陳志華，葛玉卿，金慶輝，柳建設(shè)，趙建龍

(1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海201620）（2.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室，上海200050）

0 引言

石墨烯作為一種新型碳材料，具有獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。它具有非常高的機械強度[1]、大的比表面積以及極強的電子傳導(dǎo)能力，且成本低廉，可加工性好[2～3]；對于待測物質(zhì)具有一定的電催化作用，可以實現(xiàn)良好的重現(xiàn)性和可再生性[4]。近年來，石墨烯在理論與實驗方面都得到了很大的關(guān)注和發(fā)展[5～6]，已經(jīng)在電子、儲能和轉(zhuǎn)換以及生物科學(xué)和生物技術(shù)方面得到有效的開發(fā)和應(yīng)用[7～8]。

石墨烯是一種單層化的二維碳材料，具有很高的純度（不含過渡金屬、Fe、Ni等），這為研究碳材料的電催化性質(zhì)提供了有效的平臺[8～9]；經(jīng)過功能化的石墨烯具有兩親性，既可溶于水又可溶于有機溶劑,擁有比碳納米管更好的性質(zhì)和優(yōu)勢[10]，能夠有效實現(xiàn)電子的高效率傳導(dǎo)。

該文分析了石墨烯和功能化石墨烯的性質(zhì)優(yōu)勢；總結(jié)了石墨烯作為新型傳感材料的應(yīng)用優(yōu)勢；著重介紹近幾年基于石墨烯修飾電極的電化學(xué)和生物傳感器的應(yīng)用和發(fā)展，如各種酶傳感器用于測量葡萄糖、乙醇等的含量等；展望了石墨烯修飾電極在生物檢測與環(huán)境監(jiān)測等方面的電化學(xué)應(yīng)用前景。

1 石墨烯簡介

1.1 石墨烯的基本性質(zhì)

石墨烯（圖1）[8]是在2004年由英國曼徹斯特大學(xué)Geim課題組發(fā)現(xiàn)的[3]，作為單原子層的二維石墨晶體模型，它具有一些特殊優(yōu)異的性質(zhì)，如大的比表面積[11]、高機械強度以及超強的電子傳導(dǎo)能力[12]。

圖1 （a）石墨烯的原始結(jié)構(gòu)；（b）石墨烯的透射電子顯微鏡圖像；（c）掃描式電子顯微鏡圖像Fig.1 (a)Structural model of pristine graphene；(b)TEM image of graphene；(c)SEM image of graphene

石墨烯由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子組成[7],是世界上最薄的二維材料,其厚度僅為0.335 nm[2]。結(jié)構(gòu)完整的石墨烯是由不含任何不穩(wěn)定鍵的苯六元環(huán)組合而成的二維晶體,化學(xué)穩(wěn)定性高,表面呈惰性狀態(tài),與其它介質(zhì)(如溶劑等)的相互作用較弱,并且由于石墨烯片與片之間有較強的范德華力的作用,使其容易產(chǎn)生聚集,難溶于水及常用的有機溶劑,對于進一步研究和應(yīng)用有一定的限制[7]。因此，對石墨烯進行一定程度的功能化并將其溶解于特定的溶液中，可以實現(xiàn)石墨烯的功能化利用和性質(zhì)的發(fā)揮。

在0.1 mol/L的pH=7的PBS緩沖液中測試石墨烯修飾電極的電化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它有比單純的石墨電極、玻璃碳電極以及金剛石電極都要優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)，主要表現(xiàn)在：通過交流阻抗譜測得的電阻明顯低于其它碳材料；通過循環(huán)伏安法測得的曲線出現(xiàn)了明顯的氧化還原峰，并且氧化還原峰電流與掃描頻率的平方根有明顯的線性關(guān)系，這表明通過石墨烯修飾電極上的氧化還原過程可以實現(xiàn)特定物質(zhì)的檢測[13]。

1.2 石墨烯的制備和功能化

石墨烯的制備主要以氧化石墨（GO）作為前驅(qū)體，通過氧化石墨的還原和石墨烯的功能化得到性能優(yōu)異的石墨烯，主要制備方法包括機械剝離、晶體外延生長、化學(xué)氧化、化學(xué)氣相沉積和有機合成等，其中低溫?zé)釀冸xGO所制備的功能型單層石墨烯具有更優(yōu)異的超電容性能[14]。目前，由于氧化插層剝落，再還原法制備石墨烯具有成本低、產(chǎn)量高等特點，成為批量合成石墨烯的主要途徑之一[15]。

由于功能化石墨烯具有一系列晶格缺陷和官能團，可以為各種反應(yīng)的發(fā)生提供有效的接觸面和媒介，因此石墨烯的功能化也是石墨烯應(yīng)用的重要內(nèi)容。功能化是實現(xiàn)石墨烯分散、溶解和成型加工的最重要手段，目前主要有共價鍵功能化和非共價鍵功能化[7]兩種方法。石墨烯的主體邊沿及缺陷部位具有較高的反應(yīng)活性,通過化學(xué)氧化的方法制備的石墨烯氧化物中含有大量的羧基、羥基和環(huán)氧鍵等活性基團,可以利用有機小分子與其中的羧基和羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[7]、利用與有機物化學(xué)共聚作用以及與有機高分子的雜化結(jié)合對石墨烯進行共價鍵功能化；除了共價鍵功能化外,還可以通過分子間相互作用、離子鍵以及氫鍵等非共價鍵作用,使修飾分子對石墨烯進行表面功能化,形成穩(wěn)定的分散體系。

