基于石墨烯及其相關材料高分析性能傳感器研究進展

雷新有 左國防 王鵬 張建斌

（1. 甘肅省高校新型分子材料設計與功能省級重點實驗室，天水 741000；2. 天水師范學院化學工程與技術學院，天水 741000）

納米材料具有優(yōu)異的導電性能、大的比表面積、良好的生物相容性。近年來，傳感器與各種納米材料，如金屬（Ni、Cu、Au及Pt）、金屬氧化物（ZnO、SnO2及Fe2O3）納米線、半導體（Si、InP、GaN），CdSe、CdTe、CdSeTe量子點、碳納米管（CNT）和金屬納米粒子（Au、Cu、Co、Ag及Pt）的結合，顯著提高了傳感器的分析性能［1-4］?；讵毺氐奈锢?、化學及電化學性質，新型碳納米材料——石墨烯也廣泛應用于傳感器的制備，并表現(xiàn)出良好的分析性能。

石墨烯是一種二維碳平面結構，氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）含有羧基、羥基、環(huán)氧基等功能基團，碳氧比約3∶1［5］。氧功能基團的存在提高了石墨烯表面異相電子和電荷傳遞速率，并增強了水溶性和生物相容性［6］。GO經(jīng)化學還原獲得的還原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide，RGO），殘余的含氧基團和結構缺陷，賦予該納米材料新的性能。其導熱率可與摻雜導電聚合物材料相媲美，分別比Si和GaAs高36倍和100倍［7］。

基于石墨烯特殊的化學結構，在傳感器的構建方面表現(xiàn)出比其他材料更加優(yōu)良的性能。例如，單層石墨烯呈原子層厚度，具有極高的比表面積。所有碳原子可以直接與反應物相互作用，使這種材料對環(huán)境條件的變化高度敏感，從而比硅納米線或碳納米管具有更高的靈敏性，有助于發(fā)展制備高靈敏的電化學和生物傳感器。與一維碳納米管相比，石墨烯在電化學和生物傳感器中的應用具有兩個突出優(yōu)點：一是石墨烯不含干擾電化學性質的金屬雜質；二是生產(chǎn)石墨烯所用原料價格低廉。此外，石墨烯還可以通過π-π堆積以及氫鍵相互作用等方式很容易與生物分子結合，具有低噪比、靈活的功能化、可溶液加工，以及生物相容性的優(yōu)勢［8］。

石墨烯在傳感領域中的應用一般通過功能化來實現(xiàn)。石墨烯功能化一般有以下幾種方法：（1）從原位合成得到高強度的聚合物導電材料。例如，在GO分散液中原位聚合苯胺制備GO/PANi（聚苯胺）復合材料；（2）通過疏水或靜電相互作用，將納米顆粒固定于石墨烯表面，提高其導電性和熱穩(wěn)定性。例如，通過原位生長和溶液混合還原金屬離子，石墨烯表面的含氧基團促進了金屬納米顆粒的成核，獲得了石墨烯/納米粒子復合材料；（3）功能有機分子通過π-π、靜電相互作用等非共價方式，或通過共價結合作用于石墨烯平面或邊緣，獲得新的功能化納米復合材料。如金屬卟啉和金屬酞菁通過π-π相互作用以非共價方式結合石墨烯，可用于作為DNA傳感的示蹤標記［9］；（4）生物分子，如DNA、蛋白質、肽和纖維素的各種表面官能團可以通過物理吸附或化學鍵合等方式修飾于石墨烯表面［10］。近幾年，各種文獻已從不同的角度綜述了石墨烯基傳感器和生物傳感器，本文主要從提高傳感器分析性能方面探討石墨烯基納米復合材料在臨床、環(huán)境、食品安全領域對各種分析物的檢測，比較了石墨烯基傳感器和生物傳感器的優(yōu)點與不足，并對這一新型傳感材料在未來的研究趨勢進行了評論。

近年來，基于石墨烯和石墨烯相關材料（GO和RGO）為基礎的傳感器和生物傳感器在臨床、環(huán)境和食品安全等領域已有大量報道。大多數(shù)傳感器是基于電化學傳導機制。此外，光學和壓電傳感機制也有報道。本文主要通過靈敏度、檢測限等數(shù)據(jù)對傳感器的分析性能進行綜合評價。

