張建斌， 左國防， 王 鵬， 雷新有

(1.甘肅省高校新型分子材料設(shè)計與功能省級重點實驗室,甘肅 天水 741000；2.天水師范學院 化學工程與技術(shù)學院,甘肅 天水 741000)

0 引 言

石墨烯及其衍生物是電化學生物傳感器理想的電極材料，在生物傳感領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應用潛力?；瘜W還原氧化石墨烯(reduced grapheme oxide,RGO)制備過程中表面及邊緣的含氧基團增強了親水性，易于吸附檢測物分子?；瘜W摻雜和表面功能化使其具有更好的表面性能，提高了其在介質(zhì)中的分散性。金屬納米粒子、金屬氧化物或?qū)щ娦跃酆衔锏慕槿?，使石墨烯基復合材料在生物傳感技術(shù)中具有更好的催化和電化學活性[1]。

基于石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)和良好的電化學活性，以及可以通過π-π堆積或靜電相互作用吸附各種芳環(huán)分子的能力，實現(xiàn)生物活性酶的有效固定，可用于葡萄糖，過氧化氫(H2O2)、多巴胺(DA)、抗壞血酸(AA)、尿酸(UA)、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，以及脫氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)等生物分子的高選擇性和高靈敏檢測[1,2]。但固定化酶的活性很容易受到諸如pH值、溫度、化學毒性等因素的影響。此外，高成本，有限壽命，也限制了酶電化學生物傳感器的實際應用。而非酶電化學傳感器在解決這些問題方面均表現(xiàn)出良好的特性。

本文結(jié)合作者在此領(lǐng)域的工作，探討了石墨烯基質(zhì)材料在非酶電化學生物傳感領(lǐng)域中的最新應用，以期為國內(nèi)開展相關(guān)研究提供文獻參考。

1 非酶電化學生物傳感器

非酶電化學生物傳感器的應用分為2種類型：特定酶檢測，如葡萄糖和H2O2的檢測；用于檢測類似分析物的電化學特性，如DA，AA，UA和NADH等。石墨烯優(yōu)異的電催化活性和導電性能，可以阻止金屬納米材料在傳感區(qū)域聚集，已廣泛用于構(gòu)建各種生物小分子檢測的非酶電化學生物傳感器。

1.1 葡萄糖檢測應用

過渡金屬/金屬氧化物/氫氧化物，以及各種貴金屬納米粒子，對葡萄糖的電化學檢測表現(xiàn)出優(yōu)良的催化性能。羥基氧化鎳(NiOH)在堿性環(huán)境中，是一種很好的葡萄糖氧化催化劑，其催化表現(xiàn)是基于Ni(Ⅲ)/Ni(Ⅱ)的氧化還原電對。Zhan B等人[3]通過簡單的水熱過程沉積Ni(OH)于化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)生長的3D—石墨烯泡沫上(3D—GF)，作為非酶葡萄糖電化學檢測電極，具有很高的靈敏度(～2.65 mA/((mmol/L)cm2))和優(yōu)異的催化性能，這歸于Ni(OH)2納米片高導電性和3D—GF大的表面積協(xié)同作用的結(jié)果。Wang Z G等人[4]利用所制備的Ni-NP/石墨烯納米復合物修飾電極檢測葡萄糖，該電極對UA表現(xiàn)出良好的抗干擾性能。采用電化學還原合成和電沉積的RGO—鐵氰化鎳(RGO-NiNPs)復合材料，對葡萄糖的檢測顯示出比純NiNPs更高的靈敏性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)石墨烯修飾電極對葡萄糖的催化氧化需要非常高的電位，而葡萄糖在NiO—石墨烯修飾的玻碳電極(NiO—石墨烯/GCE)界面氧化電位顯著降低。Cu及其氧化物，基于良好的電化學活性，是非酶葡萄糖電化學檢測常見的電極材料。Wang Q等人[5]采用電泳沉積(electrophoretic deposition,EPD)技術(shù)報道了同時還原/沉積RGO/CuNPs。制備的修飾電極對各種生化分子，如DA，UA，AA和碳水化合物的檢測表現(xiàn)出良好的選擇性。Luo L Q等人[6]采用兩步電化學反應，制備的CuO/石墨烯納米復合材料修飾電極對葡萄糖表現(xiàn)出更佳的檢測性能，靈敏度達到1 360 μA/((mmol/L)cm2)，檢測限為0.7 μmol/L。

