)揮了重要作用。石墨烯為基礎(chǔ)的電化學(xué)傳感器也用于檢測其它分析物，如氣體(NO,NH3)、環(huán)境污染物(對苯二酚、鄰苯二酚、肼、重金屬離子等)、藥物(尼莫地平、蘆丁、對乙酰氨基酚等)，以及甲醇、乙醇、TNT和農(nóng)藥等。限于篇幅，本文不再贅述。

2 結(jié)束語

基于石墨烯基納米復(fù)合材料大的比表面積，高的導(dǎo)電性，優(yōu)良的電催化活性以及良好的生物相容性，作為生物傳感器材料已廣泛用于葡萄糖,H2O2，DA，AA，UA，NADH，DNA，RNA以及抗原等生物分子的檢測。通過結(jié)構(gòu)控制、表面功能化以及雜原子的化學(xué)摻雜等，賦予了石墨烯基電極材料更好的性能。此外，通過引入金屬納米粒子、金屬氧化物以及導(dǎo)電聚合物，進一步拓展了其在生物傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用。本文簡要介紹了石墨烯基納米復(fù)合材料在非酶電化學(xué)傳感領(lǐng)域中的最新應(yīng)用進展。以石墨烯為基礎(chǔ)的非酶電化學(xué)生物傳感器在生物活性物質(zhì)檢測中表現(xiàn)出令人滿意的生物相容性，以及靈敏性高、線性范圍寬、檢測限低、長期穩(wěn)定性好等顯著性能。