徐潮飛

(南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院 天津 300071)

1 前言

生物傳感器(biosensor)是利用生物特異性識(shí)別過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的傳感器件，通常以生物活性單元(如酶、抗原、抗體、核酸、細(xì)胞器、細(xì)胞膜、細(xì)胞、組織等)作為敏感基元，與被分析物產(chǎn)生高度選擇性生物親和或生物催化反應(yīng)產(chǎn)生的各種物理、化學(xué)變化被轉(zhuǎn)換元件捕獲，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將生物學(xué)信息轉(zhuǎn)換為可識(shí)別和測(cè)量的電信號(hào)［1］。根據(jù)不同的基礎(chǔ)傳感器件，生物傳感器可分為6大類型［2］:電化學(xué)生物傳感器、介體生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器、半導(dǎo)體生物傳感器和光生物傳感器。其中，電化學(xué)生物傳感器占有重要的位置。

20世紀(jì)90年代前，石墨是傳感器領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的電極材料，但是在石墨電極上難以直接固定生物分子，而且石墨電極的電子傳遞效率不高。自從1991年日本的Iijima教授在高分辨率透射電鏡下發(fā)現(xiàn)碳納米管(CNT)以來(lái)［3］，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的物理、化學(xué)特性以及潛在的應(yīng)用前景而倍受人們關(guān)注。近年來(lái)，隨著研究的深入，CNT越來(lái)越多地被應(yīng)用于傳感器領(lǐng)域，其作為一種新型的電極材料，取得了理想的效果。

2 CNT的結(jié)構(gòu)和特性

CNT又名巴基管，是由單層或多層石墨繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無(wú)縫納米級(jí)管，其中碳以sp2軌道雜化方式成鍵。根據(jù)石墨管壁的層數(shù)，CNT可分為2類:單壁碳納米管(SWNT)和多壁碳納米管(MWNT)。SWNT是由單層碳原子繞合而成，具有較好的對(duì)稱性和單一性［4］;而MWNT由多層碳原子繞合而成，在開(kāi)始形成時(shí)，層與層之間很容易成為陷阱中心而形成缺陷［5］。但無(wú)論是SWNT還是MWNT，徑向尺寸均為納米量級(jí)，而軸向尺寸為微米量級(jí)，即具有很大的長(zhǎng)徑比［6－8］，可以認(rèn)為是具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。CNT的尺寸處在原子、分子為代表的微觀物體和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，使它既非典型的微觀系統(tǒng)也非典型的宏觀系統(tǒng)，因而具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等4大效應(yīng)。

作為一維納米材料，CNT重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)、優(yōu)異的電學(xué)性能和穩(wěn)定的化學(xué)物理特性，將其用于修飾電極，可以降低化學(xué)物質(zhì)氧化還原反應(yīng)的過(guò)電位，改善生物分子氧化還原可逆性。CNT具有特殊的管狀結(jié)構(gòu)，體積極小，作為高效傳質(zhì)單元能夠容易地穿過(guò)細(xì)胞壁，因此將其應(yīng)用于生物傳感器具有極大優(yōu)勢(shì)。CNT比表面積大，既有利于酶的固定化，促進(jìn)酶活性中心與電極表面的電子傳遞，還易于吸附有機(jī)分子，用它去修飾電極，可以提高對(duì)H+等的選擇性，制成電化學(xué)傳感器。利用CNT的導(dǎo)電性及其對(duì)氣體吸附的選擇性，可制成氣體傳感器。不同溫度下吸附微量氧氣能改變CNT的導(dǎo)電性，可在金屬和半導(dǎo)體之間轉(zhuǎn)換。在CNT內(nèi)局部填充堿金屬可以形成p－n結(jié)。在CNT內(nèi)填充光敏、濕敏、壓敏等材料，可以制成納米級(jí)的各種功能傳感器。

3 CNT在生物傳感器方面的應(yīng)用

CNT在制備和純化過(guò)程中表面產(chǎn)生的缺陷和基團(tuán)，通過(guò)共價(jià)或非共價(jià)的方法使CNT的某些性質(zhì)發(fā)生改變，尤其突出的是分散性，使其更適于研究和應(yīng)用。對(duì)CNT功能化修飾的研究可以使人們能夠按照特定的目的來(lái)改造CNT的固有特性，從而將大大擴(kuò)展CNT的應(yīng)用前景。