此外，Ci S Q等人[7]通過超聲波噴霧法設(shè)計了石墨烯負載氧化鈷(CoO)修飾電極，制備的CoO/石墨烯納米微球復合材料修飾電極對葡萄糖的氧化表現(xiàn)出響應快(小于3 s)，檢測范圍寬(0.83 μmol/L～8.61 mmol/L)，檢測限低(0.46 μmol/L)等特點。Wang L等人[8]將3D樹狀Cu-Co納米復合材料共電沉積于石墨烯—CHIT/GCE，構(gòu)筑了高度敏感的非酶葡萄糖傳感器(Cu-CoNPs/RGO-CHIT)。該方法提高了納米復合材料的導電性，增加了復合材料比表面積，成功地應用于實際葡萄糖樣品中的實時檢測。Ci S Q等人[9]制備的CoNPs/N-G對葡萄糖的檢測比CoO/石墨烯復合材料顯示出更高的靈敏度，達到4 700 μA/((mmol/L)cm2)。

1.2 H2O2檢測應用

非酶H2O2檢測的主要問題是存在其他電活性物質(zhì)的干擾，導致其過電位過高。因此，發(fā)展H2O2非酶電化學傳感器的關(guān)鍵是降低其還原電位。功能化石墨烯和石墨烯基納米復合材料在這方面顯示出巨大的應用潛力。

Chen C W等人[10]報道了在電解質(zhì)溶液中超聲電化學還原合成石墨烯，降低了Hummer方法化學還原GO產(chǎn)生的化學缺陷(RGNCM)，而更多物理缺陷的RGNSECM比RGNCM表現(xiàn)出更好的催化性能。該非酶H2O2傳感器可應用于牛奶樣品中H2O2的檢測。Jia L P等人[11]研究了功能化石墨烯對H2O2電還原的催化活性。聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDDA)功能化的石墨烯與純石墨烯相比，修飾電極顯著增加了電流響應，顯示了PDDA在分散性和石墨烯電催化方面發(fā)揮了重要作用。

Ag，Au，Pt和Pd等貴金屬納米結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)異的催化性能，被認為是另一類有前景的制備非酶H2O2電化學傳感器材料。Wang Q等人[12]介紹了AgNP/PIL—石墨烯基電極對H2O2的檢測。將AgNP引入功能化石墨烯薄膜增強了H2O2檢測的靈敏性，電流信號增強了10倍。隨后，Zhong L J等人[13]采用雙脈沖電化學方法獲得了Ag納米晶(AgNCs)—石墨烯結(jié)構(gòu)，與Wang等人提出的AgNPs/石墨烯電極相比，該石墨烯—AgNPL復合材料對H2O2表現(xiàn)出更高的檢測靈敏度，達到183.5 μA/((mmol/L)cm2)。Golsheikh A M等人[14]通過簡單的超聲波作用合成了AgNPs-RGO修飾電極，與裸電極相比，對H2O2的檢測表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化活性并顯著增加了電子轉(zhuǎn)移速率。Tian Y等人[15]制備的AgNPs/N-G對H2O2的電化學還原顯示出比石墨烯/AgNPs更好的性能。電子轉(zhuǎn)移速率的提高主要由于石墨烯的N元素摻雜。Maji S K等人[16]研究了H2O2在介孔硅包覆(RGO@AuNPs)電極上的電化學行為，發(fā)現(xiàn)所制備的復合材料催化了H2O2的還原。RGO-PMS@AuNPs無毒，可以在納摩爾水平下靈敏檢測活腫瘤細胞釋放的痕量H2O2。此外，N摻雜石墨烯—AuNPs(AuNPs-N-GQDs)復合材料，在檢測人宮頸癌細胞中釋放的H2O2也取得了滿意的結(jié)果。AuNPs-N-GQDs增強的電催化性能主要歸于AuNPs暴露的(111)面，對H2O2的—OH提供了大量的吸附位點，促進N-GQDs-Au到GC電極表面的電子轉(zhuǎn)移。PdNP—石墨烯納米片(PdNP-GN)修飾GCE以及PtNP—石墨烯/CNT修飾電極在檢測H2O2也顯示出良好的催化性能[17]。

