謝賽丹+劉洋+吳朝陽(yáng)+沈國(guó)勵(lì)+俞汝勤

摘 要 無(wú)機(jī)層狀材料具有低維的開放結(jié)構(gòu)和良好的生物兼容性及穩(wěn)定性，被認(rèn)為是固載生物分子最有前景的材料之一，它不僅可以根據(jù)固載分子的尺寸調(diào)層間距，防止泄露，而且可以有效保護(hù)固載分子不受外界影響。它還可以促進(jìn)酶與電極之間的電子轉(zhuǎn)移。因此，無(wú)機(jī)層狀材料在電化學(xué)傳感中的具有很大的應(yīng)用潛力。本文分別對(duì)無(wú)機(jī)層狀材料固載客體分子的方式、不同類型的無(wú)機(jī)層狀材料， 包括陽(yáng)離子型、陰離子型和非離子型無(wú)機(jī)層狀材料， 在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并對(duì)其應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 無(wú)機(jī)層狀材料； 電化學(xué)傳感； 酶； 評(píng)述

1 引 言

無(wú)機(jī)層狀材料在結(jié)構(gòu)上最明顯的特征就是層層疊加，從而形成縱向有序的三維結(jié)構(gòu)，其層板由無(wú)機(jī)元素的原子以共價(jià)鍵作用排列而成，而相鄰層板間的原子以范德華力和氫鍵等弱鍵作用相連，層間距具有可擴(kuò)展性，因此層板之間可以發(fā)生相互錯(cuò)位平移，層間距離也可以在外界的作用下發(fā)生改變，從而使得客體分子可通過靜電力嵌入層間[1]。無(wú)機(jī)層狀材料根據(jù)層板所帶的電荷不同，可以分為以下陰離子型層狀材料（即層板帶正電，層間以陰離子平衡電荷），如水滑石等；陽(yáng)離子型層狀材料（即層板帶負(fù)電，層間以陽(yáng)離子平衡電荷），如蒙脫土、二氧化鈦、磷酸氫鋯等；非離子型層狀材料（即層板不帶電），如石墨、層狀雙硫?qū)倩?、V2O5、MoO3等。

電化學(xué)傳感器是由檢測(cè)分子識(shí)別元件和電化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換元件組成的，具有成本低、操作簡(jiǎn)單、體積小、快速、靈敏以及實(shí)時(shí)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在臨床診斷、食品分析、生物過程監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面廣泛應(yīng)用[2～4]。根據(jù)檢測(cè)物質(zhì)種類，電化學(xué)傳感器可分為離子傳感器、氣體傳感器和生物傳感器等。在構(gòu)建生物傳感器中，生物分子固定化對(duì)其性能的影響至關(guān)重要。傳統(tǒng)的固定方法（如交聯(lián)法、鍵合法、包埋法等）容易造成生物分子流失或活性降低，導(dǎo)致生物傳感器靈敏度低或者重現(xiàn)性較差等問題[5～7]。近年來(lái)，納米材料， 如碳納米管、石墨烯、納米金等，由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在生物傳感器中得到廣泛關(guān)注。尤其是層狀納米材料，其結(jié)構(gòu)規(guī)則、機(jī)械性能高、化學(xué)穩(wěn)定及熱穩(wěn)定性好[8]，被認(rèn)為是固載生物分子最有前景的材料之一[9]。無(wú)機(jī)層狀材料可以根據(jù)固載的生物分子的尺寸調(diào)整層間距大小，防止生物分子泄漏，并且有效保護(hù)固載的生物分子不受外界干擾物質(zhì)影響[10]。另外，層狀材料的低維結(jié)構(gòu)決定了其具有開放結(jié)構(gòu)，使各種分子靠近成為可能，有利于有機(jī)大分子的插入。無(wú)機(jī)層狀材料還具備電催化活性、離子可交換性、良好的生物相容性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，使得其在電化學(xué)生物傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景， 與其它納米材料、聚合物等復(fù)合， 極大地改善了固載分子的穩(wěn)定性和活性，提高了傳感器的靈敏度，如今，越來(lái)越多的層狀材料被開發(fā)應(yīng)用于電化學(xué)傳感。本文對(duì)無(wú)機(jī)層狀材料固載客體分子的方式和不同類型的層狀材料在電化學(xué)傳感器方面的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

