石墨烯基電化學(xué)生物傳感器在醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的研究進(jìn)展

田娟(朔州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 朔州 036000)

0 引言

目前，石墨烯作為已知最薄、最強(qiáng)、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最高的一種新型納米材料，其發(fā)展前景被眾多科學(xué)家所看好。正如2004 年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的費(fèi)蘭克·維爾澤克所說(shuō)：“石墨烯可能是唯一一個(gè)從量子理論到應(yīng)用的實(shí)例”。石墨烯基電化學(xué)生物傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)、發(fā)酵工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、食品分析、軍事等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。本文綜述了近5 年國(guó)內(nèi)外關(guān)于石墨烯電化學(xué)生物傳感器在醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用，并進(jìn)行分析解讀，以期為未來(lái)石墨烯生物傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 石墨烯概述

1.1 石墨烯

石墨烯(Graphene)由于其擁有二維結(jié)構(gòu)且是以sp2雜化的單層碳原子連接形成的晶體，其基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，每個(gè)碳原子除了通過(guò)σ鍵形成三個(gè)穩(wěn)定的C-C 鍵，在垂直平面上，余下的π電子與其余碳原子的π電子，可以形成離域大π鍵，從而提高了電子移動(dòng)的能力，使得石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能[1]。從化學(xué)組成上來(lái)看，石墨烯還可以看成是一些多環(huán)芳香烴除掉氫原子后而成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，此外，石墨烯無(wú)論是處于自由狀態(tài)還是沉積在基底物質(zhì)上，都不是完全平整的，而是表面存在其“本征”褶皺。褶皺大小不同，石墨烯所表現(xiàn)出來(lái)的電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)也不同[2-3]。除了“本征”褶皺，在真實(shí)三維空間中石墨烯還有其他“缺陷”。

1.2 氧化石墨烯

氧化石墨烯(graphene oxide, GO)是以石墨為原料，在強(qiáng)氧化劑條件下制備得到的，是石墨較為重要的一種衍生物，也被稱為功能化的石墨烯。氧化石墨烯與石墨烯的結(jié)構(gòu)較為相似，都是二維層狀結(jié)構(gòu)，其片層與片層之間存在氫鍵等作用力。只是由于氧化劑的作用，使得氧化石墨烯表面含有大量的含氧活性基團(tuán)，表面元素分析(XPS)、高分辨率的固態(tài)(13C-NMR)、紅外光譜(FT-IR)等測(cè)試結(jié)果顯示，這些含氧官能團(tuán)主要是羥基、羧基、環(huán)氧基團(tuán)以及羰基，其中氧化石墨烯的基面上存在羥基和環(huán)氧官能團(tuán)，而氧化石墨烯邊緣上則有很多羧基、羰基[4]，因此GO 表現(xiàn)出較強(qiáng)的親水性并能均勻分散在水中，此外，氧化石墨烯片層均帶負(fù)電荷，容易產(chǎn)生靜電排斥，也是分散性良好的一個(gè)重要因素。其氧化程度決定了這兩部分的相對(duì)數(shù)目，由于一些基團(tuán)(苯環(huán)、雙鍵、環(huán)氧基團(tuán))的存在決定了氧化石墨烯的平面“網(wǎng)狀”結(jié)構(gòu)，由于羥基官能團(tuán)中的碳原子會(huì)發(fā)生角度轉(zhuǎn)換成為四面體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致GO 表面出現(xiàn)了部分褶皺。

1.3 還原氧化石墨烯

在還原的過(guò)程中，氧化石墨烯(GO)的微觀結(jié)構(gòu)和性能都會(huì)發(fā)生變化，這些變化成為如何判定氧化石墨烯還原程度的依據(jù)。還原性的氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)，由于表面電荷載流子濃度和電子移動(dòng)速率都得到了提高，所以增大了對(duì)入射光的反射，因此，rGO 膜往往會(huì)有一定的金屬光澤。在還原氧化石墨烯的過(guò)程中，棕色的GO 溶液轉(zhuǎn)變?yōu)楹稚蛘吆谏膔GO，這往往被看作是還原反應(yīng)的一個(gè)本征變化，尤其是在溶液中進(jìn)行的反應(yīng)，歸因于氧化石墨烯的含氧活性基團(tuán)因還原而被消除[5]，得到的rGO 疏水性提高。由于在還原過(guò)程中形成了CO 和CO2，基平面上出現(xiàn)了“空洞”[6]。氧化石墨烯本身基本屬于絕緣體，也喪失了石墨烯本身具有的良好導(dǎo)電性，所以，還原氧化石墨烯的另一個(gè)重要目的，就是恢復(fù)石墨烯的本征特性，提高其導(dǎo)電率。那么，電導(dǎo)率的提高也成為氧化石墨烯被還原的一個(gè)有力的證據(jù)。