2 石墨烯的電化學(xué)應(yīng)用

石墨烯作為一種高導(dǎo)電性能的優(yōu)質(zhì)材料，在電化學(xué)檢測以及電化學(xué)傳感器的發(fā)展中正在得到有效地利用。石墨烯的高導(dǎo)電性和高電子傳導(dǎo)速率可以實現(xiàn)酶的活性中心的直接電子傳遞，為葡萄糖以及其它細胞物質(zhì)的檢測提供了可行的途徑；石墨烯大的比表面積和高的電子傳遞效率還可以為過氧化氫以及NADH等小分子物質(zhì)提供電子傳遞的可能[8]，實現(xiàn)過氧化氫和NADH的有效檢測[16]。

2.1 酶的直接電化學(xué)行為

酶在電極上的直接電化學(xué)行為涉及到酶的活性中心與外端電極上的電子傳遞，由于酶的活性中心一般被疏水性的生物分子所包裹，因此在沒有其它介質(zhì)和試劑的參與下，很難將酶的活性中心與外界電極連接起來，也就無法實現(xiàn)酶與電極之間的電子流通，借助于石墨烯特殊的電子傳輸性質(zhì)和大的比表面積，能夠有效實現(xiàn)酶活性中心與電極之間的電子傳遞。

通過對分別修飾了葡萄糖氧化酶和修飾了石墨烯和葡萄糖氧化酶的玻碳電極的阻抗譜分析得出，修飾了石墨烯的電極電阻明顯減低，而沒有修飾石墨烯的玻碳電極電阻很大，在10 mHz到10 kHz的頻率范圍內(nèi)阻抗已經(jīng)明顯超過108，對于測量結(jié)果有很大影響。可見，通過石墨烯的高效傳導(dǎo)能力實現(xiàn)了酶的活性中心與電極的電子交流，可以有效實現(xiàn)酶電極的物質(zhì)檢測。

2.2 石墨烯修飾電極用于小分子物質(zhì)的檢測

2.2.1 撲熱息痛的電化學(xué)檢測

撲熱息痛的還原可以表達為兩個電子和一個質(zhì)子的轉(zhuǎn)移過程（圖2）。由于石墨烯具有很好的電子傳遞能力，因此可以使撲熱息痛在電極表面發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，通過電流的強弱就可以判定撲熱息痛的含量，檢測限一般為3.2×10-8mol/L【17】。

圖2 撲熱息痛的還原過程Fig.2 Reduction process of paracetamol

測量過程采用三電極系統(tǒng)：活化玻碳電極作工作電極，鉑絲作對電極，Ag/AgCl/3.0 mol/L KCl做參比電極。實驗選用的緩沖液是NH3·H2ONH4Cl(0.1 mol/L,pH9.3)，玻碳電極上附著的石墨烯量一般為5 μL，沉積累計時間為240 s，在此條件下可以得到很好的測試曲線。電流強度（Ipa，A）與撲熱息痛濃度（c，μmol/L）的線性回歸方程（在0.1～20 μmol/L的濃度范圍內(nèi)）[17]：Ipa=3.798+4.055c，相關(guān)系數(shù)為0.998 4。

2.2.2 葡萄糖的電化學(xué)檢測

聚乙烯吡咯烷酮能夠增加石墨烯在溶液中的分散性，將聚乙烯吡咯烷酮（PVP）和石墨烯（graphene）混合溶解于水中，然后將此溶液附著于玻碳電極上再修飾葡萄糖氧化酶（GOD），制成PVP-graphene-GOD電極，可以實現(xiàn)石墨烯在玻碳電極上的單層化，提高電子傳導(dǎo)能力和待測物質(zhì)氧化還原的靈敏性和快速性。待測溶液是溶解有葡萄糖和過氧化氫的磷酸鹽（PBS）緩沖液，電極上附著有葡萄糖氧化酶，隨著葡萄糖的氧化，過氧化氫被還原，產(chǎn)生的電流表征了葡萄糖的含量。

利用PBS溶液作為基底液，通過循環(huán)伏安法測量電流響應(yīng)，此電極表現(xiàn)出很好的測量效果，出現(xiàn)兩個明顯的氧化還原峰；而在單純的玻碳電極上表現(xiàn)不出過氧化氫酶的直接電化學(xué)行為。這是由于葡萄糖氧化酶的活性中心深深地鑲嵌在蛋白質(zhì)內(nèi)，限制了它的直接電化學(xué)交流，而石墨烯有非凡的電子傳送能力和大的比表面積，所以推測石墨烯能夠促進電極薄膜的電子傳輸并促進GOD和電極間的直接電子傳遞。