CNT作為電極材料具備幾大優(yōu)點(diǎn):①低電阻，即導(dǎo)電性好;②優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性;③低質(zhì)量密度;④原子結(jié)構(gòu)和大的長(zhǎng)徑比決定了大的比表面積;⑤特殊的電極/電解質(zhì)界面對(duì)溶液有良好的浸潤(rùn)性，電極反應(yīng)的靈敏度和再現(xiàn)性好。這些優(yōu)點(diǎn)使得CNT在電分析化學(xué)領(lǐng)域有較大的研究潛力和發(fā)展空間。而CNT的彎曲結(jié)構(gòu)使得電子在其中的傳播速度比石墨更快，具有高速電子傳遞效率。CNT可作為優(yōu)良的催化劑載體，用于電化學(xué)傳感器，可以促進(jìn)生物分子與電極的電子傳遞作用［9－11］，增大電化學(xué)信號(hào)，提高傳感器的靈敏度。因此，可將CNT用于改善生物分子的氧化還原可逆性，或應(yīng)用于酶?jìng)鞲衅?、氣體傳感器、DNA傳感器等生物傳感器。

3.1 利用CNT改善生物分子的氧化還原可逆性

將MWNT懸濁液滴加于處理后的玻碳電極表面，待溶劑揮發(fā)后形成MWNT修飾電極。在pH=6.3的磷酸緩沖液中對(duì)該電極進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，通過(guò)分析掃描結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，電極反應(yīng)來(lái)自于CNT表面羧基的氧化還原，并且是一個(gè)4電子、4質(zhì)子的電極反應(yīng)過(guò)程。其電極反應(yīng)式表示如下:

還原過(guò)程:MWNT－COOH+4e+4H+→ WMNT－CH2－OH+H2O

氧化過(guò)程:WMNT－CH2－OH+H2O–4e→MWNT－COOH+4H+

將CNT修飾電極和玻碳電極分別在0.1mol的亞鐵氰化鉀溶液中作循環(huán)伏安掃描。亞鐵氰化鉀/鐵氰化鉀電對(duì)是接近理想狀態(tài)的準(zhǔn)可逆電對(duì)，對(duì)于一個(gè)具有理想表面狀態(tài)的電極來(lái)說(shuō)，它的峰電位差(ΔE)接近59mV(25℃)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)處理后的玻碳電極的ΔE為87 mV，而CNT修飾電極的ΔE僅為64mV，表明CNT修飾電極的表面結(jié)構(gòu)更接近于理想狀態(tài)［12］。

Britto等人［13］報(bào)道了利用溴仿作固定劑的CNT修飾電極，將多巴胺電化學(xué)反應(yīng)的峰電位差由67mV改善到了30mV。陳朝平等人［14］利用MWNT修飾電極將對(duì)苯二酚的峰電位差從285mV降低到了38mV，同時(shí)峰電流顯著增大。王建秀等［15］將SWNT修飾在玻碳電極和金電極上，SWNT修飾的玻碳電極對(duì)去甲腎上腺素的電化學(xué)氧化具有明顯的電催化作用。Wang等人［16］報(bào)道了 Nafino溶解SWNT和MWNT制備修飾電極對(duì)過(guò)氧化氫和兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)具有優(yōu)良的電催化性能。這些都體現(xiàn)了CNT對(duì)生物分子的電催化作用，顯示了其作為生物傳感器的應(yīng)用潛能。

3.2 CNT在酶生物傳感器中的應(yīng)用

酶生物傳感器的作用機(jī)理是在化學(xué)電極的表面組裝固定化酶膜，當(dāng)酶膜上發(fā)生酶促反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生電極活性物質(zhì)，電極對(duì)之響應(yīng)。由于響應(yīng)信號(hào)與底物的濃度之間存在一定的線性關(guān)系，因而可以測(cè)得被檢測(cè)物的濃度。以葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase，GOD)傳感器為例，其電催化工作原理為:

酶層:glucose+GOD2FAD→gluconolactone+GOD2FADH2

GOD2FADH2+O2→GOD2FAD+H2O2

電極:H2O2→2H++O2+2e

氧在電極上的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生響應(yīng)電流，電流大小與氧在溶液中的濃度以及傳質(zhì)速度有關(guān)。若要消除氧濃度變化而引起的檢測(cè)誤差，可以檢測(cè)酶反應(yīng)所產(chǎn)生的過(guò)氧化氫［17］。