催化活性高、成本低的過渡金屬常用于替代貴金屬納米材料的非酶H2O2傳感研究。Bai J等人[18]研究了CuS/石墨烯納米復合材料的H2O2生物傳感器。CuS/石墨烯納米復合材料修飾電極在檢測人血清和尿液樣品，以及從宮頸癌細胞釋放的H2O2，均獲得了滿意的結(jié)果。不同形貌Cu2O/石墨烯納米復合材料被用于非酶H2O2生物傳感器的制備。其中，物理吸附的Cu2O/石墨烯納米復合材料對H2O2的電化學還原具有最佳的催化性能，Cu2O晶體結(jié)構(gòu)的完整性對催化效率有著重要的影響。除了形態(tài)和金屬氧化物自身的結(jié)構(gòu)，金屬與GO和石墨烯的協(xié)同作用對于提高生物傳感器的性能也產(chǎn)生重要影響。如，F(xiàn)e2O3/RGO復合材料對H2O2催化還原產(chǎn)生了顯著的響應，峰值電流產(chǎn)生于 -0.22 V vs Ag/AgCl電極，而孤立的Fe2O3與石墨烯在相同條件下還原H2O2催化活性非常低[19]。Gao W等人[20]利用CNT修飾石墨烯提高的表面積和電導率，制備了Ni(OH)2/電還原氧化石墨烯(electrically reduced graphene oxide,ERGO)-SWCNT納米復合材料，用于H2O2和葡萄糖的電化學檢測。MWCNT作為石墨烯片間的橋梁提高了電子轉(zhuǎn)移速率。研究者也制備了MnO2/石墨烯納米復合材料，用于H2O2檢測。石墨烯骨架支持的MnO2納米片突出了電催化活性，對中性環(huán)境中H2O2的還原表現(xiàn)出良好性能[21]。

1.3 DA的檢測應用

DA,AA和UA氧化峰電位非常相近，直接電化學檢測存在很大困難。尤其是DA在人體中的濃度約為0.01～ 1 μmol/L，遠低于共存的AA和UA濃度。因此，準確檢測DA就要求傳感器具有更高的靈敏度和選擇性。

通過石墨烯制備過程中的結(jié)構(gòu)控制可以實現(xiàn)AA共存下DA檢測，所制備的石墨烯具有更大的感測區(qū)和更活躍的位點吸附目標分子。石墨烯的化學摻雜是另一種改進碳基材料催化活性有效的方法。Li M J等人[22]通過固態(tài)反應合成了噻吩硫均相摻雜石墨烯，在S摻雜的石墨烯表面形成了豐富的微孔，有效提高了DA氧化反應的電催化活性。Yu B等人[23]使用PSS為模板獲得3D多孔結(jié)構(gòu)RGO(3D-RGO)，對DA檢測靈敏度高達24 400 μA/(mmol/L cm2)。研究者[24]也通過化學氣相沉積法建立了一種具有獨立3D網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的N摻雜石墨烯DA電化學生物傳感器，比非摻雜石墨烯具有更高電化學活性。

提高石墨烯電化學生物傳感性能的方法還包括等離子體處理、電荷作用，或引入其他功能分子的表面修飾等。Keekly等人[25]以簡單的氧等離子體處理石墨烯，提高了多層石墨烯薄膜表面的含氧基團，促進了電子轉(zhuǎn)移，并首次對化學氣相沉積生長功能化多層石墨烯的電化學性能進行了研究。石墨烯表面電子轉(zhuǎn)移行為表明，處理過的多層石墨烯可以替代商品化熱解石墨(BPPG)電極用于電化學分析，特別是對電極表面氧功能基團敏感的分析物，如DA，NADH，AA，UA的檢測。此外，石墨烯以兩親功能分子柱芳烴(AP5)[5]和AuNPs(RGO—AP5—AuNPs)修飾，顯示出超分子選擇性識別和富集DA分子的能力[26]。以二乙三胺五乙酸修飾的石墨烯螯合Tb離子(RGO—DTPA—Tb)傳感器，由于其良好的協(xié)同作用，以及與金屬納米顆粒、金屬氧化物，或?qū)щ娦跃酆衔锿ㄟ^靜電作用的有效結(jié)合，可用于DA高度敏感識別的光學、電化學雙探頭，促進了石墨烯基材料在生物醫(yī)學檢測中的應用[27]。

