基于薄層黑磷的電化學(xué)傳感器研究進展

唐子龍，郝遠強，劉又年

（1 湖南科技大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，理論有機化學(xué)與功能分子教育部重點實驗室，湖南 湘潭 411100；2 中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長沙 410000）

二維（2D）納米材料，如石墨烯、過渡金屬二硫化物、石墨氮化碳、MXenes、六方氮化硼、過渡金屬氧化物、層狀黑磷（BP）等，由于具有優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，近年來一直是研究的熱點。與本體材料相比，2D 層狀材料有更大的比表面積和更快的載流子擴散速率，且從本體到薄層的結(jié)構(gòu)變化會引起物質(zhì)固有電子和光電特性的極大改變，從而能賦予2D 材料新的性能。層狀黑磷（layered black phosphorus）作為一類新興的2D納米材料，近幾年得到了廣泛的研究和快速的發(fā)展。雖然早在1914年，Bridgman就通過高溫和高壓法將白磷轉(zhuǎn)化得到了塊狀黑磷，但直到2014 年復(fù)旦大學(xué)張遠波教授發(fā)現(xiàn)黑磷后，相關(guān)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究才取得突破性的進展。

在BP 中，每個P 原子通過sp雜化與3 個相鄰的P原子共價結(jié)合，形成折疊的蜂窩狀結(jié)構(gòu)[見圖1(a)]。相鄰的兩個BP 層之間通過范德華力相互作用堆疊。BP 層內(nèi)包括兩個原子幾何層及兩種P—P共價鍵和兩種鍵角。較短的鍵（0.224nm）連接同一平面上最近的P 原子，而較長的鍵（0.244nm）連接同一層不共平面的相近P原子；兩個鍵角分別為96.3°和102.1°[見圖1(b)]。在外力作用下，單層或多層的BP納米結(jié)構(gòu)可從塊狀黑磷中脫落。BP具有與層數(shù)相關(guān)的帶隙，從本體大小的0.3eV到單層的2.0eV，因此BP顯示出了從可見光到中紅外區(qū)域的光吸收范圍，從而拓展了其潛在的光子學(xué)和光電應(yīng)用。此外BP還具有高的載流子遷移率和電導(dǎo)率，且表現(xiàn)出各向異性。BP在方向上的電子遷移率是沿方 向 的14 倍[分 別 為1100～1140cm/(V·s)與80cm/(V·s)]，而方向上的空穴遷移率比沿方向的要小[640～700cm/(V·s)與10000～26000cm/(V·s)]。在常溫下，BP 的電阻率在0.48～0.77Ω·cm 的范圍內(nèi)，此外，溫度和壓力也會改變BP 的電阻率。這些獨特的各向異性晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)及電學(xué)性質(zhì)賦予了BP 在諸多領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，如能量存儲和轉(zhuǎn)換、光電器件、催化、生物醫(yī)學(xué)和生物傳感等。

圖1 BP的晶體結(jié)構(gòu)圖[8]

目前層狀BP 主要是以塊狀黑磷為原料，采用自上而下的剝離法得到，包括常用的機械剝離和液相超聲剝離法，以及電化學(xué)剝離和溶劑熱處理法。最近也有報道采用自下而上的方法（即從原子或分子出發(fā)）合成得到BP，包括典型的濕化學(xué)合成和化學(xué)氣相沉積（CVD）。由于黑磷自身在水和空氣中，容易被氧化和降解，因此一般需要采用特定的處理方法提高BP 的穩(wěn)定性，報道的策略主要有包覆、共價官能團化、非共價官能團化、金屬離子修飾、離子液體輔助表面鈍化以及摻雜等。通過在合成過程中或合成后的修飾處理，不僅可以大大提高BP的穩(wěn)定性，而且形成的BP納米復(fù)合物還具有更優(yōu)異的性能。

迄今為止，關(guān)于BP 性質(zhì)、合成及應(yīng)用研究的報道已有近萬例，也有大量綜述論文總結(jié)和討論了BP在能源、催化、傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用。但系統(tǒng)總結(jié)BP 在分析傳感領(lǐng)域應(yīng)用的論文還很少，尤其是還未見BP 基納米材料在電化學(xué)傳感器中應(yīng)用的全面性綜述?；诖?，本文系統(tǒng)總結(jié)BP 在電化學(xué)傳感器構(gòu)建與電化學(xué)檢測中的應(yīng)用，并以檢測目標物的類別對BP 基電化學(xué)傳感方法進行詳細的分類總結(jié)，重點討論各傳感器的組成和設(shè)計原理以及BP 的制備、性質(zhì)及其在傳感器中的重要功能，最后還對BP 在電化學(xué)分析領(lǐng)域中應(yīng)用的現(xiàn)存挑戰(zhàn)和未來發(fā)展前景進行了討論。

1 氣體分子電化學(xué)傳感器

氣體傳感器在公共安全、室內(nèi)空氣質(zhì)量控制和環(huán)境監(jiān)測中非常重要?；诮饘傺趸锏膫鹘y(tǒng)氣體傳感器存在需要高溫操作的缺陷，因此開發(fā)可常溫使用的氣體傳感器受到了廣泛的關(guān)注。二維納米材料（如石墨烯、CN、MoS、WS、黑磷）由于其超高的比表面積與表面活性成為了制備常溫氣體傳感器的理想材料。其中黑磷具有高度的電子各向異性及對吸附分子敏感的導(dǎo)電性，最近被廣泛地用于不同氣體分子的檢測，如HO、NO、甲醇等。黑磷基氣體傳感器可分為場效應(yīng)晶體管（field effect transistor, FET）傳感器與化學(xué)阻抗傳感器。由于黑磷FET傳感器一般不涉及化學(xué)反應(yīng)過程且在之前的綜述論文中得到了廣泛的討論，因此本部分將集中討論化學(xué)阻抗類氣體傳感器。

