基于碳材料-納米金的生物傳感器研究進(jìn)展

唐星星，程圣遠(yuǎn)，王堅(jiān)堅(jiān)

基于碳材料-納米金的生物傳感器研究進(jìn)展

唐星星1，程圣遠(yuǎn)2，王堅(jiān)堅(jiān)2

（1. 浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 光電制造學(xué)院，浙江 溫州 325003；2. 浙江重氏環(huán)境資源有限公司，浙江 溫州 325036）

碳材料具有獨(dú)特的力、磁、電等物理化學(xué)性質(zhì)，尤以石墨烯、碳納米管為代表。納米金是一種具有優(yōu)良生物相容性的納米材料。將碳材料與納米金復(fù)合構(gòu)筑的生物傳感器具有靈敏度高、特異性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此，該復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于各種生物傳感器中。分別對石墨烯/納米金和碳納米管/納米金在電化學(xué)生物傳感器方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

碳材料；納米金；生物傳感

納米金是指尺寸范圍在1～100 nm左右的金的微小顆粒，其具有優(yōu)良的電、磁、光等物理化學(xué)特性，并能與生物大分子結(jié)合，表現(xiàn)出優(yōu)良的生物相容性[1]。通過氯金酸還原法制備納米金是其主要的制備工藝，通過控制工藝參數(shù)可制備出不同形貌和粒徑的納米金。

1 納米金的特性

納米金粒子由于具有納米尺度因而表現(xiàn)出納米材料的特有性質(zhì)。納米金具有量子效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和優(yōu)良的生物相容性，這些特性會隨其形貌、尺寸大小及環(huán)境而調(diào)整。基于納米金在光、電、磁及生物相容性方面較其他材料具有特殊的優(yōu)勢，且其能維持生物分子的活性，并為氧化還原反應(yīng)提供了穩(wěn)定條件，故其常被用來和其他材料結(jié)合制成具有特殊生物傳感功能的復(fù)合材料及器件，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。利用納米金開發(fā)新型傳感器，使得生物檢測的靈敏性及特異性大為改善，為核酸、蛋白質(zhì)等生物分子的檢測提供了一種快速有效的 方式。

2 納米金的制備

納米金的制備主要是基于1973年FRENS[2]提出的氯金酸還原法，該方法操作簡單，穩(wěn)定性高，產(chǎn)物質(zhì)量好，分散性高，并能根據(jù)工藝參數(shù)靈活控制納米金的形貌和尺寸。將氯金酸溶液加熱煮沸，然后迅速加入檸檬酸三鈉溶液，攪拌，直至溶液顏色由深紫色變成透明的酒紅色。

3 碳材料-納米金生物傳感器

碳材料是近幾十年來逐步發(fā)展起來的明星材料，由于具有獨(dú)特的力學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)性質(zhì)，在很多方面得到了廣泛的應(yīng)用，其中將碳材料與納米金復(fù)合構(gòu)筑具有生物傳感性能的器件應(yīng)用于分析檢測領(lǐng)域是近年來的研究熱點(diǎn)。當(dāng)前碳材料-納米金復(fù)合物生物傳感器主要集中在石墨烯/納米金復(fù)合材料和碳納米管/納米金復(fù)合材料。

3.1 石墨烯/納米金生物傳感器

石墨烯是一種導(dǎo)電性強(qiáng)（1.5×104cm2·V-1·S-1）、比表面積大（2 600 m2·g-1）、力學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定 （1.06×103GPa）的二維納米材料[3]。由于這些獨(dú)特的特性使它被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域，其中將石墨烯和納米金復(fù)合構(gòu)筑高靈敏生物傳感器用于生物分子檢測便是一個(gè)應(yīng)用的熱點(diǎn)。

GANASH[4]等采用水熱合成法，合成制備出聚苯胺-鄰-茴香胺/石墨烯納米復(fù)合材料，在該材料表面涂以納米金顆粒，制備出基于石墨烯/納米金復(fù)合物（AuNPs/PANI-co-PoAN/GO）的生物傳感器。用此傳感器修飾的玻碳電極檢測多巴胺，穩(wěn)定性、靈敏性和選擇性均較好，檢測限0. 0334 μmol·L-1，在5～100 μmol·L-1的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出線性關(guān)系。

賈飛等[5]采用電化學(xué)沉積法將經(jīng)巰基修飾的納米金與石墨烯/碳納米管結(jié)合，修飾在電極表面并制成工作電極。使用該傳感器對目標(biāo)菌進(jìn)行定量檢測，檢出限4 CFU·mL-1，檢測范圍10～106CFU·mL-1。