研究發(fā)現(xiàn)，CNT修飾電極對(duì)過(guò)氧化氫的還原表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化效果［18，19］，這就有可能將CNT修飾電極用于開(kāi)發(fā)酶生物傳感器。CNT作為酶的固定材料，同時(shí)也作為基礎(chǔ)電極的修飾材料制成傳感器即成為新型的CNT修飾酶?jìng)鞲衅鳎?0］。該類傳感器的優(yōu)點(diǎn)主要有以下3點(diǎn)［20］:(1)CNT良好的電學(xué)性質(zhì)使得它作為一種修飾材料，在電化學(xué)反應(yīng)中能夠有效地促進(jìn)電子傳輸，提高酶?jìng)鞲衅鞯臋z測(cè)速度，降低過(guò)電位，提高檢測(cè)的靈敏度;(2)CNT大的比表面積能夠提高酶的負(fù)載量，從而改善傳感器的靈敏度;(3)CNT良好的生物相容性，有利于保持酶的活性，因而有利于提高酶?jìng)鞲衅鞯姆€(wěn)定性和使用壽命。

Azamian等［21］采用吸附的方法將SWNT固定在玻碳電極上，制成GOD－SWNT修飾的玻碳電極。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的底物濃度下，用 GODSWNT修飾的玻碳電極的伏安電流是裸玻碳電極的10倍，證實(shí)SWNT能極大地促進(jìn)電子傳輸，顯示出CNT在酶負(fù)載量和能量轉(zhuǎn)換上都具有較好的效果。Lim等［22］將GOD和納米粒子同時(shí)沉積在Nafion增溶的CNT膜中，通過(guò)檢測(cè)葡萄糖在酶作用下生成的過(guò)氧化氫，制備出快速響應(yīng)的GOD生物傳感器，使用的電極為玻碳電極，附加的Nafion膜可以防止抗壞血酸和尿酸對(duì)葡萄糖檢測(cè)的干擾。該傳感器的線性范圍可達(dá)12mmol/L，檢測(cè)下限為0.15mmol/L。Li等［23］也利用GOD共價(jià)修飾MWNT制作出葡萄糖生物傳感器。經(jīng)過(guò)混酸處理的MWNT在SOCl2和乙二胺的作用下形成氨基終端的MWNT，然后與高碘酸鹽氧化的GOD產(chǎn)物上的羥基反應(yīng)，如圖1所示。將GOD共價(jià)結(jié)合在MWNT上，保持了GOD很強(qiáng)的生物活性。

與其他分析方法相比，CNT修飾酶?jìng)鞲衅骶哂斜銛y、成本低、靈敏度高、穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)。并且酶催化與一般的化學(xué)催化相比，具有應(yīng)用范圍廣、催化效率高、選擇性專一、反應(yīng)條件溫和等優(yōu)點(diǎn)。酶是高活性、高選擇性、低能耗的生物催化劑，再加上CNT本身的催化和增敏效應(yīng)，使得基于CNT修飾酶?jìng)鞲衅骶哂袕V闊的應(yīng)用前景。

圖1 通過(guò)共價(jià)鍵形成的GOD－MWNT傳感器

3.3 CNT在生物氣體傳感器中的應(yīng)用

CNT具有特殊的一維中空結(jié)構(gòu)，大的比表面積以及較石墨(0.335nm)略大的層間距(0.343nm)，能夠吸附許多物質(zhì)，填充其中。由于吸附的氣體分子與CNT發(fā)生相互作用，改變其費(fèi)米能級(jí)，引發(fā)其宏觀電阻發(fā)生較大改變。因此CNT可應(yīng)用于氣敏傳感器，通過(guò)測(cè)量其表觀電阻的變化來(lái)檢測(cè)氣體成分。

Collins等［24］研究了SWNT表面對(duì)分子氧的吸附。真空環(huán)境下分子氧的吸附可以增加CNT的電導(dǎo)。同樣的環(huán)境下高溫加熱CNT可以徹底解吸附。Kong等［25］發(fā)現(xiàn)，用SWNT制成的微小化學(xué)探針，室溫下對(duì)低濃度的NO2和NH3分子能產(chǎn)生快速的吸附，靈敏度很高。