1.1 氮氧化物電化學(xué)傳感器

2014年，Kou等用第一性原理計算深入研究了單層磷烯在吸附不同氣體分子（CO、CO、NH、NO、NO）后的電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)。在這些氣體分子中，磷烯對氮氧化物（NO 和NO）具有更強的結(jié)合能力。他們利用非平衡格林函數(shù)計算了磷烯的電流-電壓（-）關(guān)系。結(jié)果顯示磷烯吸附氣體分子后的電流變化表現(xiàn)出了顯著的各向異性（扶手椅較之字形方向高出了1～2 個數(shù)量級）。Shi 等將黑磷與聚乙烯亞胺（polyethylenimine, PEI） 及CoO納米顆粒結(jié)合得到了CoO@BP-PEI 復(fù)合物[見圖2(a)]，并將該復(fù)合物成功用于NO（=1或2）氣體分子的檢測。在空氣中O能吸附在CoO@BPPEI 表面并從中得到電子生成O，CoO@BP-PEI失去電子后其空穴載流子數(shù)量增加，從而其電阻減小。當有NO存在時，CoO@BP-PEI 能氧化部分NO，得到電子后的CoO@BP-PEI 空穴載流子數(shù)量將減少，從而其電阻值增大[見圖2(a)]。基于該原理，CoO@BP-PEI 組建的電極能實現(xiàn)對NO的快速、高靈敏與高選擇性檢測。響應(yīng)時間可低至0.67s，檢測線性范圍為0.03～100μL/L。

圖2 Co3O4@BP-PEI復(fù)合材料的制備流程以及對NOx檢測過程中涉及的化學(xué)反應(yīng)及電荷轉(zhuǎn)移示意圖[42]

最近Yang 等以多孔陽極氧化鋁為模板，采用熔噴高溫高壓轉(zhuǎn)化法，制備出了形貌均一且長徑比高（直徑約為100nm、長約為10μm）的一維黑磷納米線陣列。該BP 納米線能對NO直接產(chǎn)生阻抗信號響應(yīng)，從而實現(xiàn)其靈敏檢測。該工作提供了一種較大規(guī)模制備一維黑磷材料的有效方法。Zhao等通過將離子液體（[bmim][BF]）、聚二烯丙基二甲基氯化銨與BP 非共價結(jié)合，制備了一種新型的功能化（BP）納米復(fù)合材料。進一步將BP納米復(fù)合材料修飾到電極上并固載血紅蛋白（Hb），得到了一種能高效檢測亞硝酸鹽的電化學(xué)傳感器。在此BP不僅可作為Hb的載體，且其修飾電極后能顯著提高傳感器的載流子傳輸效率。因此，該傳感器表現(xiàn)出了良好的生物相容性和電導(dǎo)率，對亞硝酸鹽還原具有理想的電催化活性， 檢測限為3.65μmol/L。

1.2 甲醇電化學(xué)傳感器

Pumera等用層狀黑磷修飾金叉指電極得到了一種檢測甲醇氣體的電化學(xué)阻抗傳感器。在固定頻率1kHz 條件下，該電極在不同濃度甲醇條件下都顯示出特征的阻抗相位角。BP 能同時充當信號單元與目標分子的識別單元。電極對甲醇的線性響應(yīng)范圍為380～1900μL/L，檢測限為28μL/L，此值遠低于美國國家職業(yè)安全衛(wèi)生研究所規(guī)定的上限（200μL/L）。選擇性實驗測試顯示，其他常見氣體分子（包括甲苯、丙酮、氯仿、二氯甲烷、乙醇、異丙醇、水）在測試的范圍內(nèi)均未產(chǎn)生明顯在阻抗信號。此外電極還具有很高的穩(wěn)定性，20 天后測試同濃度的甲醇（1140μL/L），阻抗信號的響應(yīng)值仍能達到初試值的90.13%。

1.3 濕度電化學(xué)傳感器

薄層黑磷在潮濕空氣中易發(fā)生化學(xué)降解，而改變其成型方法（如使用薄膜、復(fù)合物或嵌入型結(jié)構(gòu)）有望提高其穩(wěn)定性。Salehi-Khojin 等考察了黑磷薄膜（約26μm）對濕度的響應(yīng)特性。實驗結(jié)果表明當相對濕度從10%升至85%時，黑磷薄膜傳感器的漏極電流提高了4個數(shù)量級。黑磷具有較強的親水性，其能吸收介質(zhì)中的水分子，由于水分子的解離，從而生成了H。此外黑磷也易于與濕空氣反應(yīng)形成氧化磷，其可進一步與水分子作用生成H。這兩方面的原因使得高濕度條件下黑磷薄膜中可自由移動離子的數(shù)量增加，從而響應(yīng)電流增強。穩(wěn)定性測試表明，在長時間（3個月）自然放置后，BP 薄膜傳感器的響應(yīng)信號幾乎保持不變。BP 堆疊膜的高穩(wěn)定性預(yù)示著其也將有望在其他領(lǐng)域中得以應(yīng)用，如能量轉(zhuǎn)化/存儲、電催化和化學(xué)/生物傳感。