2 無(wú)機(jī)層狀材料固載客體分子的方式

通常，將客體分子固載到層狀材料中包括直接嵌入法和間接嵌入法兩種方式。

2.1 直接嵌入法

無(wú)機(jī)層狀材料的直接嵌入過程伴隨著層間化學(xué)鍵的斷裂、主體層板與客體分子之間新作用力的生成[11]。這個(gè)過程，可以通過“階段模型”說明，即客體分子通過多個(gè)階段逐步填充到層板之間。對(duì)于層間作用力不是很強(qiáng)的層狀材料，客體分子的嵌入很容易就使層間距增大，并且嵌入反應(yīng)發(fā)生在層狀材料的整個(gè)層間區(qū)域；而有些層狀材料的層間作用力是很強(qiáng)的，隨著客體分子的嵌入層狀材料的層間區(qū)域才逐漸被打開。

2.2 間接嵌入法

無(wú)機(jī)層狀材料的間接嵌入過程是根據(jù)某些層狀材料能剝離的特點(diǎn)[12]，通過剝離反應(yīng)獲得獨(dú)立的片狀材料，然后再與客體分子重新堆疊起來(lái)形成層狀復(fù)合物，如圖1。目前，已經(jīng)發(fā)展了很多層狀材料的剝離方法，其中液相剝離層狀材料是一個(gè)很重大的發(fā)現(xiàn)，包括氧化、離子插入或交換、

表面鈍化等方法[14]。當(dāng)層狀材料的層間距被無(wú)限膨脹，層與層之間互不依賴，最終導(dǎo)致層板的分離。例如，層狀雙金屬氫氧化物在丁醇中通過十二烷基磺酸交換層間陰離子被剝離開[15]，也可以在甲酰胺或水等溶劑中發(fā)生剝離反應(yīng)[15，16]，MoS2通過Li+的插入也可發(fā)生剝層反應(yīng)[17]。利用剝離得到的片狀材料與客體分子通過靜電作用等間接獲得客體分子嵌入的層狀復(fù)合物。通過層層組裝方法構(gòu)建無(wú)機(jī)納米片與生物分子復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)材料相對(duì)于直接將生物分子插入到層狀材料中更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閯冸x后的無(wú)機(jī)納米片可以根據(jù)固載生物分子的尺寸來(lái)調(diào)整重新堆疊起來(lái)的層間距，而不受固載生物分子大小的限制。

3 無(wú)機(jī)層狀材料在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

3.1 陰離子無(wú)機(jī)層狀材料

陰離子型無(wú)機(jī)層狀材料是由陽(yáng)離子的層板和層間吸附帶相反電荷的陰離子或溶劑分子組成的[18，19]，典型的是水滑石，它與類水滑石統(tǒng)稱為層狀雙金屬氫氧化物（Layered Double Hydroxide，L ）。其分子式可以表示為：[M2+1-x M3+x（OH）2][An]x/n·zH2O，M2+代表二價(jià)金屬離子，常見的有Mg2+， Zn2+， Ni2+等，M3+代表三價(jià)金屬離子，常見的有Al3+， Fe3+， Mn3+等。An

代表無(wú)機(jī)或有機(jī)陰離子，如CO2

3， Cl

， SO2

4 ， RCO2

等。x一般在0.2～0.4之間。除了二價(jià)和三價(jià)的金屬離子，也有含一價(jià)和四價(jià)金屬離子的水滑石，如Li和Ti4+。

層狀雙金屬氫氧化物是固定蛋白質(zhì)的載體之一，可以提供一個(gè)生物相容性的微環(huán)境，保持酶原有的活性。其最常用的固載方式是剝離-重組。Chen等[20]剝離Ni-Al-NO3層狀雙金屬氫氧化物得到Ni/Al納米片，在pH=7.5的條件下，等電點(diǎn)為7.2的HRP帶負(fù)電荷， 與帶正電荷的Ni/Al納米片重新堆疊成層狀復(fù)合物，研究了HRP與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移，該傳感器表明對(duì)H2O2和三氯乙酸（TCA）的還原有很好的電催化活性。Liu等[21]通過剝離-重組的方法將血紅蛋白和DNA同時(shí)插入到Ni/Al層狀雙金屬氫氧化物中，制得了無(wú)媒介生物傳感器。DNA的插入不僅有利于血紅蛋白插入層間，而且改善了血紅蛋白的生物活性。DNA和L s共同作用促使蛋白和電極之間進(jìn)行快速的電子轉(zhuǎn)移，并且在高溫（85℃）或在有機(jī)溶劑甲氰中還能保持酶的活性。endprint