WU[6]等通過電沉積和自組裝，將聚吡咯/石墨烯和納米金復(fù)合并修飾在玻碳電極上，將此傳感器用于對葡萄糖的電催化活性檢測。傳感器檢測限 5.6 μmol·L-1，靈敏度 0.89 μA·mmol-1·L·cm-2，線性范圍0.2～8 mmol·L-1。

樊雪梅[7]等將石墨烯、納米金和Nafion復(fù)合后修飾玻碳電極并應(yīng)用于尿酸檢測。在尿酸濃度范圍2.0×10-7～2.0×10-5mol·L-1內(nèi)與其氧化峰電流成較好的線性關(guān)系，檢出限1.0×10-8mol·L-1。實(shí)際檢測時(shí)，回收率96.8%～103.2%，為2.7%～3.3%。

CHAANDINI[8]等通過電沉積法合成石墨烯/納米金復(fù)合材料，在葡萄糖的電化學(xué)檢測中，傳感器靈敏度達(dá)245 μA·mmol-1·L·cm-2，電流響應(yīng)成線性關(guān)系。

WANG[9]等用血紅素封端的金納米顆粒、石墨烯和殼聚糖復(fù)合，組成新型電極，將該傳感器用于活細(xì)胞中的H2O2的檢測。傳感器檢測限可達(dá) 9.3 nmol·L-1，線性范圍0.05～1.0 μmol·L-1、1.0～1 000 μmol·L-1。

湯洪波[10]等采用電化學(xué)還原法，沉積制備出一種石墨烯/納米金復(fù)合材料修飾的電極，該電極對多巴胺的測定表現(xiàn)出良好的催化活性。復(fù)合電極的響應(yīng)在1×10-5～9×10-4mol·L-1范圍內(nèi)成線性關(guān)系，檢測下限1×10-8mol·L-1。此外，該傳感器在潛在干擾電活性物質(zhì)的影響下表現(xiàn)出靈敏度高、選擇性好、穩(wěn)定性強(qiáng)等特性。

FANI[11]等利用微分脈沖伏安法研制了一種用于檢測人類T淋巴細(xì)胞嗜性病毒（HTLV-1）的電化學(xué)DNA生物傳感器。DNA探針固定在聚吡咯、納米金和石墨烯（rGO-PPy-AuNPs）復(fù)合物修飾的印刷碳電極上，以蒽醌-2-磺酸鈉一水合物( AQMS）為指示劑，檢測T淋巴細(xì)胞病毒。該生物傳感器對T淋巴細(xì)胞病毒檢測限達(dá) 4×10-15mol·L-1，線性范圍1×10-15～1×10-7mol·L-1之間，此外通過重復(fù)性和再現(xiàn)性測試，表明具有良好的可重用性和穩(wěn)定性。

WEI[12]等利用殼聚糖的還原性和穩(wěn)定性，制備出石墨烯-納米金復(fù)合材料，并以此發(fā)明了一種無標(biāo)記的電化學(xué)傳感器。該傳感器對神經(jīng)元特異性烯醇化酶的檢測限達(dá)0.05 ng·mL-1，在濃度范圍 0.1～2 000 ng·mL-1內(nèi)成線性關(guān)系。

REEZI[13]等設(shè)計(jì)了一種電化學(xué)DNA生物傳感器用于目標(biāo)DNA檢測。該傳感器采用石墨烯/納米金的復(fù)合材料修飾鉛筆石墨電極( PGE )，傳感元件由檢測目標(biāo)的單鏈DNA 與巰基金納米顆粒( GNPs )結(jié)合而成。結(jié)果表明，檢測限為0.87×10-13mol·L-1，線性范圍1.0×10-13～1.0×10-9mol·L-1，檢測快速、簡便、高效，具有較高的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

FAHIMEH[14]等采用電沉積法，在施加電勢下得到用納米金石墨烯修飾電極的DNA傳感器，用此傳感器檢測水溶液中的達(dá)沙替尼，檢測濃度范圍可達(dá)0.03～5.5 μmol·L-1。

THU[15]等開發(fā)了一種基于石墨烯、PEDOT:PSS聚合物和納米金的均勻混合膜，檢測水環(huán)境中乙酰氨基酚。在高度均勻的AuNPs/rGO-PEDOT:PSS雜化膜上，電子轉(zhuǎn)移速率顯著提高，基于該雜化膜的生物傳感器用作低濃度乙酰氨基酚檢測，檢測限低至532 nmol·L-1。