2 生物小分子電化學(xué)傳感器

2.1 過氧化氫電化學(xué)傳感器

Yan 等利用超臨界二氧化碳輔助液相剝離法成功制備了層狀黑磷納米片（厚度約4.5nm），并將其用于修飾電極對HO進行了檢測。為了防止氧氣對黑磷的氧化，電化學(xué)測試在氮氣保護的磷酸緩沖溶液中進行。隨著溶液HO濃度的逐漸增高，黑磷修飾電極的循環(huán)伏安電流信號依次出現(xiàn)了下降，對應(yīng)的電極阻抗值增大，是HO對黑磷的氧化所致。根據(jù)阻抗信號的變化可實現(xiàn)對HO的定量檢測。進一步將黑磷與其他材料結(jié)合，隨后研究者們報道了基于不同黑磷復(fù)合納米材料的HO電化學(xué)傳感方法。Dong等通過原位水熱合成得到了黑磷量子點摻雜的的氧化鋅納米棒（BPQDs@ZnO）。與單一材料相比，BPQDs@ZnO復(fù)合物表現(xiàn)出了積極的協(xié)同效應(yīng)，具有最好的導(dǎo)電性與最高的HO催化氧化活性，可用于HO的靈敏檢測。檢測限為2.5μmol/L。

Zhao 等提出了一種非共價修飾合成聚賴氨酸-黑磷（pLL-BP）雜化材料的策略。聚--賴氨酸（poly--lysine, pLL）通過丁基鏈與BP 之間的疏水作用以及質(zhì)子化氨基與BP 上磷酸基團負電荷之間的靜電作用而固定到BP的表面上。pLL-BP可作為電子轉(zhuǎn)移基底負載Hb，BP良好的電導(dǎo)率和生物相容性可維持Hb 的天然結(jié)構(gòu)和生物活性，促進Hb 電活性中心與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移。基于Hb-pLL-BP 構(gòu)建的酶促電化學(xué)生物傳感器對HO表現(xiàn)出了優(yōu)異的還原性能，可實現(xiàn)對HO的特異性靈敏檢測。此外，該課題組最近還以銅納米粒子-殼聚糖-黑磷復(fù)合物材料修飾的電極構(gòu)建了一種基于BP的非酶HO電化學(xué)傳感器。

Pumera等構(gòu)建了基于黑磷烯@生物酶（葡萄糖氧化酶，GOx；辣根過氧化物酶，HRP）復(fù)合物和二茂鐵甲醇（FcMeOH）氧化還原介體的電化學(xué)傳感器（見圖3），并考察了黑磷作為電化學(xué)傳感器平臺的電活性與穩(wěn)定性。BP 在此為生物酶的載體材料并參與電流的傳導(dǎo)。在BP/GOx 體系中，葡萄糖還原GOx 生成還原態(tài)的GOx，進一步GOx與FcMeOH介體反應(yīng)生成GOx和FcMeOH，在電極表面FcMeOH可得到電子轉(zhuǎn)化為FcMeOH，產(chǎn)生一個葡萄糖濃度有關(guān)的氧化電流信號。在BP/HRP體系 中， HRP 能 催 化HO氧 化FcMeOH 生 成FcMeOH，而后在磷烯修飾電極表面FcMeOH 能快速被還原，產(chǎn)生還原電流信號。循環(huán)伏安與計時電流法測試表明，在氧化傳感體系中（BP/GOx），黑磷不能提高檢測的電流信號且其自身容易被氧化；而在還原傳感體系中（BP/HRP），黑磷能明顯提高檢測的電流信號且結(jié)構(gòu)保持完整。GC/BP/HRP電極能實現(xiàn)對HO的高靈敏檢測，線性范圍為5～275μmol/L，檢測限為0.14μmol/L。此外研究還發(fā)現(xiàn)HRP 與GOx 共同修飾的GC/BP 電極可對HO與葡萄糖表現(xiàn)出“開/關(guān)”型電流信號響應(yīng)。這項工作中關(guān)于黑磷烯二元特性的研究對黑磷傳感平臺及酶邏輯門的構(gòu)建有著重要的指導(dǎo)意義。

圖3 BP在氧化與還原生物酶電化學(xué)傳感中的二元特性及“開/關(guān)”型酶響應(yīng)體系示意圖[51]

2.2 抗壞血酸電化學(xué)傳感器

Xu 等利用電聚合手段制備了黑磷聚合物復(fù)合材料，并以此構(gòu)建了抗壞血酸（ascorbic acid，AA）的分子印跡電化學(xué)傳感器。復(fù)合材料的制備見圖4，首先利用靜電作用，將帶負電荷的黑磷量子點（BPQDs） 與目標檢測物AA 同時吸附在聚(3,4-亞乙基二氧噻吩)納米棒上（PEDOTNRs）；進一步在其表面自組裝導(dǎo)電聚吡咯（polypyrrole,PPy），經(jīng)過電聚合反應(yīng)用后便可得到PPy-BPQDs-MIPs/PEDOTNRs 復(fù)合物。實驗優(yōu)化了循環(huán)伏安電聚合的掃描全圈數(shù)、pH、模板分子濃度、孵育時間等參數(shù)。通過差分脈沖伏安法（DPV）對AA 進行了定量測定，DPV 峰值電流與AA 濃度在0.01～4mmol/L 范圍內(nèi)呈線性相關(guān)，檢測限為3.3μmol/L。此外，所制備的分子印跡電極對AA的電化學(xué)響應(yīng)具有良好的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和選擇性，并將其用于飲料樣品中AA 的檢測。利用液相剝離法，Dong等制備了橫向尺寸約為240nm 的BP 納米片（BPNS）。由于黑磷大的比表面積和良好的電荷轉(zhuǎn)移能力，BPNS 修飾的電極表現(xiàn)出了優(yōu)異的AA 電化學(xué)催化氧化性能，與裸GCE 相比電流增大了6倍。在最優(yōu)條件下，可實現(xiàn)對AA 的高靈敏檢測，檢測限低至0.3nmol/L。Badhulika 等將苯胺電化學(xué)聚合在BP涂層絲網(wǎng)印刷碳電極（SPCE/BP）上，制備了聚苯胺（PANI）包覆的BP，得到了具有良好穩(wěn)定性的電化學(xué)傳感平臺SPCE/BP@PANI。循環(huán)伏安與阻抗測試表明，SPCE/BP@PANI 與SPCE/BP相比具有更好的電子傳輸性能，對AA與肼有良好電化學(xué)氧化活性。