1 石墨烯

以石墨烯為基礎的傳感器和生物傳感器在臨床、環(huán)境和食品安全中的應用包括：葡萄糖、膽固醇、過氧化氫（H2O2）、多巴胺（Dopamine，DA）、抗壞血酸（Ascorbic acid，AA）、尿酸（Uric acid，UA）、癌胚抗原（Carcino-embryonic antigen，CEA）、甲胎蛋白、凝血酶等臨床檢測；金屬離子，如Cd2+和Pb2+，農藥，如甲基對硫磷、毒死蜱、呋喃等環(huán)境分析；紅霉素、色胺和金黃色葡萄球菌的食品安全檢測等。石墨烯與聚合物或納米粒子的結合可以顯著增強傳感器的響應，提高檢測的靈敏性。關于石墨烯為基礎的傳感器和生物傳感器的應用已有多篇文獻綜述［11-15］，限于篇幅，本文不再贅述。

盡管石墨烯為基礎的傳感器和生物傳感器在應用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，然而，石墨烯表面缺乏功能基團導致其水溶性和在大多數(shù)有機溶劑中溶解度低，限制了這種材料在實際工作中的應用。因此，在傳感器領域，研究者更加關注具有良好水分散性和生物相容性，比表面大，表面修飾靈活以及制備簡單的GO（含氧）及其衍生物。

2 氧化石墨烯

基于GO的傳感器和生物傳感器主要用于臨床和環(huán)境分析，如葡萄糖、DNA、凝血酶、MMP-2（基質金屬蛋白酶-2）、Hg2+、氨和甲醛等的檢測［16-17］。GO結合其它納米粒子可以顯著提高傳感器的靈敏度和檢測限。

2.1 臨床分析

Pt納米粒子與GO結合，用于葡萄糖的電化學檢測。與無GO生物傳感器相比，檢測H2O2時，催化電流信號提高了12倍。GO/Pt納米復合材料更大的比表面積顯著提高了電子轉移速率，當應用于葡萄糖檢測時，與單純的Pt納米材料相比，Pt/GO生物傳感器的靈敏性增加了25倍［18］。

在臨床診斷及基因表達分析中高靈敏和選擇性檢測DNA是非常重要的，研究者提出了一種快速、經(jīng)濟的生物傳感裝置。例如，GO和HRP模擬脫氧核酶制備了DNA檢測的化學發(fā)光生物傳感器，基于GO高熒光猝滅效率，可顯著提高傳感器的化學發(fā)光信號并獲得了良好的檢測限（34 pmol/L）［19］。另一種基于GO的熒光生物傳感器在高靈敏DNA檢測時獲得了更好的檢測限（4 pmol/L）。在GO存在的情況下，傳感平臺中目標物熒光強度（10 nmol/L）與空白的比值，從無GO的4.879增加到17.83，即信號-背景比顯著增強，證明了熒光DNA生物傳感器可用于DNA高靈敏檢測［17］。

基于多層GO的熒光共振能量轉移（Fluorescence resonance energy transfer，F(xiàn)RET）機制的電化學適體傳感器［20］應用于凝血酶的檢測，檢測限分別顯示為0.001 nmol/L和0.07 nmol/L。多層GO/FRET傳感器的優(yōu)勢表現(xiàn)在用蒸餾水清洗，可獲得4次再生。另一種光學FRET生物傳感器報道了MMP-2檢測［21］，檢測限為2500 pg/mL。當應用于復雜的人血清樣品分析時，GO的熒光猝滅能力及其對生物分子獨特的吸附特性在生物分子檢測時有利于提高精密度（RSD≤7.03%），加速響應時間（＜3 h）。研究者［23］制備了一種對凝血酶檢測的GO無標記生物適體阻抗傳感器，并與石墨氧化物、RGO和電化學還原RGO等不同方法制備的一系列石墨烯相關材料的傳感性能進行了比較。結果表明，相比較于其它三種石墨烯相關材料修飾電極，基于GO的傳感器產(chǎn)生的凝血酶阻抗信號變化最大。