ALARFAJ[16]等采用水熱合成法，制備出石墨 烯/芳基重氮鹽類/納米金復(fù)合材料，采用二茂鐵-氧化石墨烯分子修飾傳感器表面，用于檢測腫瘤標(biāo)志物降鈣素（CTN）。該傳感器檢測限達(dá)0. 7 pg·L-1，動態(tài)線性范圍0.001～1.0 ng·mL-1，輸出峰值電流漂移與降鈣素濃度成正比。

NIU[17]等采用石墨烯和納米金復(fù)合修飾電極構(gòu)筑的DNA 生物傳感器檢測李斯特菌基因序列，用亞甲基藍(lán)作指示劑，目標(biāo)DNA檢測限為 3.17×10-14mol·L-1，濃度范圍10-13～10-6mol·L-1。

GULER[18]等制備了一種檢測多巴胺生物傳感器，該傳感器以聚[2,2′:5′,2″]-叔噻吩-3′-碳醛/石墨 烯/納米金修飾玻碳電極為電極，具有寬的電活性表面和選擇性。傳感器的線性測定范圍為 0.02～232 μmol·L-1，靈敏度315 μA·mmol-1·L·cm-2，檢測限11.5?nmol·L-1。

3.2 碳納米管/納米金生物傳感器

碳納米管（CNT）是由碳原子構(gòu)成的直徑為納米級的管狀結(jié)構(gòu)材料，但其長度可達(dá)到微米甚至厘米級。碳納米管具有極為出色的各種性能，如高強(qiáng)度、高硬度、獨(dú)特的電學(xué)特性等。由于這些優(yōu)異的性能，使得碳納米管在電子材料和器件、納米制造技術(shù)、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力。將碳納米管和納米金復(fù)合構(gòu)筑高靈敏生物傳感器件用于生物分子檢測便是應(yīng)用之一。

蔣疆[19]等制備了一種碳量子點(diǎn)（CQDs）/金納米顆粒（AuNPs）@ 羥基化多壁碳納米管（MWCNT-OHs）復(fù)合膜修飾電極用于鳥嘌呤（GA）和腺嘌呤（AE）的同時(shí)檢測。該復(fù)合膜修飾電極能顯著提高GA 和 AE的氧化峰電流及峰電位差，實(shí)現(xiàn)對 GA 和 AE 同時(shí)高靈敏檢測。結(jié)果表明，在 0.2 mol·L-1PBS（pH=7. 0）中，GA 和 AE 的氧化峰電流與濃度分別在1～200 μmol·L-1和 2～80 μmol·L-1范圍內(nèi)成良好的線性關(guān)系，檢測限分別達(dá)0. 9、1. 8 μmol·L-1。

黃迪惠[20]等用納米金（AuNPs）和多壁碳納米管（MWCNTs）復(fù)合材料修飾電極，應(yīng)用于硝基苯酚（PNP）檢測。線性關(guān)系濃度范圍為 4.0×10-5～4.0×10-4mol·L-1時(shí)，檢出限達(dá)到1.6×10-6mol·L-1，對硝基苯酚檢測表現(xiàn)出較高的穩(wěn)定性和較好的重現(xiàn)性。

LUONG[21]等使用硫化單壁碳納米管/納米金修飾的金電極對HIV-1蛋白酶（HIV-1PR）進(jìn)行檢測，表現(xiàn)出極高的靈敏度，其檢測下限達(dá)0.8 μmol·L-1。

SEONG[22]等采用電化學(xué)沉積法在柔性透明單壁碳納米管（SWCNT）薄膜上制備了金納米顆粒（AuNP）陣列，并將陣列的納米管用作羥胺檢測。在0.016～0.210 m mol·L-1濃度范圍內(nèi)觀察到線性電響應(yīng)，檢測下限達(dá)到0.72 μmol·L-1，靈敏度為165.9 μA·mmol-1·L·cm-2。

WANG[23]等通過電化學(xué)沉積將水平陣列SWCNT表面沉積納米金顆粒，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對乳頭狀瘤病毒（HPV）和乙型肝炎病毒（HBV）的高靈敏檢測。對于1堿基錯(cuò)配的乙型肝炎單鏈DNA，檢測限為0.1 pmol·L-1。

YOUNG[24]等制備了一種基于金屬納米顆粒修飾的單壁碳納米管（SWCNT）網(wǎng)絡(luò)制備化學(xué)電阻氫傳感器。該傳感器響應(yīng)分別是鍍銅和鍍錫碳納米管的3.6倍和18.5倍。采用Au/SWCNN/Au三明治結(jié)構(gòu)，可使傳感器的傳感響應(yīng)從16.1%提高到50%。