圖4 PPy-BPQDs-MIPs/PEDOTNRs 復(fù)合物電極的制備流程示意圖[52]

2.3 氨基酸及其他生物小分子電化學(xué)傳感器

Yu 等制備了Nafion 穩(wěn)定的黑磷納米片（BPNSs）和6-O--麥芽糖基--環(huán)糊精（G2--CD，6-O--mal-tosyl--cyclodextrin）修飾的復(fù)合電極（BPNSs-G2--CD/GCE）?；诃h(huán)糊精的主客體識別作用，BPNSs-G2--CD/GCE 可作為色氨酸（Trp）對映體手性識別的電化學(xué)傳感平臺（見圖5）。該體系中黑磷納米片一方面可作為目標物識別單元環(huán)糊精的載體材料，另一方面還可提升電極的電子傳輸性能。在優(yōu)化的實驗條件下，方波伏安法測定的L-Trp 與D-Trp 氧化峰電流之比（/）和峰電位之差（Δ=-）分別為1.49mV和20mV，對L-Trp 與D-Trp 檢 測 限 分 別 為1.07μmol/L 和1.71μmol/L。他們提出的BPNSs-G2--CD/GCE 傳感器對Trp手性識別機制為不同的分子間氫鍵相互作用以及疏水腔引導(dǎo)的嵌入效應(yīng)。隨后該課題組將G2--CD 與黑磷納米片逐步多層滴鑄到玻碳電極上，構(gòu)建了一種檢測L-Tyr 和D-Tyr 的電化學(xué)傳感器。

圖5 NF/BPNSs-G2-β-CD/GCE傳感器的制備流程及其對Trp對映體檢測的示意圖[55]

硫醇在蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成中起著重要作用，而硫醇濃度的升高與一些疾病密切相關(guān)，例如癌癥、艾滋病和心血管疾病。Sarswat等利用多層黑磷和酞菁鈷（CoPc）組成的復(fù)合電極，對兩種硫醇分子（十二烷硫醇、1,2-乙二硫醇）進行了定量檢測。FOWA（foot of the wave analysis）、阻抗和Randles-Sevcik 分析顯示黑磷-CoPc 復(fù)合物傳感器具有強的電荷轉(zhuǎn)移特性。在0.1mol/L NaOH 溶液中，硫醇濃度從1.0μL/mL 增大至5.0μL/mL 時，電極電流表現(xiàn)出了良好的線性響應(yīng)。此外，傳感器對氣態(tài)硫醇也表現(xiàn)出了非常好的檢測性能。

瘦肉精（CLB）作為一種腎上腺素結(jié)構(gòu)和功能類似物，已被用于預(yù)防和治療呼吸系統(tǒng)疾病。其也被非法添加到動物飼料或獸藥中，以增加蛋白質(zhì)沉積和脂肪酸降解，CLB能在動物組織中積累，并通過食物鏈轉(zhuǎn)移對人體健康造成嚴重損害。Xu 等用BP 與Nafion（Nf）復(fù)合納米材料修飾的玻璃碳電極，得到了一種可用于伏安法測定克倫特羅（CLB）的傳感器。BP-Nf 復(fù)合材料表現(xiàn)出了良好的水、氧氣穩(wěn)定性及對CLB 的優(yōu)異電催化活性，在最佳條件下，檢測限靈敏度為3.7nmol/L，靈敏度為0.14μA·L/(μmol·cm)。實驗和理論計算表明，檢測機理為CLB 的氨基氧化為了羥胺。該傳感器成功應(yīng)用于牛肉和牛血清樣品中CLB的測定。

3 其他小分子電化學(xué)傳感器

3.1 真菌毒素電化學(xué)傳感器

赭曲霉毒素A（ochratoxin A, OTA）是一種真菌次生代謝產(chǎn)物，常出現(xiàn)在啤酒、葡萄汁、咖啡、豆?jié){等各種食品中。OTA 具有腎毒性、致癌性、致畸性和免疫毒性，被國際癌癥研究署列為2B 類致癌物。由于OTA 的電化學(xué)活性差，對電極表面的吸附作用強，因此使用化學(xué)修飾電極對OTA 進行電化學(xué)檢測存在一定的挑戰(zhàn)。Wen等利用二維黑磷烯修飾的玻碳電極（BP/GCE）成功實現(xiàn)了OTA 的檢測。BP 的存在能大大提高電極對OTA 的催化氧化電流。BP/GCE具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、電催化活性和優(yōu)異的抗污染性能。利用差分脈沖伏安法可對OTA 進行定量測定，響應(yīng)線性范圍為0.3～10μg/mL，檢測限為0.18μg/mL。密度泛函理論計算顯示OTA 的氧化是不可逆的電化學(xué)反應(yīng)，分子中酰胺鍵NH被氧化成了N—O，反應(yīng)為吸附控制過程且伴隨兩質(zhì)子和兩電子轉(zhuǎn)移。