另外，在水滑石中插入一些有機(jī)化合物可以改善酶的穩(wěn)定性和催化活性。比如凝膠、聚合物、表面活性劑，具有很好的親水性，可以插入到層狀無(wú)機(jī)材料的間隙中，使得層與層之間的空間變大，更有利于保護(hù)催化劑以免被氧化而失活。Fernández等[22]通過共沉淀法合成Co/Al水滑石，然后與十二烷基苯磺酸鈉復(fù)合，不需要交聯(lián)劑就能有效地固定HRP，高靈敏檢測(cè)2-氯苯酚。Zhu等[23]在修飾了離子液體的碳刷電極上進(jìn)一步修飾Ni/Al水滑石類層狀材料，將帶負(fù)電荷的有機(jī)分子插入層板之間，制得了高靈敏的多巴胺電化學(xué)傳感器。

水滑石不僅可以固載大分子蛋白質(zhì)，由于其離子可交換的性質(zhì)，還可以固定小分子。Jin等[24]通過化學(xué)方法合成了普魯士蘭-Mg/Al L s 復(fù)合物。首先，F(xiàn)e（CN）4

6陰離子和L s層間的陰離子交換，然后，F(xiàn)e2+在L s上沉積形成普魯士藍(lán)納米顆粒，這種方法比直接吸附普魯士藍(lán)納米顆粒效率更高。因此制備檢出限低、靈敏度高的H2O2傳感器。

此外，其中某些水滑石層狀材料本身具有電催化活性，拓展了其在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用。比如Chen等[25]通過循環(huán)伏安法揭示了花瓣?duì)頝i/Al水滑石類層狀材料在堿性溶液中具有類似過氧化物酶能電催化葡萄糖氧化的活性，通過將花瓣?duì)畹腘i/Al水滑石類層狀材料固定在電極表面，制備了新型簡(jiǎn)單又便宜的無(wú)酶葡萄糖傳感器，檢出限達(dá)到0.11 μmol/L。Li等[26]通過電化學(xué)處理的方法在玻碳電極表面形成Zn/Al層狀雙金屬氫氧化物膜，在間二苯酚存在下，同時(shí)檢測(cè)出鄰二苯酚和對(duì)二苯酚。與Zn/Al層狀雙金屬氫氧化物直接修飾在電極表面相比，它顯示出更高的峰電流和更低的電勢(shì)差，這可能是由于大的比表面積和強(qiáng)的吸附能力。與其它方法相比，它具有更高的穩(wěn)定性和靈敏度、更好的抗干擾能力。

3.2 陽(yáng)離子無(wú)機(jī)層狀材料

陽(yáng)離子無(wú)機(jī)層狀材料是層板帶負(fù)電荷，層間以陽(yáng)離子平衡電荷。電化學(xué)傳感領(lǐng)域里常見的陽(yáng)離子無(wú)機(jī)層狀材料主要包括粘土、金屬氧化物和金屬磷酸鹽。粘土如蒙脫土，氧化物有TiO2、MnO2等， 典型的磷酸鹽有α-磷酸鋯、磷酸鋇。

3.2.1 粘土

粘土無(wú)機(jī)層狀材料在電化學(xué)傳感領(lǐng)域里應(yīng)用廣泛，因?yàn)槠淇臻g二維結(jié)構(gòu)能夠插入大量有機(jī)小分子、大分子和生物分子。常見的是蒙脫石類粘土，包括鋰皂石（Laponite）、蒙脫石（Montmorillonite）、綠脫石（Nontronite）。蒙脫石類粘土是層狀硅酸鹽類粘土礦物，其結(jié)構(gòu)單元是由一個(gè)八面體層和兩個(gè)四面體硅酸層組成。中心陽(yáng)離子的配位使得層周圍帶負(fù)電荷，因此層間通過插入陽(yáng)離子互補(bǔ)，這類粘土也稱為陽(yáng)離子粘土[27]。