2.2 環(huán)境分析

在環(huán)境分析中，基于GO的電化學傳感器應用于Hg2+檢測，獲得了不同數(shù)量級的檢測限。如GO/Au納米結構傳感器，對Hg2+的檢出限為1.9 ppb［22］，這比當前WHO（世界衛(wèi)生組織）標準（6 ppb）更低［23］。離子液體/Au納米粒子復合物與GO結合的電化學傳感器，Hg2+檢測限低至0.03 nmol/L，并得到了寬的線性范圍（0.1-100 nmol/L）［24］。此外，這種傳感器可以在HNO3、KCl和EDTA的溶液中攪拌浸泡重復再生使用，RSD為2.6%。最近，基于FRET機制的碳點標記寡聚核苷酸/GO熒光生物傳感器用于Hg2+的檢測，獲得了更低的檢出限（2.6 nmol/L）［33］，低于飲用水的標準值。GO作為寡聚核苷酸為基礎的Hg2+熒光傳感檢測是基于其低背景，可以通過疏水及π-π堆積相互作用吸附染料標記寡聚核苷酸，同時通過FRET機制猝滅染料熒光。該傳感器對柑桔葉片樣品中Hg2+進行了測定，與采用標準方法得到的結果高度一致［25］。

研究者也報道了基于GO通過石英晶體微天平（Quartz crystal microbalance，QCM）檢測氨的壓電傳感器［26］。研究表明，基于GO層的壓電傳感器性能在整個檢測范圍（100-1700 ppm）是無GO傳感器的兩倍，高檢測性能是基于GO層高彈力模量，抑制了QCM表面能損失，GO作為隔離層提供了簡單的方式實現(xiàn)了高穩(wěn)定的QCM壓電傳感。最近，另一種基于正電荷聚乙烯亞胺和負電荷GO組裝在纖維素醋酸納米纖維表面的氨QCM傳感器也獲得了良好的檢測限（1 ppm）和高靈敏性（9 Hz）［27］。在3D纖維素醋酸納米纖維/聚乙烯亞胺/GO復合結構中，GO在傳感器表面分散性好，3D結構提供了氨高擴散的通道。研究者也以GO制備了檢測甲醛的QCM傳感器［28］，傳感器良好的穩(wěn)定性（＞100 d）可能是由于GO功能基團和甲醛之間通過氫鍵斷裂發(fā)生了可逆的吸附-脫附過程。該傳感器在各種常見的揮發(fā)性物質如乙醇、丙酮、氯仿、苯、甲苯共存時，對甲醛的檢測獲得了高響應（頻移）值，證明其具有高選擇性。

3 還原氧化石墨烯

基于RGO的傳感器和生物傳感器主要用于：（1）臨床分析，如葡萄糖、H2O2、DA、AA、UA、CEA的檢測；（2）環(huán)境分析，如對17-β雌二醇、雙酚A、甲烷的檢測；（3）食品分析，如Pb2+、亞硝酸鹽、呋喃丹、西維因的檢測。RGO與納米材料［29］或與聚合物結合［30］增強了傳感器的分析性能，顯著提高了靈敏性。

3.1 臨床分析

各種基于RGO的葡萄糖檢測的電化學傳感器和生物傳感器近幾年報道較多。例如，RGO與聚吡咯、Au納米粒子構建了葡萄糖檢測的電化學生物傳感器［31］，該傳感器高靈敏性（123.8 μA mM-1cm-2）是由于RGO大的比表面積和高導電性促進了電子轉移。Au納米粒子在RGO表面均相分布，葡萄糖氧化酶與Au納米粒子、聚吡咯、RGO形成了生物相容性良好的納米復合物，降低了酶與電極之間的能量壁壘，發(fā)生了快速的電子轉移。

基于RGO的非酶葡萄糖傳感器近年來在檢測限和靈敏性方面，均獲得了良好的分析結果。研究表明，納米材料與RGO協(xié)同作用，顯著提高了傳感性能，獲得了較寬的線性檢測范圍和高靈敏性。例如，基于RGO和NiO納米纖維［32］或 Co3O4納米線［33］修飾電極的葡萄糖電化學生物傳感器，檢測限分別為0.77 mmol/L和25 nmol/L，靈敏性分別為1 100和3390 μA mM-1cm-2。Co3O4納米線高催化活性與RGO大面積高導電性有助于葡萄糖良好的傳感檢測。NiO納米纖維復合材料良好的檢測限是基于Ni納米纖維微觀表面高催化活性以及RGO良好的電化學性能。最近，研究者［34］以石墨烯結合Pt和CuO納米粒子報道了非酶葡萄糖電化學傳感器的制備，該傳感器具有極好的靈敏度（3 577 μA mM-1cm-2）和超低檢測限（0.01 μmol/L）。傳感器保存3個月后，電流響應值減少不到2%。近期，一種基于功能化RGO涂層蝕刻的裝置用于葡萄糖檢測［35］，獲得的線性范圍從1 nmol/L-10 mmol/L，檢測限為1 nmol/L。即使在10 mmol/L乳糖溶液中，該傳感器對葡萄糖的特異性檢測也可以從布拉格光柵波長非常小的位移變化觀察得到（4 pmol/L）。研究者同時對基于GO和RGO兩種石墨烯材料的電化學生物傳感器分析信號進行了比較，研究表明，RGO較GO生物傳感器對葡萄糖檢測顯示了較高的電流信號，表明RGO促進了酶和石墨烯材料之間快速的電子轉移過程［29］。