展青霉素（patulin，PAT）是曲霉菌、青霉菌及絲衣霉菌等真菌代謝生成的一種霉菌毒素，為一種廣泛存在的食品污染物，對嚙齒動物的健康具有急性和慢性毒副作用。世界衛(wèi)生組織食品添加劑聯(lián)合專家委員會規(guī)定的人體單日最大攝入量為0.4μg/kg。Sheng等首次利用BPNSs修飾的電極（BPNSs/GCE）實現(xiàn)了對PAT 的阻抗電化學(xué)分析?；谶m配體在電極表面兩種不同的修飾模式，建立了兩種PAT 的電化學(xué)測定方法。首先通過靜電作用將PAT 適配體非共價修飾到BPNSs/GCE 上得到了一種阻抗減弱型的電化學(xué)傳感器[見圖6(a)]。其作用原理為PAT 可與適配體結(jié)合使其脫離電極表面，從而減小電極阻抗值，該方法的線性范圍為1.0nmol/L～1.0μmol/L，檢測限為0.3nmol/L。進一步將適配體通過金硫鍵組裝到金納米顆粒修飾的BPNSs/GCE 上，得到了一種性能更優(yōu)的阻抗電化學(xué)傳感器[見圖6(a)]，線性范圍擴大為0.1nmol/L～10.0μmol/L，檢測限降為0.03nmol/L。

圖6 基于適配體-BP NSs和適配體-AuNP-BPNSs電極的適配體PAT傳感器示意圖[60]

3.2 芳香有機污染物電化學(xué)傳感器

雙酚A（bisphenol A,BPA）是一種塑料和樹脂合成中常用的單體化合物。BPA具有與雌二醇相似的結(jié)構(gòu)，能通過污染的食品直接進入人體并擴散至各種液體和組織中，可導(dǎo)致嚴重的身體病癥，如心血管疾病、糖尿病、性早熟、肝臟損害等。因此，為了防控BPA 的危害，需要對含BPA 產(chǎn)品進行嚴格的監(jiān)測。Hu 等使用多孔石墨烯與黑磷復(fù)合物（PG-BP）修飾玻碳電極，構(gòu)建了一種檢測BPA 的高靈敏電化學(xué)傳感器。在電極表面原位制備的PGBP 復(fù)合物具有比表面積大和導(dǎo)電性好的優(yōu)點。BP能直接催化目標物BPA 的電化學(xué)氧化，反應(yīng)為不可逆的兩電子氧化過程，受擴散控制。在最佳實驗條件下，可利用差分脈沖伏安法對BPA 進行定量測定，線性范圍為4.3×10～5.5×10mol/L，檢測限為7.8×10mol/L。此外該傳感器還具有長時穩(wěn)定性、良好的重復(fù)性及選擇性。

己二胺（HA）能非共價修飾到BP 表面形成HA/BP復(fù)合物，HA的氨基能通過氫鍵作用與BP表面的氧化磷作用，從而可阻止BP 與水的反應(yīng)及降解，大大提高BP的穩(wěn)定性。Wu等進一步利用氫鍵作用將酪氨酸酶結(jié)合到HA/BP 表面，并將得到的復(fù)合物修飾到叉指電極上，再用氯仿包覆電極，獲得了基于HA/BP/酪氨酸酶的有機相叉指電極。檢測過程中，樣品中的BPA 能快速擴散至氯仿相中，酪氨酸酶首先通過氧氣將BPA 氧化為二酚，再進一步將鄰二酚氧化形成鄰醌。鄰醌在電極表面又能被電化學(xué)還原為鄰二酚。且反應(yīng)體系中加入了介體分子2,5-二叔丁基-1,4-苯醌（DTBQ），DTBQ能加速BPA 鄰二酚與鄰醌結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的過程，從而提高了電極電流響應(yīng)值。

圖7 BP-AuNP-Ap/Au適配體傳感器的構(gòu)建與檢測原理示意圖[63]