YU[25-26]等制備了一種基于納米金（AuNPs）修飾的單壁碳納米管（SWCNT）的生物傳感器，用于檢測目標(biāo)DNA。信號轉(zhuǎn)導(dǎo)依賴于微小的AuNPs的生長，傳感發(fā)生在沿著SWCNT生長并連接成連續(xù)納米線的微小AuNP上，導(dǎo)致電導(dǎo)響應(yīng)。該生物傳感裝置可檢測目標(biāo)DNA，檢測限為1 pmol·L-1，并能區(qū)分三重和五重堿基對錯(cuò)配。進(jìn)一步優(yōu)化該傳感器發(fā)現(xiàn)調(diào)整電極間隙可獲得了不同的檢測限，0.25 μm電極間隙最佳。

董軍[27]采用恒電位法在碳納米管表面沉積納米金微粒，再利用物理吸附將乙腦疫苗抗體固定在金微粒表面，并通過辣根過氧化氫酶封閉傳感器上的非特異性活性位點(diǎn)，利用其對H2O2的反應(yīng)增強(qiáng)電流信號，制得乙腦免疫傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器靈敏度較高，線性范圍較寬，穩(wěn)定性和選擇性較好，應(yīng)用潛力較大。

毛勛[28]等合成了性能穩(wěn)定的碳納米管/納米金復(fù)合納米材料探針，并制得生物傳感器用于肺癌標(biāo)志物鱗狀細(xì)胞癌抗原的可視化快速定量檢測。該傳感器利用復(fù)合納米材料修飾抗體形成新型探針，具有抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，檢測限為5 ng·mL-1，線性范圍5～5 000 ng·mL-1。

賈曉波[29]利用碳納米管/納米金復(fù)合材料作探針，結(jié)合棉線裝置構(gòu)建即時(shí)檢測生物傳感器，開發(fā)出一種新型發(fā)夾結(jié)構(gòu)DNA序列功能化的CNT/GNPs納米復(fù)合探針，用于檢測與基因疾病相關(guān)的DNA序列和肺癌生物標(biāo)志物癌胚抗原。該裝置較傳統(tǒng)傳感器靈敏度高，檢測遺傳性酪氨酸血癥相關(guān)的DNA序列，檢測限0.44 nmol·L-1，線性范圍1～100 nmol·L-1。近一步優(yōu)化后，檢測癌胚抗原，檢測限達(dá)2.32 ng·mL-1，靈敏度提高了2～3個(gè)數(shù)量級，滿足臨床檢測靈敏、快速、經(jīng)濟(jì)、可視化的要求。

4 結(jié)束語

碳材料和納米金由于各自本身獨(dú)特的物理、化學(xué)性質(zhì)，使它們成為生物傳感領(lǐng)域理想的電極材料?；谑?納米金復(fù)合材料和碳納米管/納米金復(fù)合材料的生物傳感器正在被不斷研究，并用于生物分子的檢測。當(dāng)前存在的問題主要有：真實(shí)環(huán)境或復(fù)雜環(huán)境的檢測特異性不高；可檢測的生物分子種類有限；部分生物分子檢測靈敏度及檢測限不高。相信隨著技術(shù)的日益成熟，以該類材料為基礎(chǔ)構(gòu)筑的生物傳感器將更多地應(yīng)用于實(shí)際生活中。

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Research Progress of Biosensor Based on Carbon Materials/GoldNanoparticles

1,2,2

(1. College of Optoelectronic Manufacturing, Zhejiang Industry & Trade Vocational College, Wenzhou Zhejiang 325003, China;2.Zhejiang Ricosmos Enviroment Resource Co., Ltd., Wenzhou Zhejiang 325036, China）

Carbon materials have unique physical and chemical properties such as force, magnetism and electricity, especially graphene and carbon nanotubes. Nano gold is a kind of nano material with excellent biocompatibility. The biosensor constructed by compounding carbon materials with nano gold has the characteristics of high sensitivity and strong specificity. Therefore, the composite is widely used in various biosensors. In this paper, the applications of graphene/nano gold and carbon nanotube/nano gold in electrochemical biosensors were reviewed.

Carbon materials; Gold nanoparticles; Biosensors

溫州市基礎(chǔ)性科研項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：S20190012）。

2022-04-24

唐星星（1986-），男，湖北省荊州市人，浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，研究方向：納米功能材料。

O657.1

A

1004-0935（2023）02-0251-04