陽(yáng)離子粘土作為一種生物兼容性無(wú)機(jī)層狀材料，是蛋白質(zhì)固載的良好平臺(tái)。Charmanay等[28]將半乳糖氧化酶和鋰皂石混合，制得了靈敏度高，重復(fù)性好的半乳糖傳感器。半乳糖氧化酶具有很高的等電點(diǎn)，在中性條件下帶正電荷，因而能很好的固定在鋰皂石上。粘土固載酶的方式除了與酶直接混合，還可以和聚合物復(fù)合通過非共價(jià)或共價(jià)的作用來(lái)固載酶。Kesik等[29]在電極表面上電聚合導(dǎo)電聚合物，構(gòu)建了一個(gè)全新的固載酶的平臺(tái)，制得了靈敏度高，檢出限低的葡萄糖傳感器。聚甲基甲酰胺導(dǎo)電聚合物是由含氨基的單體電聚合而成的，在戊二醛的作用下，共價(jià)交聯(lián)葡萄糖氧化酶。另外，在粘土材料中插入其它分子來(lái)提高蛋白質(zhì)的固定效率已越來(lái)越受到關(guān)注。例如，Seleci等[30]在蒙脫土中插入甲胺、二甲胺，獲得氨基修飾的蒙脫土，通過戊二醛共價(jià)修飾上葡萄糖氧化酶，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖高靈敏檢測(cè)，得到了很好的線性關(guān)系。同樣地，Demir等[31]在蒙脫土中插入三甲胺，通過戊二醛共價(jià)連接了微生物細(xì)胞，對(duì)葡萄糖的電化學(xué)響應(yīng)體現(xiàn)了在生物應(yīng)用中的前景。

粘土和金屬納米顆粒的復(fù)合增強(qiáng)了蛋白質(zhì)和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移。Zhao等[32]將用殼聚糖穩(wěn)定的金納米顆粒和剝離的蒙脫土堆疊成層狀復(fù)合物，固載在中性條件下帶正電荷的辣根過氧化物酶，再覆蓋上蒙脫土，制備了穩(wěn)定的酶?jìng)鞲衅?。該傳感器?duì)H2O2響應(yīng)快，線性范圍寬。

3.2.2 過渡金屬氧化物

層狀過渡金屬氧化物種類繁多，由于具有空的d軌道和強(qiáng)的電子捕獲能力，在光學(xué)、電學(xué)等領(lǐng)域備受青睞。其中典型的屬層狀鈦酸鹽材料，自20世紀(jì)90年代中期以來(lái)，Sasaki等[33]研究了層狀二氧化鈦的膨脹-剝離現(xiàn)象，層狀二氧化鈦可以通過離子交換、嵌入、膨脹，機(jī)械振蕩等方法獲得二氧化鈦納米片[34]，二氧化鈦納米片的厚度很薄，10

9～10

5 m，等電點(diǎn)也很低，約1.2，因此在pH>1.2范圍內(nèi)，均帶負(fù)電荷。通過加入適量正電荷，就可以使帶負(fù)電的納米片與帶正電荷的客體分子以層層組裝的方式組合起來(lái)，構(gòu)成復(fù)合層狀結(jié)構(gòu)材料[35]。

由于靜電作用的存在，通過簡(jiǎn)單的混合方法就能夠制備生物分子嵌入的無(wú)機(jī)層狀復(fù)合材料。Zhang等[13]將制得的二氧化鈦鈦酸鹽在四丁基氫氧化銨（TBAOH）水溶液中進(jìn)行剝離，得到了二氧化鈦納米片（TNS）懸浮液，將pH值調(diào)至弱酸性（pH≈5），帶負(fù)電的TNS與帶正電的HRP（等電點(diǎn)=8.9）分子之間相互吸引， 并以層層組裝的方式形成HRP嵌入的層狀結(jié)構(gòu)復(fù)合物。這樣的固載方式使HRP分散性很好，沒有發(fā)現(xiàn)HRP團(tuán)聚現(xiàn)象。利用TNS-HRP層狀復(fù)合物構(gòu)建第三代生物傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)H2O2的檢測(cè)。Zhang等[36]還將肌紅蛋白（Mb）和TNS通過靜電作用，以層層組裝的方式構(gòu)建了Mb嵌入二氧化鈦的層狀復(fù)合物。在強(qiáng)酸（pH =2.2）或高溫（85℃）下仍然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)H2O2的檢測(cè)。