4 生物大分子電化學(xué)傳感器

4.1 蛋白分子電化學(xué)傳感器

心肌蛋白（myoglobin,Mb）是一種重要的心血管疾病標志物。Sabherwal等利用黑磷構(gòu)建了一種檢測Mb 的適配體電化學(xué)傳感器。其構(gòu)建過程為：通過表面活性劑輔助的水相剝離法獲得了薄層黑磷納米片；利用靜電作用，在BP 表面修飾聚賴氨酸（poly-L-lysine, PLL）生成了PLL-PB 復(fù)合物；將PLL-PB 涂覆在電極表面后，再修飾上識別目標檢測物的適配體，最終得到了檢測Mb 的工作電極PLL-PB-Apt[見圖8(a)]。在鐵氰化鉀/亞鐵氰化鉀溶液中的循環(huán)伏安測試顯示，裸電極的電流響應(yīng)值僅為0.64μA，而PLL-PB 修飾電極的電流達到了1.3mA[見圖8(b)]。他們將電化學(xué)響應(yīng)的增強歸因于BP 固有的氧化還原特性，BP 在0.6V(AgCl)外加電壓條件下會出現(xiàn)明顯的氧化峰，對應(yīng)的P(0)氧化為P(Ⅴ)。而在CV圖中出現(xiàn)的是一對電流絕對值大小相當?shù)难趸€原峰，因此電流信號仍可能是源自溶液介質(zhì)中的鐵氰化鉀/亞鐵氰化而不是黑磷自身，電流的增加可歸因于PLL-PB修飾電極后，電極的電子傳性能得到了大幅提升。進一步修飾適配體后，電流出現(xiàn)了小幅下降，其原因可能為帶負電荷的適配體對溶液中帶同種電荷的活性電對的排斥作用所致。由于目標物Mb自身包含了一個血紅素基團，其鐵(Ⅱ)中心也可與電極間發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，因此加入目標物Mb后，觀測到電流信號增強了。基于該原理，傳感器PLL-PB-Apt 實現(xiàn)了對Mb 的高靈敏與高選擇性檢測。檢測限約為0.524pg/mL，靈敏度為36μA·mL/(pg·cm)，在血清樣品中的動態(tài)響應(yīng)范圍為1pg/mL～16μg/mL[見圖8(c)]。利用類似構(gòu)造的黑磷基電極，Neethirajan 等建立了一種結(jié)合珠蛋白的無標記的電化學(xué)免疫傳感器。

圖8 黑磷構(gòu)建檢測Mb的適配體電化學(xué)傳感器[64]

Pumera等報道了一種基于黑磷納米顆粒析氫反應(yīng)的免疫電化學(xué)傳感器。通過電化學(xué)陰陽雙電極剝離法得到了尺寸約為70nm 的黑磷納米顆粒（BPNPs）。 線性掃描伏安法（LVS）測試表明，BPNPs 與大尺寸BP 及裸玻碳電極相比具有更高的電催化析氫活性，因此可作為電信號報告基團。且阻抗測試表明，BPNPs修飾的電極具有更好的電子傳輸性能。傳感器對目標蛋白IgG的檢測原理見圖9，首先將IgG與黑磷復(fù)合得到IgG/BPNPs，并在將納米磁珠上標記目標物抗體得到MB/IgG 抗體復(fù)合物；將上述兩者與檢測溶液混合，檢測溶液中的IgG 會與IgG/BPNPs 競爭和MB/IgG 抗體結(jié)合；然后將上述溶液滴涂在有磁鐵作用的電極上，與MB/IgG抗體結(jié)合的IgG/BPNPs將被固定于電極的表面，從而通過檢測其析氫反應(yīng)所產(chǎn)生的電流信號可實現(xiàn)對溶液中IgG 的定量測定?；诤诹讏鲂?yīng)晶體管，Chen 等也構(gòu)建了一種IgG 的高靈敏免疫傳感器。

圖9 以BPNPs為標記物與HER電催化劑信號分子的IgG競爭性磁免疫傳感器的示意圖[66]

瘦蛋白（leptin）是一種由小腸中細胞產(chǎn)生的激素蛋白，具有調(diào)節(jié)能量平衡與脂肪儲存的功能。此外瘦蛋白也是一種非酒精性脂肪性肝病的重要潛在生物標志物。Hu等基于金納米粒子@多孔石墨烯-黑磷修飾的玻碳復(fù)合電極建立了一種檢測瘦蛋白的免疫電化學(xué)傳感方法。多孔石墨烯（PG）與黑磷的復(fù)合能提高BP 的穩(wěn)定性和導(dǎo)電能力。進一步修飾金納米顆粒后，目標物識別抗體可通過半胱氨酸與戊二醛的交聯(lián)作用固定于電極的表面。得到的電極能高靈敏和特異性地檢測目標物瘦蛋白。在優(yōu)化的條件下，該免疫傳感器的線性范圍為0.150～2500pg/mL，檢測限為0.036pg/mL。實際血清樣品測試中顯示該方法具有理想的回收率，因此其有望成為非酒精性脂肪肝患者臨床診斷的可靠技術(shù)手段。同樣通過在玻碳電極表面修飾薄層黑磷及目標物抗體，Jakóbczyk等構(gòu)建了一種流感嗜血桿菌細菌蛋白的電化學(xué)傳感器。通過阻抗測試直接實現(xiàn)對目標物的高靈敏定量測定，檢測限為5.82μg/mL。

光電化學(xué)（photoelectrochemical,PEC）分析是一類新型的電化學(xué)檢測方法，其高靈敏度、高選擇性及裝置簡便易搭建的特點，近年來受到了廣泛的關(guān)注。Ge等報道了一種基于黑磷量子點@二氧化鈦復(fù)合光敏材料的紙基光電化學(xué)傳感器，并用于前列腺特異性抗原（prostate-specific antigen, PSA）的檢測。在該PEC 傳感器中，黑磷量子點作為光敏材料實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生光電流信號。傳感器的構(gòu)造見圖10(a)，首先將碳納米管（CNT）涂覆在紙電極（paper working electrodes, PWE）上形成柔性導(dǎo)電紙電極（PWE-CNTs）；然后原位合成TiO納米粒子得到電極PWE-CNTs-TiO；進一步附著黑磷量子點得到電極PWE-CNTs-TiO-BP QDs；隨后修飾DNA 捕獲鏈（C-DNA）與標記有金納米粒子的PSA 適配體得到最終的PEC 工作電極。由于TiO-BPQDs 與AuNPs 間能發(fā)生激子-等離子體激元共振作用（exciton-plasmon interactions, EPI），因此該適體PEC 傳感器的光電流信號較低；而引入目標物PSA能與適配體結(jié)合，導(dǎo)致金納米粒子從電極表面脫離，EPI效應(yīng)減弱，從而光電流響應(yīng)增強[見圖10(b)]。在最佳條件下，該方法對PSA 的線性響應(yīng)范圍為0.005～50ng/mL，檢出限為1pg/mL。此外，該傳感器還具有高選擇性[見圖10(c)]，良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。