CNT氣體傳感器和普通氣體傳感器相比具有尺寸小、反應(yīng)快、靈敏度高、表面積大、能在室溫或更高溫度下操作等諸多優(yōu)點(diǎn)，并可將SWNT置于新環(huán)境或者通過(guò)加熱后重新使用。CNT可制得最小的生物醫(yī)學(xué)分子級(jí)氣敏元件，其響應(yīng)時(shí)間比目前使用的同類金屬氧化物或聚合物傳感器至少快一個(gè)數(shù)量級(jí)。CNT氣體傳感器用于病人呼吸監(jiān)控、檢測(cè)等方面，將取得一般傳感器難以達(dá)到的效果。

3.4 CNT在DNA生物傳感器中的應(yīng)用

CNT也被廣泛應(yīng)用在DNA生物傳感器研究中。Cai等［26］報(bào)道了應(yīng)用CNT制作DNA電化學(xué)生物傳感器檢測(cè)特殊DNA序列。Cheng［27］構(gòu)建CNT摻雜殼聚糖DNA傳感器檢測(cè)大馬哈魚(yú)精DNA，亞甲基藍(lán)作為DNA指示劑。實(shí)驗(yàn)證明，CNT將電極有效面積提高3倍，且有效提高亞甲基藍(lán)與電極之間電子傳遞速度。該傳感器檢測(cè)限達(dá)到0.252nmol/L，當(dāng)干擾劑人血清白蛋白濃度達(dá)到5μg/mL時(shí)，選擇性仍很高。Kerman等［28］將 MWNT制作的納米線與DNA作用后直接吸附到碳糊電極(CPE)上，循環(huán)伏安測(cè)量的結(jié)果表明:用結(jié)合有DNA分子的MWNT修飾的CPE電極的伏安信號(hào)比僅僅用MWNT修飾的CPE電極或裸CPE電極的伏安信號(hào)強(qiáng)得多。DNA鏈與cDNA鏈的雜交或與有錯(cuò)配DNA的雜交前后的信號(hào)都能被檢測(cè)到，說(shuō)明DNA修飾MWNT電極具有極強(qiáng)的分子識(shí)別功能、選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，用于電化學(xué)檢測(cè)是極好的電極材料。Zhang等［29］用CNT修飾玻碳電極作為檢測(cè)DNA和DNA堿基的傳感器。該傳感器具有良好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和高的靈敏度，在檢測(cè)DNA序列和DNA堿基方面具有較大的應(yīng)用前景。

目前，基于CNT的DNA生物傳感器的研究主要集中在將DNA探針固定在CNT上制備雜交傳感器，以及研究DNA上電活性部分在CNT或CNT修飾電極上的直接電化學(xué)行為。隨著CNT制備工藝的改進(jìn)和前處理技術(shù)的進(jìn)一步提高，基于CNT的DNA生物傳感器的性能將得到更大提高。

4 展望

縱觀當(dāng)前的研究，CNT生物傳感器電極的研究基本都是采用無(wú)序的CNT固定或鑲嵌在基礎(chǔ)電極表面上的方法，其CNT隨意彎曲、互相纏繞，對(duì)其性質(zhì)研究和實(shí)際應(yīng)用都造成了很大的影響。而定向排列的CNT陣列電極，其取向高度一致、管徑均勻、CNT陣列不含雜質(zhì)，有利于電活性物質(zhì)在其表面的快速反應(yīng)，使傳感器的性能得到很大的提高。因此，制作高靈敏性CNT陣列傳感器是一個(gè)重點(diǎn)的研究方向。

國(guó)內(nèi)外對(duì)CNT在生物傳感器中的應(yīng)用研究主要集中于CNT修飾生物傳感器對(duì)基底物質(zhì)檢測(cè)性能和電化學(xué)性能的變化。盡管目前CNT生物傳感器的研究工作已取得較大進(jìn)展，但仍然存在實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性較差、生物分子易失活、固定效率低、制備工藝較繁瑣、難以規(guī)?；a(chǎn)等問(wèn)題，且多數(shù)傳感器檢測(cè)對(duì)象只限于一種目標(biāo)物。因此，CNT在生物傳感器中的應(yīng)用研究主要還是集中在實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，距離實(shí)際應(yīng)用還有一段很漫長(zhǎng)的過(guò)程。但是隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn)及電極的微型化發(fā)展，其用于在線活體分析的條件已經(jīng)日趨成熟。

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