利用此電極對于葡萄糖的檢測同樣表現(xiàn)出了良好的再現(xiàn)性、穩(wěn)定性以及可重復(fù)利用性，對于石墨烯電極應(yīng)用于葡萄糖的電化學(xué)檢測過程具有很好的指導(dǎo)意義。

2.2.3 過氧化氫和NADH的電化學(xué)檢測

通過在玻碳電極的基層或邊緣附著石墨烯，使其提供大的反應(yīng)面積和強的電子傳遞能力，并發(fā)揮電催化作用，使過氧化氫和NADH的電化學(xué)檢測過程變得簡單、合理。存在于石墨烯電極附近的過氧化氫及NADH分子，在電解質(zhì)溶液和電極所組成的回路通電的情況下，可以得到電子被還原，進而產(chǎn)生對應(yīng)的電流響應(yīng)，通過循環(huán)伏安法所測得的電流曲線就可以確定待測物質(zhì)的含量。這種方法主要是通過降低過氧化氫等的電氧化電勢（即活化能）使能夠利用比較低的電勢來進行還原反應(yīng)，石墨烯修飾后的電極可以減緩電極表面的鈍化。但在此反應(yīng)過程中需要進一步的研究過氧化氫和NADH在石墨烯修飾電極表面的電催化原理[16]。

2.3 電化學(xué)DNA生物傳感器

在疾病檢測方面DNA電化學(xué)傳感器對于特定DNA片段或者突變基因的檢測具有高靈敏、高選擇性和低成本的特點，可以實現(xiàn)疾病診斷的簡單化、精確性和小型化。在眾多類型的DNA電化學(xué)傳感器中，基于DNA的直接氧化是最為簡便的方法。

石墨烯修飾的玻碳電極通過循環(huán)伏安法可以分別將DNA片段（單鏈DNA或者雙鏈DNA）中的四種堿基的電流響應(yīng)表征出來，通過電流的強弱就能判斷出此DNA片段中四種堿基的含量[13]，以往的玻碳電極和石墨電極都不能有效地將四種堿基的電化學(xué)行為分別表征出來，而此傳感器的這種性能主要取決于石墨烯的防污性能和CR-GO/GC電極上反應(yīng)動力學(xué)的高電子轉(zhuǎn)移，這借助于其表面形成的高密度缺陷邊緣平面和CR-GO上提供的含有許多活性中心的氧基官能團并有利于加快溶液中電極與元素之間的電子轉(zhuǎn)移[18～19]。

2.4 重金屬離子的電化學(xué)檢測

通過石墨烯和Nafion的復(fù)合修飾可以實現(xiàn)對于重金屬離子如Pb2+和Cd2+的電化學(xué)檢測[20～21]，這樣不僅可以增加測試靈敏性而且借助于石墨烯和Nafion的協(xié)同作用可以減輕其它物質(zhì)的干擾。在這種石墨烯修飾電極的作用下，Pb2+和Cd2+的線性檢測范圍很廣，分別為0.5 μg/L～50 μg/L，1.5 μg/L～30 μg/L,檢測限為0.02 μg/L,比Nafion膜修飾的鉍電極和碳納米管的靈敏度都要高。這種效果主要得益于石墨烯的特殊性質(zhì)，如納米級的厚度和高電導(dǎo)性，以利于更好的吸納目標(biāo)離子來增加表面離子濃度，使靈敏度增加并有效避免了表面活性劑的污染。

3 總結(jié)與展望

石墨烯借助于它的大的比表面積和優(yōu)良的電子傳遞能力，已經(jīng)應(yīng)用于生物大分子以及無機小分子的檢測過程中，并取得了良好的效果，而石墨烯用于微生物的電化學(xué)檢測還沒有深層次的研究，通過石墨烯電極對于撲熱息痛以及葡萄糖等的檢測過程，可以發(fā)現(xiàn)，石墨烯應(yīng)用于微生物檢測有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

通過初步的研究發(fā)現(xiàn)，通過石墨烯修飾的玻碳電極而進行的酶聯(lián)免疫分析法可以實現(xiàn)致病微生物的電化學(xué)檢測，通過廣泛存在于微生物體內(nèi)的葡萄糖和過氧化氫酶可以發(fā)展通過檢測葡萄糖含量和過氧化氫含量實現(xiàn)對于微生物的定量檢測。

石墨烯作為一種新發(fā)現(xiàn)的優(yōu)質(zhì)電極材料，以它作為電極的電化學(xué)和生物傳感器具有良好的重復(fù)性和再現(xiàn)性，在傳感器方面的發(fā)展具有良好的前景,不僅對于生物小分子和細菌檢測具有很好的效果，另外，在環(huán)境監(jiān)測和分析、食品安全檢測等常規(guī)檢測中也有一定的指導(dǎo)意義。對于水中的各種污染物質(zhì)，如微量金屬離子，難降解有機物以及COD同樣可以實現(xiàn)定量檢測；對于檢測食品以及飲料中的糖類和微生物量的標(biāo)準(zhǔn)值也是一種快速有效的方法。

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