基于RGO-MWCNT（多壁碳納米管）-Pt納米粒子復合材料的肌紅蛋白電催化H2O2生物傳感器，達到了6 pmol/L的檢測限［36］。三維RGO-MWCNTPt雜化材料中Pt納米粒子良好的電催化性能，以及肌紅蛋白高電活性，解釋了這種檢測限。研究者也首次報道了基于Au納米標記的RGO-HRP（辣根過氧化物酶）電化學DNA生物傳感器的制備［37］。三元石墨烯納米結構可以在aM量級檢測DNA（5 amol/L），是基于Au納米粒子高導電性以及HRP功能化RGO將每個目標雜交反應與DNA信號擴增的多酶促反應相關。同時基于血紅素功能化RGO檢測AA、DA和UA的電化學生物傳感器，也獲得了良好的分析性能［38］。RGO大的比表面積增強了電化學生物傳感器的響應，并且，RGO豐富的表面化學性質通過陽離子-π或π-π相互作用進一步促進血紅素的催化活性和穩(wěn)定性。此外，肌紅蛋白和RGO顯著的協(xié)同效應，使肌紅蛋白功能化的RGO增強了靜電相互作用和電導性，表面附著的血紅素和功能化RGO大量的羧基官能團可以通過氫鍵提供選擇性界面，從而促進了生物傳感器的發(fā)展。

研究者也使用RGO和Ag納米顆粒構建了CEA檢測的電化學免疫傳感器［39］。通過線性掃描溶出伏安曲線，從石墨烯修飾電極獲得尖銳的溶出峰曲線，表明RGO能夠沉積Ag納米粒子并加速了電子轉移速率，有效提高了檢測靈敏性。此外，實驗也證明了GO電化學還原后獲得RGO，使免疫傳感器溶出峰進一步增強，產(chǎn)生了更高的靈敏度。最近，關于RGO和導電聚合物PEDOT/PSS［聚（3，4-乙基二氧噻吩/聚（苯乙烯磺酸鹽）］制備的傳感器結構對CEA檢測，獲得加強的電化學性能及信號穩(wěn)定性［30］。與PEDOT/PSS相比，PEDOT/PSS/RGO導電性增加了270倍（從1.16×10-4S cm-1增強到3.12×10-2S cm-1），即PEDOT/PSS/RGO顯示出優(yōu)良的電化學活性和更快的電荷轉移動力學。因此，該電極可替代昂貴的傳統(tǒng)電極，如氧化銦錫電極（Indium tin oxide electrode，ITO）、Au和玻碳電極（Glassy carbon electrode，GC）的潛質，可以用作靈活、環(huán)境友好的腫瘤高靈敏檢測生物標記平臺（25.8 μA ng-1mL cm-2）。

3.2 環(huán)境分析

基于RGO/磁納米顆粒（Fe3O4納米磁珠）的分子印跡聚合物（Molecularly imprinted polymer，MIP）電化學傳感器應用于水體中的17β-雌二醇的檢測［40］，檢測限低至0.819 nmol/L，這可能是由于Fe3O4納米磁珠/RGO復合材料增強了電流響應?；跉ぞ厶?RGO/磁性納米粒子傳感器也用于雙酚A的電化學檢測，其中RGO是作為有效的電子促進劑電催化了雙酚A的氧化，由磁性納米粒子/RGO復合材料構成的電極降低了雙酚A的氧化過電位，提高了檢測靈敏度，檢測限低至1.7×10-8mol/L-1，RSD為2.69%，即表現(xiàn)出極好的重現(xiàn)性。保存2周后，保留了92.3%的最初響應值，表明該傳感器具有良好的穩(wěn)定性［41］。