層狀二氧化鈦由于其良好的生物兼容性、化學(xué)及熱力學(xué)穩(wěn)定，是一種很好的固定蛋白的載體，但是層狀二氧化鈦在酸性條件下不穩(wěn)定，因而固定的蛋白是有限的，能直接吸附的蛋白像肌紅蛋白（pI=7.0）、血紅蛋白（pI=7.1）、辣根過氧化物酶（pI=7.0）等。Han等[37]采用帶正電荷的聚合物--聚二烯丙基二甲基氯化銨與蛋白質(zhì)混合形成多層膜，再與二氧化鈦納米片組裝成復(fù)合的層狀材料， 使得蛋白固定多樣化。endprint

層狀二氧化鈦也是一類典型的無(wú)機(jī)陽(yáng)離子交換材料，可用于重金屬離子的檢測(cè)。Yuan等[38]通過濃NaOH和無(wú)機(jī)鈦鹽之間的水熱反應(yīng)得到交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Na-TNS，基于Na-TNS的傳感平臺(tái)，通過陽(yáng)離子交換過程，可以有效捕獲Hg2+，促進(jìn)Hg2+在表面富集，然后在HCl溶液中Hg還原Hg（0），從而利用溶出伏安法實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg2+的高靈敏檢測(cè)。

3.2.3 金屬磷酸鹽

金屬磷酸鹽中四價(jià)金屬磷酸鹽即磷酸鋯研究頗多，層狀磷酸鋯有α-磷酸鋯（α-Zr（HPO4）2·H2O）、γ-磷酸鋯（γ-Zr（PO4）（H2PO4）·2H2O）、θ-磷酸鋯（θ-Zr（HPO4）2·6H2O及其有機(jī)衍生物[39]。它們除了具備層狀材料的共性，還有耐強(qiáng)酸和一定的堿、熱穩(wěn)定性很好等特性[40]。α-磷酸鋯是一種表面含有酸性羥基的無(wú)機(jī)層狀材料，剝離的α-磷酸鋯納米片會(huì)暴露出更多的負(fù)電荷，可以更加有效地吸附帶正電荷的蛋白質(zhì)，另外，α-磷酸鋯具有很好的生物兼容性，使固定在其表面的蛋白質(zhì)保持原有活性。Zhang等[41]采用水熱法合成磷酸鋯， 并剝離得到α-磷酸鋯納米片，將肌紅蛋白靜電吸附固定在電極表面，α-磷酸鋯納米片促進(jìn)肌紅蛋白與電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移，因此有效催化H2O2， O2， NaNO2， TCA等的還原，H2O2的檢出限為1.4×107 mol/L，且響應(yīng)快，線性范圍寬。Liu等[42]將血紅蛋白和剝離好的α-磷酸鋯納米片反應(yīng)， 獲得復(fù)合材料，不僅改善了血紅蛋白的熱穩(wěn)定性，即在85℃下還能保持其生物活性，而且增強(qiáng)了蛋白與電極之間的電子傳遞能力，該傳感器對(duì)H2O2有很好的響應(yīng)和重復(fù)性。這些都表明α-磷酸鋯適用于第三代傳感器的制備。

磷酸鋯的導(dǎo)電性常會(huì)限制其電化學(xué)應(yīng)用，Liu等[43]通過對(duì)α-磷酸鋯剝離再組裝，在層間同時(shí)插入了帶正電荷的血紅蛋白和帶負(fù)電荷的雙鏈DNA，制備了無(wú)電子媒介的電化學(xué)生物傳感器。由于電子能夠在雙鏈DNA上傳遞，通過α-磷酸鋯和雙鏈DNA的協(xié)同作用，可有效促進(jìn)血紅蛋白和電極之間的直接電子轉(zhuǎn)移。此傳感器顯示了對(duì)H2O2有很好的電催化活性，且在溫度高達(dá)85℃下或在甲氰溶液中仍保持著活性。Liu等[44]還通過類似的方法在α-磷酸鋯層間同時(shí)插入了殼聚糖和葡萄糖氧化酶，制備無(wú)電子媒介的葡萄糖傳感器，檢出限達(dá)到0.076 mmol/L。Santiago-Berríos等[45]通過二-2， 2′， 2″， 6-四吡啶合鈷（[Co（tpy）2]2+）與θ-磷酸鋯的直接插入反應(yīng)生成了[Co（tpy）2]3+插入θ-磷酸鋯的復(fù)合材料，其電化學(xué)行為表明了它是很好的電子媒介，能夠在酶活性位點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)快速的電子轉(zhuǎn)移，可以檢測(cè)到低濃度NA 。將該材料固定在電極表面，制備了雙酶乳酸傳感器，檢出限達(dá)到10 mol/L。