2 石墨烯基電化學(xué)生物傳感器在醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用

石墨烯獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)，以及化學(xué)和電學(xué)特性，使其非常適合用于傳感器技術(shù)。在過(guò)去的幾年里，石墨烯及其聚合物/ 金屬粒子復(fù)合材料被用于固定生物分子，如：抗體、DNA 和酶，以創(chuàng)建高靈敏度和選擇性的生物傳感器?；谑┑幕瘜W(xué)結(jié)構(gòu)，人們將生物分子附著在石墨烯表面，主要方法包括共價(jià)鍵，反應(yīng)偶聯(lián)，以及物理吸附，采用操作簡(jiǎn)單、快速靈敏的電化學(xué)方法，能夠檢測(cè)和識(shí)別各種疾病、病原體和與疾病相關(guān)的生物分子和病毒。

2.1 葡萄糖檢測(cè)

葡萄糖在人體產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)的代謝途徑中發(fā)揮著重要作用。然而，體液中葡萄糖的異常(過(guò)高)會(huì)導(dǎo)致一些嚴(yán)重的并發(fā)癥，如失明、心臟病、高血壓和腎衰竭。因此，檢測(cè)生物體液中葡萄糖的含量，在預(yù)防和控制糖尿病的生物醫(yī)學(xué)研究中具有重要意義。鑒于此，葡萄糖氧化酶已被用于開發(fā)各種分析方法，包括基于量子點(diǎn)的熒光、電化學(xué)、光學(xué)、化學(xué)發(fā)光傳感器和表面等離子體共振[7]，用于生物樣品中的葡萄糖檢測(cè)。其中，電化學(xué)傳感器在各種樣品中葡萄糖檢測(cè)方面具有較高的靈敏度、快速性、成本效益和選擇性等顯著優(yōu)點(diǎn)。

Yuan 等[8]以6-(二茂鐵基)己硫醇(Fc-C6H12-SH)為電子轉(zhuǎn)移介質(zhì)，在化學(xué)氣相沉積(CVD) 產(chǎn)生的單層石墨烯上濺射金納米顆粒得到金納米粒子修飾的單層石墨烯(Au/SLG)，將葡萄糖氧化酶(GOD)固定在(Au/SLG)修飾的玻璃碳電極上，制備了葡萄糖生物傳感器(GOD/Fc/Au/SLG/GCE)。該工藝避免了石墨烯復(fù)雜的聚合物轉(zhuǎn)移過(guò)程，為AuNP 提供了良好的分散性和清潔的表面，促進(jìn)了GOD 的固定，由于CVD生成的石墨烯表面干凈，背景電流較低，使得GOD/Fc/Au/SLG/GCE 適用于低濃度葡萄糖的超靈敏檢測(cè)。該傳感器與電子介質(zhì)協(xié)同作用，促進(jìn)了電子傳遞過(guò)程，提高了電化學(xué)性能，檢測(cè)限為0.1 nM(S/N=3)，選擇性好。

Miao 等[9]采用循環(huán)伏安法(CV)在鎳(Ni)表面，同時(shí)沉積了石墨烯-金納米雜化材料制備RGO/Au/Ni 電極，然后將葡萄糖氧化酶(GOD) 通過(guò)共價(jià)鍵固定在RGO/Au/Ni 電極上，得到酶生物傳感器。結(jié)果表明，AuNP 在“皺褶”的還原氧化石墨烯薄片上分布良好，該生物傳感器對(duì)葡萄糖的靈敏度高達(dá)32.83 μA·mM。

2.2 過(guò)氧化氫檢測(cè)

過(guò)氧化氫(H2O2)是一種非常簡(jiǎn)單的化合物，但是是許多生物化學(xué)反應(yīng)的重要物質(zhì)，也是食品工業(yè)、臨床檢驗(yàn)、制藥和環(huán)境分析中必不可少的介質(zhì)。盡管在分析技術(shù)方面取得了許多進(jìn)展，如光譜法、色譜儀、化學(xué)發(fā)光等，但是電化學(xué)方法具有靈敏度高、響應(yīng)快、檢出限低等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種比較理想的分析方法。