RGO—金屬氧化物納米復合材料，對DA的氧化也顯示出較高的電催化活性。Yang A K等人[28]利用烷基磺酸鈉功能化石墨烯納米片和SnO2納米粒子構(gòu)建了DA傳感器。Salamon J和Zhang W X等人[29,30]分別報道了基于Fe3O4—石墨烯納米復合材料的DA電化學檢測系統(tǒng)，所制備的石墨烯復合材料修飾電極比堆疊石墨烯—Au顯示出更高的電化學響應，這歸因于其更大的活性形態(tài)區(qū)。

基于導電聚合物和石墨烯或GO納米結(jié)構(gòu)材料高的電導率，長期穩(wěn)定性，優(yōu)良的電化學性能和生物相容性，聚吡咯(PPy)—石墨烯為基礎(chǔ)的復合材料已被用于DA的檢測。Au@PPy/RGO納米復合材料修飾電極，對DA檢測表現(xiàn)出顯著的性能，線性范圍為0.1～5 000 nmol/L，檢測限低至18.29 pmol/L[31]。Rodthongkum N等人[32]利用石墨烯/PANI/PS高度敏感的納米纖維結(jié)構(gòu)發(fā)展了DA電化學檢測系統(tǒng)。石墨烯/PANI/PS納米纖維修飾電極產(chǎn)生的響應電流，高于PANI/PS修飾電極約4倍，表明石墨烯基納米纖維可以有效促進電子傳遞。PEDOT摻雜GO被用于研究其表面DA,AA和UA的電化學氧化行為。GO/PEDOT和DA間靜電相互作用促進了DA 的選擇性檢測，能夠在AA共存下選擇出DA信號。Wang W T等人[33]所報道的PEDOT/RGO納米復合材料對DA的檢測顯示出比PEDOT/GO更好的電化學性能。本文制備的石墨烯—水溶性磺酸基卟啉納米復合材料修飾電極在AA共存下，也實現(xiàn)了DA的高靈敏檢測[34]。

1.4 AA和UA的檢測應用

AA是一種重要的保護人類免受氧化應激的抗氧化劑。Song J等人[35]發(fā)展了AuNPs/GO納米復合材料應用于人血清和藥物中AA檢測的電化學生物傳感器。Liu B D等人[36]使用NiO/石墨烯納米復合膜修飾電極，結(jié)合Ni(Ⅱ)的催化性能選擇性地檢測AA的氧化。Fe2O3/石墨烯納米復合材料修飾電極在UA的存在下用于檢測AA。與純Fe2O3和純石墨烯材料相比，復合材料修飾電極對AA的氧化顯示出高催化活性。Ma Y等人[37]制備的3D石墨烯泡沫/花狀納米CuO修飾電極直接用于AA的檢測，靈敏度達到2 060 μA/(mmol/L cm2)，響應時間小于3 s。3D石墨烯泡沫結(jié)構(gòu)有利于收集電流、傳輸物質(zhì)和負載生物活性化合物?；頒uO納米結(jié)構(gòu)進一步增加了傳感活性區(qū)，催化了AA的氧化。此外，基于石墨烯/CuPc/PANI納米復合材料的AA電化學傳感平臺在較低的電位下也顯示對AA優(yōu)異選擇性的催化氧化[38]。