3.3 非離子無(wú)機(jī)層狀材料

非離子層狀材料的層板不帶電荷，分子層之間以范德華力聯(lián)接成網(wǎng)絡(luò)，典型的有石墨、層狀雙硫?qū)倩铩2O5、MoO3等。

3.3.1 石墨 石墨是元素碳的一種同素異形體，每一個(gè)碳原子以sp2雜化與其它3個(gè)原子相連，6個(gè)碳原子在同一個(gè)平面上形成了正六邊形的環(huán)，伸展成片層結(jié)構(gòu)，層與層之間通過范德華力堆疊起來(lái)[46]。石墨是碳材料家族中的一種各向異性材料，它的邊緣有很多活性位點(diǎn)，平面上的惰性缺陷也可以經(jīng)過電化學(xué)預(yù)處理得到激活。例如，Ku等[47]利用石墨和Nafion混合物修飾在絲網(wǎng)印刷電極表面，經(jīng)過電化學(xué)預(yù)處理，原本順滑的表面被刻蝕成約100 nm的納米片， 制備了高選擇性的多巴胺電化學(xué)傳感器。Nafion是帶負(fù)電荷的聚合物，不僅可以插入在石墨納米片層中，并且能夠阻礙抗壞血酸、尿酸等干擾物靠近電極表面。這樣預(yù)處理得到的復(fù)合物對(duì)多巴胺有很強(qiáng)的電催化活性，檢出限達(dá)到0.023 μmol/L。

石墨具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用往往需要?jiǎng)冸x成片。最早，石墨通過物理剝離獲得了石墨烯納米片，這種方法簡(jiǎn)單，但是產(chǎn)率較低，不適合大量生產(chǎn)； 后來(lái)， 化學(xué)剝離法得到廣泛使用。石墨納米片是石墨烯衍生物，包含幾層石墨烯納米片，是通過剝離原始石墨得來(lái)的。它具有和石墨烯類似的物理性質(zhì)，且相對(duì)比較穩(wěn)定和制備方法更溫和。因此，在電化學(xué)傳感領(lǐng)域受到關(guān)注。Zhu等[49]將剝離的石墨納米片修飾在電極表面，制得了NA 的電化學(xué)生物傳感器。石墨納米片促進(jìn)了NA 氧化過程中的電子轉(zhuǎn)移，其氧化峰降至0.32 V。Fu等[50]首次將剝離的石墨納米片和Nafion復(fù)合，固定葡萄糖氧化酶在電極表面，研究其直接電化學(xué)性質(zhì)。該復(fù)合物不僅使得酶與電極之間實(shí)現(xiàn)了快速的電子轉(zhuǎn)移，而且也沒有損失酶的活性。

石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來(lái)，在電化學(xué)傳感領(lǐng)域獲得迅速的發(fā)展。由于其具有快速電子轉(zhuǎn)移能力，電催化活性，良好的生物兼容性，大的比表面積以及容易固定酶等性質(zhì)，已經(jīng)構(gòu)建了基于石墨烯的葡萄糖、H2O2、核酸等電化學(xué)傳感器[51]。

Zeng等[52]通過Hummer方法將石墨剝離得到氧化石墨， 再還原獲得石墨烯，并首次將石墨烯片和辣根過氧化物酶通過靜電作用組裝成層狀納米復(fù)合物，這是由于十二烷基苯磺酸鈉的功能化使石墨烯片帶負(fù)電荷，而在pH=7.0下，辣根過氧化物酶（pI=8.8）帶正電荷，如圖2。這樣的復(fù)合物顯示了對(duì)H2O2良好的電催化活性，線性范圍為1.0× 10

6～2.6×10

3 mol/L，且檢出限達(dá)到1.0×10

7 mol/L。

Kang等[53]將殼聚糖功能化的石墨烯復(fù)合葡萄糖氧化酶，制得了高靈敏的葡萄糖電化學(xué)傳感器。該傳感器展示了快速的電子轉(zhuǎn)移能力，其速率常數(shù)為2.83 s