圖10 基于黑磷量子點@二氧化鈦復(fù)合光敏材料的紙基光電化學(xué)傳感器[70]

4.2 核酸電化學(xué)傳感器

微小RNA （miRNA） 是一類內(nèi)源性非編碼RNA 分子，長度約為20 個核苷酸。miRNA 的基因調(diào)控功能在許多疾病的發(fā)展中起著重要作用，如癌癥、心臟病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病等。Gui 等通過將黑磷納米片附著在硫堇（thionine, TH）摻雜的二維Cu-MOF 上開發(fā)了一種檢測miRNA（miR3123）的比率型電化學(xué)方法。黑磷納米片同時作為電化學(xué)信號分子及識別核酸鏈的載體材料。傳感器的組建過程見圖11，首先通過表面活性劑輔助法制備得到了具有二維層狀結(jié)構(gòu)的含電活性分子硫堇的MOF材料TH/Cu-MOF；進一步將其與BPNSs 結(jié)合生成了復(fù)合物BPNSs/TH/Cu-MOF；最后在玻碳電極上修飾該復(fù)合物并負載二茂鐵標記的識別核酸鏈，得到該傳感器的工作電極適配體-BPNSs/TH/Cu-MOF/GCE。方波伏安法測試中，該電極能呈現(xiàn)硫堇與二茂鐵的雙電流電信號；而目標物miR3123能與標記二茂鐵的互補核酸鏈結(jié)合，使其從電極表面脫離，對應(yīng)出現(xiàn)二茂鐵電流信號的下降，基于此原理該電極能實現(xiàn)目標物的比率型電化學(xué)響應(yīng)。最佳條件下，miR3123 濃度（2pmol/L～2μmol/L 范圍內(nèi)）的對數(shù)與響應(yīng)電流比值（/）呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢測限為0.3pmol/L。該傳感器可用于實際樣品中miR3123 的準確檢測，具有較高的實用性。

圖11 miR3123適配體傳感器的制備過程示意圖[71]

基于黑磷發(fā)光體，最近Ge 等建立了一種檢測 miRNA 的 紙 基 電 化 學(xué) 發(fā) 光（electrochemiluminescence, ECL）傳感方法。通過在銀改性的紙基底上依次負載氨基化的黑磷納米片和修飾有金納米粒子的核酸鏈（AuNPs-DNA）得到了ECL 工作電極（見圖12）。由于黑磷的發(fā)射光譜與金納米顆粒的吸收光譜高度重疊，兩者間能發(fā)生有效共振能量轉(zhuǎn)移（RET），因此電極本身的ECL 信號較低。而目標物（miRNA-107） 能與AuNPs-DNA 結(jié)合，形成DNA-RNA 異源雙鏈；進一步向體系中加入的雙鏈特異性核酸酶（DSN）可以酶切形成的DNA-RNA雙鏈，釋放電極表面與黑磷相連的金納米顆粒與miRNA-107；釋放的miRNA-107 與DSN 可循環(huán)重復(fù)上述過程，最終使得成倍量的AuNPs 從電極表面脫離，RET 過程減弱，ECL信號增強。由于利用了DSN輔助的目標循環(huán)信號放大策略，該方法表現(xiàn)出了極高的靈敏度，檢測限為0.04pmol/L，線性范圍為0.1pmol/L～15nmol/L。為了使傳感平臺更加便捷和小型化，該ECL 檢測體系還利用紙基的鈣鈦礦太陽能電池（PSC）裝置代替了常用電化學(xué)工作站。該研究也是首次將PSC應(yīng)用于ECL傳感器的構(gòu)建。黑磷納米材料除自身能產(chǎn)生ECL效應(yīng)外，還可作為一種ECL的增敏劑，Dong等發(fā)現(xiàn)黑磷量子點（BPQDs）能顯著提升ZnO納米顆粒的電致發(fā)光信號，而細胞色素c 能消耗該ECL 體系中的共反應(yīng)試劑KSO，從而使體系發(fā)光信號下降?；谏鲜鲈?，可實現(xiàn)對細胞色素c的定量檢測。

圖12 基于ECL-RET原理的紙基電化學(xué)發(fā)光傳感器[72]

5 細胞及外泌體電化學(xué)傳感器

圖13 基于BP@AuNPs@適配體信號探針和磁珠細胞捕獲的電化學(xué)傳感器的示意圖[74]

Li 等基于主體客體識別的杯[8]芳烴/聚多巴胺/磷烯（BP@PDA-SCX8·FA）納米復(fù)合材料構(gòu)建了一種癌細胞檢測的電化學(xué)傳感器（見圖14）。首先將多巴胺在BP表面原位聚合得到BP與聚多巴胺的復(fù)合物（PDA/BP）；進一步將PDA/BP 與磺酸化杯[8]芳烴（-sulfonated calix[8]arene, SCX8）混合加熱生成了BP@PDA-SCX8；最后利用SCX8 與葉酸（FA） 主客體識別作用，制備了BP@PDASCX8·FA 納米復(fù)合材料?；贔A 與目標物前列腺癌細胞（LNCaP cells）表面葉酸受體的特異性結(jié)合作用，BP@PDA-SCX8·FA 修飾的電極能有效捕獲LNCaP細胞，從而使電活性分子與電極表面的電極交換過程受阻。利用該原理，實現(xiàn)了對目標細胞的阻抗分析，檢測的線性范圍為每毫升2×10～1×10個細胞，檢測限為每毫升36 個細胞。由于特異性的超分子識別作用，該傳感平臺表現(xiàn)出良好的靈敏度、穩(wěn)定性及重現(xiàn)性。