Zhao 等[10]在四氧化三鐵和還原氧化石墨烯(Fe3O4/rGO)納米復(fù)合材料改性的玻碳電極(GCE)上電沉積Pt 花，獲得了一種較靈敏的安培型H2O2生物傳感器。由于在Pt/Fe3O4/rGO 電極界面上有快速電子轉(zhuǎn)移，該生物傳感器對(duì)H2O2具有快速、線性的安培響應(yīng)。此外，由于電極界面具有良好的生物相容性，所制備的生物傳感器還具有較好的抗干擾能力和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，該傳感器將成為復(fù)雜環(huán)境中H2O2檢測(cè)和傳感的可靠、有效的工具。M. Baghayeri 等[11]同樣采用四氧化三鐵和氨基端聚(氨基胺)樹狀大分子功能化的磁性氧化石墨烯(GO-Fe3O4-PAMAM)，被鈀納米顆粒修飾(GO-Fe3O4-PAMAM-Pd)，用于過(guò)氧化氫(H2O2)的非酶電化學(xué)測(cè)定。研究發(fā)現(xiàn)，GO-Fe3O4-PAMAM 上均勻分散的鈀納米顆粒對(duì)電化學(xué)傳感器的電催化性能起著重要作用。在最佳條件下，該傳感器對(duì)H2O2還原表現(xiàn)出良好的電化學(xué)性能，良好的抗干擾性能和高靈敏度。

Huang 等[12]利用還原氧化石墨烯- 柿子單寧-鉑納米復(fù)合材料(RGO-PT-Pt) 開發(fā)了一種新型的無(wú)酶過(guò)氧化氫(H2O2)傳感器。以抗壞血酸為還原劑，采用還原法制備了RGO-PT-Pt 納米復(fù)合材料，利用Pt納米粒子電催化效率高、還原氧化石墨烯電導(dǎo)率高、比表面積大等特征，Pt 對(duì)金屬離子的顯著吸附能力及防止團(tuán)聚作用更好的促進(jìn)還原氧化石墨烯分散，RGO-PT-Pt 納米復(fù)合材料通過(guò)協(xié)同作用對(duì)H2O2的還原表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性。此外，該傳感器在人血清樣品中H2O2的定量測(cè)定表現(xiàn)出響應(yīng)時(shí)間快、檢測(cè)限低、穩(wěn)定性高、選擇性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在臨床診斷中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

2.3 多巴胺檢測(cè)

多巴胺(dopamine, DA)屬于苯乙胺和兒茶酚胺家族，是一種被廣泛研究的單胺能神經(jīng)受體，在細(xì)胞間的突觸通訊中起化學(xué)信使的作用，在心血管調(diào)節(jié)、腎臟系統(tǒng)應(yīng)激反應(yīng)的控制和生物體內(nèi)腦回路的各個(gè)方面發(fā)揮著重要作用。建立一種極其精確和超靈敏的DA 精確監(jiān)測(cè)方法，對(duì)臨床診斷、病理分析和了解神經(jīng)功能[13]非常重要。

Aziz 等[14]采用帶正電的NiAl 層狀雙氫氧化物(LDHs)納米片與帶負(fù)電的單層石墨烯(G)周期性疊加，通過(guò)控制系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)，合成的NiAl-LDH/G LBL納米復(fù)合材料已實(shí)際應(yīng)用于活細(xì)胞釋放多巴胺的敏感檢測(cè)，作為早期帕金森病(PD) 的診斷工具。由于導(dǎo)電性能極好的石墨烯與半導(dǎo)體LDHs 層直接相鄰，LDHs 的插入能力增強(qiáng)，以及具有眾多活性位點(diǎn)的巨大表面積，在異質(zhì)組裝NiAl LDH/G LBL 材料中獲得了良好的協(xié)同效應(yīng)，顯示了對(duì)DA 較強(qiáng)的電催化能力，特別是用Nafion 修飾電極后，有效地消除了UA 和AA 對(duì)電極的干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

石墨烯及其衍生物因其巨大的有效表面積、高的電子轉(zhuǎn)移率、良好的導(dǎo)電性和固定化酶的能力，在生物傳感器方面表現(xiàn)出了豐富的潛力。本文報(bào)道了基于石墨烯復(fù)合材料的電化學(xué)生物傳感器，分析了每種傳感器的性能結(jié)果，并說(shuō)明了它們?cè)谏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域的作用。例如，抗體可用于病毒的特定檢測(cè)或監(jiān)測(cè)某些疾病。另一方面，酶生物電極在少量樣品檢測(cè)葡萄糖方面表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。用于疾病診斷的生物傳感器的小型化和商業(yè)化是傳感器技術(shù)的迫切需要，因?yàn)檫@需要開發(fā)可靠、可復(fù)制和具有高準(zhǔn)確性、靈敏度和特異性的傳感器。然而，為了達(dá)到安全性和可靠性并生產(chǎn)出能夠用于醫(yī)療領(lǐng)域的生物傳感器，仍需進(jìn)行大量工作，以確保、保證和證實(shí)石墨烯基納米材料的生物相容性和無(wú)毒性，使其長(zhǎng)期使用不會(huì)造成任何健康風(fēng)險(xiǎn)。