1，且酶負(fù)載量高，達(dá)到1.12×10

9 mol/cm2。

石墨烯通過一定的處理可以修飾上羧基、氨基、羥基的等官能團(tuán)，可以有效固定一些生物分子，豐富了其在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用。Huang等[54]將羧基化石墨烯修飾在電極表面研究了腺嘌呤和鳥嘌呤的直接電化學(xué)行為，檢測(cè)限分別為5.0×10endprint

8 mol/L和2.5×10

8 mol/L。石墨烯也可以通過π-π共軛作用固定一些生物分子，如單鏈DNA。Zhu等[55]將化學(xué)串聯(lián)反應(yīng)和石墨烯與DNA的相互作用結(jié)合起來(lái)發(fā)展了一種全新的電化學(xué)傳感策略，即通過串聯(lián)反應(yīng)控制雙鏈DNA的打開和折疊，從而改變DNA與石墨烯作用，間接檢測(cè)底物濃度。Su等[56]將相互作用的石墨烯和單鏈DNA修飾在電極表面建立起三明治型的電化學(xué)免疫傳感器。

圖2 HRP和石墨烯自組裝成層狀生物納米復(fù)合物及電子轉(zhuǎn)移過程示意圖[52]

Fig.2 Schematic representation of self-assembled HRP-GSs hierarchical bionanocomposites on glass carbon electrode and electron transfer process of the composites on electrode surface[52]

石墨烯與金屬納米顆粒、小的有機(jī)分子或聚合物復(fù)合拓展了其在電化學(xué)傳感領(lǐng)域里的應(yīng)用。Zhang等[57]在石墨烯表面電沉積鉑納米顆粒，這樣復(fù)合的納米復(fù)合物對(duì)H2O2的還原展示了很高的峰電流和低的超電勢(shì)，檢出限低至0.2 μmol/L，可以檢測(cè)到活細(xì)胞釋放的H2O2。Liu等[58]采用溫和的、環(huán)保的方式合成了Au納米顆粒、多金屬氧酸鹽和石墨烯三元復(fù)合納米材料，對(duì)H2O2有很好的電催化活性，制得了選擇性好、穩(wěn)定性高、檢出限低的H2O2無(wú)酶?jìng)鞲衅鳌ao等[59]通過電聚合獲得了聚吡咯-石墨烯復(fù)合膜，它具有很好的導(dǎo)電性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腺嘌呤和鳥嘌呤的定量檢測(cè)。

由于石墨烯在電化學(xué)傳感領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，一些類石墨烯的層狀材料逐漸進(jìn)入人們的視野。例如，C3N4 納米片是具有類似石墨烯結(jié)構(gòu)的二維層狀材料，其熱、化學(xué)穩(wěn)定性好，具有光學(xué)，電學(xué)性質(zhì)及催化能力，在光電、熒光傳感器等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，引起了人們對(duì)其在電化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。Tian等[60]首次提出了超聲剝離的C3N4 納米片能高效地電催化H2O2還原，構(gòu)建了葡萄糖電化學(xué)傳感器。Mriganka等[61]通過自組裝合成C3N4，由于對(duì)Hg2+的吸附，采用陰極溶出伏安法檢測(cè)Hg2+。另外，六方氮化硼片（h-BN）也是和石墨烯有類似結(jié)構(gòu)，B原子和N原子以sp2雜化形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，環(huán)保，在電化學(xué)生物傳感領(lǐng)域里也有所應(yīng)用[62]。Xu等[63]將h-BN和殼聚糖混合負(fù)載了過氧化氫酶，實(shí)現(xiàn)了酶的直接電化學(xué)，靈敏地檢測(cè)了氯吡脲。由于h-BN難以分散在許多的水溶液或有機(jī)溶劑中，且本身導(dǎo)電性差，所以其在電化學(xué)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。但是最近很多研究發(fā)現(xiàn)，可以改善BN的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，如摻雜碳元素可以增強(qiáng)其導(dǎo)電性。對(duì)BN材料的不斷挖掘，會(huì)進(jìn)一步延伸其在電化學(xué)傳感的應(yīng)用。