圖14 癌細胞檢測的電化學(xué)傳感器[75]

Dai 等以BP 量子點功能化的Mxene 為增強型雙模探針，建立一種外泌體檢測的ECL 和光熱雙模生物傳感器。將制備的Mxenes 依次與BPQDs、Ru(dcbpy)-PEI、抗體Ab復(fù)合得到了信號探針MXenes-BPQDs@Ru(dcbpy)-PEI-Ab。目標物捕獲電極Apt/ILs/SiONUs/GCE 能通過適配體的識別作用結(jié)合外泌體，再利用抗體抗原的特異性作用可以將信號探針固定到電極表面。信號探針中Ru(dcbpy)和MXenes-BP 可分別產(chǎn)生ECL 信號和光熱效應(yīng)，從而能實現(xiàn)外泌體的雙模檢測。BPQDs可以作為共反應(yīng)劑催化Ru(dcbpy)的氧化，從而增強Ru(dcbpy)的ECL 信號，且MXenes 具有大的比表面積和電導(dǎo)率，作為載體可增加Ru(dcbpy)和BPQDs 的量，進一步增強體系的ECL 信號。另一方面，BPQD 和MXenes 均具有優(yōu)異的光熱效應(yīng)，從而可協(xié)同增強傳感器的光熱信號。兩種模式均可實現(xiàn)對外泌體的靈敏檢測，響應(yīng)線性范圍為1.1×10～1.1×10顆粒/μL。為了進一步考察傳感器的實際樣品測試能力，實驗還對MCF-7 和Hela 細胞提取的外泌體進行了測試，結(jié)果表明，MCF-7細胞外泌體表面的EPCAM（皮細胞黏附分子）蛋白表達最高。

6 結(jié)語與展望

BP 作為一類新興的二維納米材料，引起了眾多領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。BP 獨特的電學(xué)及光學(xué)特性也使其在電化學(xué)及光分析中極具應(yīng)用前景。本文全面總結(jié)了基于BP 納米材料的電化學(xué)傳感器，并根據(jù)目標的類別對傳感器進行了分類討論，包括氣體分子、生物小分子、其他小分子、生物大分子、細胞幾大類。BP 基納米材料具有高的比表面積、載流子傳輸速率和電導(dǎo)率、表面易修飾、催化活性高等優(yōu)異特性，在電化學(xué)傳感中能發(fā)揮重要作用，主要包括：①修飾電極基底，提高電極導(dǎo)電性、增強電化學(xué)信號，在大部分此類電化學(xué)傳感器中都利用BP 的該特性；②作為載體材料負載電化學(xué)信號分子或目標物識別單元，如生物酶、納米顆粒催化材料、電信號分子、核酸適配體、功能蛋白等；③作為活性中心直接或間接催化檢測目標物發(fā)生反應(yīng)，如催化HO、抗壞血酸、巰基小分子、多酚類物質(zhì)的直接電化學(xué)氧化；④作為ECL 信號團或作為共反應(yīng)劑增強ECL 信號，如BP 能顯著提升Ru(dcbpy)及ZnO納米顆粒的電致發(fā)光信號；⑤作為光敏劑產(chǎn)生PEC信號，如黑磷量子點@二氧化鈦復(fù)合物可作為高效的PEC傳感器光敏材料。

雖然目前BP 基電化學(xué)傳感器的研究取得了一定的進展，但仍然有一些關(guān)鍵問題需要解決：①BP 的穩(wěn)定性仍需改善，如一些檢測需要在惰性氣體的保護下進行，不利于分析操作的簡便化；②BP 的精準結(jié)構(gòu)難以調(diào)控，目前電化學(xué)傳感器中所用BP 材料為傳統(tǒng)方法制備所得，其形貌與組成存在較大不確定性，因此對電化學(xué)傳感器的可靠性與重現(xiàn)性帶來了挑戰(zhàn)；③BP 在電化學(xué)傳感器中的功能還比較單一，大部分僅將BP 作為電極修飾層或載體材料來提高導(dǎo)電性，而BP 的其他性質(zhì)如特殊的催化特性、各向異性的光電特性等還有待進一步研究與利用；④電化學(xué)分析性能還需改善，如傳感器的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性等。針對這些問題，未來的研究可在以下幾個發(fā)面開展：①進一步改進合成方法，如采用自下而上CVD 法、模板合成法等，得到結(jié)構(gòu)更加精確的BP 納米材料；②通過表面改性或本體摻雜的策略提高BP 的穩(wěn)定性，在此過程中也有望提升BP 的其他性能，如引入特定的金屬元素能使BP具有本征的電化學(xué)信號；③將BP與其他納米材料結(jié)合得到性能更優(yōu)的復(fù)合物；④通過表面改性或采用有機合成方法對BP表面進行官能團化，調(diào)控BP 的表面性質(zhì)與反應(yīng)特性，增加傳感器檢測對象與傳感策略的多樣性。