3.3 食品分析

傳感器或生物傳感器與RGO的結合，在食品安全檢測，如Pb2+、亞硝酸鹽、呋喃丹、西維因的檢測方面應用廣泛。食品中的重金屬Pb2+污染是發(fā)展中國家面臨的非常嚴重的問題?；赗GO的傳感器可應用于自來水、果汁、皮蛋和茶葉樣品中Pb2+的測定［42］。該傳感器通過電化學沉積將RGO沉積于電極表面，由于RGO顯著增加了電極表面活性面積，促進較高的電子轉移。傳感器對Pb2+顯示出寬的線性響應（5-200 ppb）、高靈敏和高選擇性檢測，共存Cd2+（＜50 ppb）和Cu2+（＜100 ppb）不干擾測定?；赗GO和Fe3O4磁性納米粒子修飾的電化學傳感器也靈敏地檢測亞硝酸鹽［43］。非均相電子轉移常數(shù)表明RGO作為電子載體促進了納米Fe3O4顆粒和電極表面間的電子轉移。將該傳感器應用于香腸樣品中Pb2+的測定，獲得了良好的傳感性能，與參考方法測量的值具有很好的一致性。RGO/CoO納米顆粒復合材料傳感器應用于呋喃丹檢測［44］。由于組合的協(xié)同效應，有助于增強CoO的催化性能，提高電荷轉移速率。該電化學傳感器應用于水果和蔬菜等實際樣品中呋喃丹的檢測，取得了良好的精度和滿意的回收率（96%-104%），證實了傳感器的穩(wěn)定性和敏感性。該傳感器的分析結果與參考方法高效液相色譜法具有高度一致性。

4 展望

本文綜述了近年來石墨烯及其相關材料在臨床分析、環(huán)境監(jiān)測或食品質量控制等傳感領域中的應用研究進展，對各種基于石墨烯傳感系統(tǒng)的分析性能進行了比較。電化學傳導機制的石墨烯及其相關材料的傳感器和生物傳感器的優(yōu)良分析性能是基于這種結構材料比表面積大、生物相容性好、導電率高、電子傳遞速率快以及固定酶能力強等特點。

石墨烯及其相關材料為基礎的傳感器可以從活細胞或環(huán)境樣品中選擇性實時檢測生物分子，結合其它納米材料或聚合物制備的石墨烯納米復合材料，在電化學和生物傳感領域促進了傳感器分析性能的顯著提高。但在實際應用中，其反應條件仍需優(yōu)化，以減小或抑制干擾因素。石墨烯基傳感器一般僅限于在單一運行狀態(tài)下對單一組分進行檢測，而在工業(yè)應用中，則要求在更短時間內實現(xiàn)復雜環(huán)境樣品的多重分析，進一步提高檢測靈敏性和選擇性，增強穩(wěn)定性和重復使用性，克服毒性和生物不容性。便攜式、芯片化傳感器具有更加強大的特性，在最近幾年石墨烯基傳感器制備與應用中取得了較大的進步。最近，大量的文章報道了結合石墨烯集成制備的MIP傳感器和生物傳感器，由識別元素集成的MIP，由于制備簡單，選擇性高，穩(wěn)定性好，耐熱性強，成本低廉，在傳感器和生物傳感器領域引起了研究者的關注［45］。

此外，石墨烯基傳感器的納米構建也面臨著許多挑戰(zhàn)［46］。首先，精確控制尺寸、形狀的石墨烯片單分散合成仍然具有挑戰(zhàn)性。第二，在催化作用下的石墨烯與分析物分子電極反應間的傳感機制在理論層面仍然存在許多有待進一步理解的方面。第三，石墨烯基傳感系統(tǒng)微結構的納米構建仍然需要精確設計，以減少石墨烯片的聚集，即合成石墨烯基納米材料架構的精細控制非常重要。盡管面臨諸多問題，基于石墨烯這一新型材料的傳感器和生物傳感器在實時臨床診斷、在線環(huán)境監(jiān)測以及食品安全控制等領域優(yōu)良的檢測分析性能，其在傳感領域顯示出光明的應用前景，將促使研究者進一步加強石墨烯基傳感系統(tǒng)的深入研究。