3.3.2 層狀雙硫?qū)倩?在過去的幾年里，類石墨烯二維納米材料受到了高度關(guān)注[64]。特別是層狀過渡金屬雙硫?qū)倩?，它們與石墨有類似的層狀結(jié)構(gòu)，其中有一些還具有半導(dǎo)體特性，如MoS2， WS2等。單層過渡金屬雙硫?qū)倩锟梢杂肕X2來(lái)表達(dá)，M代表過渡金屬，如Mo， V， Hf， W等元素； X代表硫?qū)倩铮⊿， Se， Te。由于它們獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì)，在催化、能源儲(chǔ)存、電子設(shè)備、傳感等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注[65]。

MoS2作為層狀雙硫?qū)倩锏拇碇?，它具有與石墨類似的層狀結(jié)構(gòu)，Mo原子層夾在兩個(gè)S原子層之間，以極強(qiáng)的共價(jià)鍵作用在一起，而分子層之間通過較弱的范德華作用力堆疊在一起，這樣，原子或分子插入在MoS2層中而不會(huì)影響層內(nèi)的結(jié)構(gòu)。通過機(jī)械剝離、液相剝離或化學(xué)氣相沉積等方法剝離成單層或幾層的MoS2在電化學(xué)傳感中具有很大的應(yīng)用潛力。Li等[65]利用機(jī)械剝離得到的薄層MoS2的半導(dǎo)體性質(zhì)制備了NO氣體傳感器。而在MoS2層中插入一些碳材料和金屬或金屬氧化物納米顆粒[66，67]（如Au、Ag、Pt等）往往會(huì)對(duì)電催化起到協(xié)同效應(yīng)。Huang等[68]通過修改的L-半胱氨酸輔助的溶液相方法合成了層狀的MoS2-石墨烯復(fù)合物，構(gòu)建了醋氨酚電化學(xué)傳感器。該復(fù)合物修飾的玻碳電極與單獨(dú)的石墨烯修飾的玻碳電極和裸玻碳電極相比，對(duì)醋氨酚的電化學(xué)響應(yīng)更好，表明其具有更好的電子轉(zhuǎn)移能力。Huang等[69]還通過水熱合成了MoS2和碳納米管復(fù)合物，制得了電化學(xué)DNA生物傳感器。Su等[70]將MoS2納米片和Au納米顆粒通過水熱法合成了納米復(fù)合物，該復(fù)合物對(duì)多巴胺有很好的電催化活性，并不受抗壞血酸的干擾。Sun等[71]利用電沉積的方法制備了MoS2納米片和Au納米顆粒復(fù)合膜，可以同時(shí)檢測(cè)抗壞血酸、多巴胺和尿酸。

4 總結(jié)與展望

無(wú)機(jī)層狀材料固載客體分子的方式主要分為直接嵌入法和間接嵌入法，其中，通過間接嵌入法獲得的無(wú)機(jī)納米片能夠根據(jù)客體分子的大小調(diào)整層間距，可不受固載分子的大小限制。本文分別對(duì)陰離子型層狀材料（水滑石）、陽(yáng)離子型層狀材料（粘土、TiO2、α-磷酸鋯）和非離子型層狀材料（石墨、MoS2）在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用進(jìn)行介紹。近年來(lái)的研究表明，無(wú)機(jī)層狀材料由于其低維的開放結(jié)構(gòu)、化學(xué)穩(wěn)定，生物兼容等性質(zhì)，在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。例如，由石墨剝離得到的石墨烯材料表面含有缺陷、易官能團(tuán)化、導(dǎo)電性好，并且，石墨烯材料常含有雜質(zhì)，摻入B， S， N等雜環(huán)原子可以極大地增強(qiáng)其電化學(xué)性質(zhì)，在電化學(xué)傳感中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。另外，無(wú)機(jī)層狀材料與其它材料的復(fù)合，如金屬納米顆粒、導(dǎo)電聚合物、有機(jī)小分子等，表現(xiàn)出優(yōu)良的電化學(xué)性質(zhì)，可以促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移或有利于客體分子的組裝，拓展了其在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用。

而提高靈敏度和選擇性一直是層狀材料在電化學(xué)傳感中應(yīng)用追求的目標(biāo)，一些層狀材料本身導(dǎo)電性差、難以剝離，不易分散等缺陷限制其發(fā)展，因此對(duì)這些材料的性質(zhì)的研究和多樣化設(shè)計(jì)還具有很大的發(fā)展空間，此外，如何發(fā)展新型層狀材料在電化學(xué)傳感中應(yīng)用也是目前面臨的一個(gè)的挑戰(zhàn)。endprint

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