除DA和AA外，靈敏、可靠的UA低濃度檢測在臨床研究中也非常重要。近期，研究者沒有使用任何膠試劑，僅以ERGO作為電極材料修飾ITO電極檢測了UA。研究表明，即使在AA大量存在下，ERGO/ITO電極也可以穩(wěn)定選擇性地測定UA[39]。Zhang Z P等人[40]采用易控制的電還原技術(shù)制備了含有各種氧功能基團的ERGO膜，研究了ERGO修飾電極上氧功能化的電化學性質(zhì)，揭示了UA氧化的電催化機理。研究顯示，ERGO電極膜上含氧基團的量對UA氧化電流響應是一個重要的決定因素。Yan H L等人[41]利用商品羧基化石墨烯(CG)通過陰極電化學還原制備了電還原ERCG，將電化學合成的PSA修飾于ERCG表面。PSA/ERCG/GCE電極成功應用于尿樣中異煙肼和UA的同時檢測。石墨烯的表面修飾不僅限于含氧官能團的變化，也涉及表面電荷的調(diào)整。將陽離子聚合物PDDA引入到石墨烯表面，對石墨烯的電催化反應發(fā)揮了非常重要作用。正電荷的PDDA—石墨烯克服了納米片的聚集，增強了UA的響應電流。

1.5 NADH的檢測應用

NADH是代謝過程必不可少的輔酶，NAD+/NADH氧化還原電對參與了生物系統(tǒng)數(shù)百個酶促反應，并作為輔助因子在300多個脫氫酶的每一個細胞電子傳遞鏈中發(fā)揮著重要作用。然而，NADH的氧化在常規(guī)電極上過電位較高，直接氧化要求在+0.6 V(SCE)。此外，NADH的電化學氧化是不可逆的，常常導致電極反應滯后。石墨烯基電極材料在解決這些問題上表現(xiàn)出巨大的應用潛力，實現(xiàn)了NADH在低過電位下的電化學檢測。Govindhan M等人[42]報道了無任何氧化還原媒介和酶援助的快速、高選擇性和穩(wěn)定的β—腺嘌呤二核苷酸電化學傳感平臺，常見的干擾物，如谷胱甘肽、葡萄糖、AA幾乎可以忽略。Tabrizi M A等人[43]以NADH為還原劑，經(jīng)溫和的水熱過程環(huán)境友好一鍋法還原合成了RGO。電化學實驗表明RGO/GCE對NADH的氧化在+0.35 V表現(xiàn)出良好的電催化活性。通過循環(huán)伏安法將ERGO/聚硫堇(polysulfide cordierite)沉積于GC電極上，制備的安培型生物傳感器，在+0.4 V對NADH的氧化表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。Li Z L等人[44]設(shè)計了石墨烯—DNA—多面體Au納米復合材料修飾Au電極，應用于NADH高靈敏檢測，電位降至+0.28 V(Ag/AgCl)，檢測限低至1 fmol/L。

石墨烯基電極材料除了在酶和非酶生物傳感器領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應用潛力，在其他類型的生物傳感器，包括以DNA和RNA鏈間反應為基礎(chǔ)的核酸生物傳感器，以及基于抗原和抗體特異性結(jié)合為基礎(chǔ)的免疫傳感領(lǐng)域均發(fā)揮了重要作用。石墨烯為基礎(chǔ)的電化學傳感器也用于檢測其它分析物，如氣體(NO,NH3)、環(huán)境污染物(對苯二酚、鄰苯二酚、肼、重金屬離子等)、藥物(尼莫地平、蘆丁、對乙酰氨基酚等)，以及甲醇、乙醇、TNT和農(nóng)藥等。限于篇幅，本文不再贅述。

2 結(jié)束語

基于石墨烯基納米復合材料大的比表面積，高的導電性，優(yōu)良的電催化活性以及良好的生物相容性，作為生物傳感器材料已廣泛用于葡萄糖,H2O2，DA，AA，UA，NADH，DNA，RNA以及抗原等生物分子的檢測。通過結(jié)構(gòu)控制、表面功能化以及雜原子的化學摻雜等，賦予了石墨烯基電極材料更好的性能。此外，通過引入金屬納米粒子、金屬氧化物以及導電聚合物，進一步拓展了其在生物傳感領(lǐng)域中的應用。本文簡要介紹了石墨烯基納米復合材料在非酶電化學傳感領(lǐng)域中的最新應用進展。以石墨烯為基礎(chǔ)的非酶電化學生物傳感器在生物活性物質(zhì)檢測中表現(xiàn)出令人滿意的生物相容性，以及靈敏性高、線性范圍寬、檢測限低、長期穩(wěn)定性好等顯著性能。