王 玨，付 東，鄭明明，張曉臣，闞 侃

（黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020）

前 言

重金屬離子（HMIs）被認(rèn)為是低密度高毒性的化學(xué)物質(zhì)的代表。由于其具有富集性和不可降解性，導(dǎo)致其對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康有巨大的威脅[1-3]。HMIs可以在生物圈中積累，并通過(guò)食物鏈匯入人體，從而惡化人類健康。當(dāng)HMIs進(jìn)入細(xì)胞后，會(huì)改變身體內(nèi)組織和器官的生命周期并造成不可逆損

傷[4-6]。

在絕大多數(shù)情況下，一些微量的HMIs是生物體所必須的，如鎂、鐵、鈷、鋅、銅、錳等。他們是合成生物體必要成分的主要元素，如葉綠素、血紅蛋白等[7,8]。這對(duì)于生物細(xì)胞的功能性很重要，如能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞信號(hào)傳遞等[9]。當(dāng)這些HMIs濃度很高時(shí)會(huì)脫離其所在的成分，并與其他的普通蛋白質(zhì)作用，從而導(dǎo)致生物毒性。HMIs的毒性機(jī)制表現(xiàn)為抑制酶作用、氧化應(yīng)激和抗氧化代謝受損等。這些機(jī)制通過(guò)自由基生成導(dǎo)致DNA損傷、脂質(zhì)過(guò)氧化、蛋白質(zhì)巰基耗竭從而影響人類健康[10]。而鎘、鉻、鉛、汞、砷等HMIs，即使在極低濃度下也會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生很強(qiáng)的毒性。他們會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)、免疫、生殖和消化系統(tǒng)的各種紊亂和病變[11]。

因此對(duì)環(huán)境和食品的HMIs含量監(jiān)測(cè)尤為重要。這就需要發(fā)展高靈敏性、高選擇性的HMIs檢測(cè)方法測(cè)定水體環(huán)境、生物樣本、土壤樣本等復(fù)雜基質(zhì)中的有毒有害HMIs。

電化學(xué)傳感器具有靈敏、快速、可同時(shí)檢測(cè)多種HMIs的特點(diǎn)。尤其電化學(xué)檢測(cè)設(shè)備輕便便宜、測(cè)試方法簡(jiǎn)單、操作難度低、預(yù)處理過(guò)程少及可以實(shí)現(xiàn)HMIs的原位檢測(cè)，因此成為一種重要的HMIs檢測(cè)手段[12,13]。電化學(xué)檢測(cè)的關(guān)鍵在于工作電極。目前，玻碳電極（G C E）已經(jīng)逐漸取代傳統(tǒng)的滴汞電極和貴金屬電極，因?yàn)镚CE更為便宜、穩(wěn)定、且不會(huì)造成二次污染。但是GCE也存在一定的弊端就是G C E對(duì)HMIs的選擇性和敏感性較差，無(wú)法應(yīng)對(duì)痕量HMIs的檢測(cè)。科研工作者們針對(duì)G C E改性進(jìn)行了大量的研究工作。這其中有機(jī)材料與生物材料由于具有豐富的富電子原子和富電子基團(tuán)，可以與HMIs發(fā)生配位和螯合作用，提高GCE電極的靈敏度并降低檢測(cè)極限，從而備受關(guān)注。本文綜述了有機(jī)與生物材料制備的電化學(xué)傳感器用于HMIs的檢測(cè)及其檢測(cè)增強(qiáng)機(jī)理。

1 有機(jī)聚合物改性電極

有機(jī)聚合物材料是優(yōu)異的HMIs電化學(xué)檢測(cè)材料。這些有機(jī)聚合物材料由于含有大量的N、S等富電子原子及-NH2、-SH等富電子基團(tuán)，通過(guò)孤對(duì)電子與HMIs發(fā)生配位或螯合作用，增強(qiáng)改性電極對(duì)HMIs的吸附和捕集效果，被廣泛應(yīng)用于HMIs的電化學(xué)檢測(cè)工作[14]。

1.1 導(dǎo)電聚合物改性電極

導(dǎo)電聚合物（CP）是一類特殊的有機(jī)聚合物材料。他們的單體經(jīng)過(guò)摻雜聚合后能夠使聚合物導(dǎo)電，因此可以用于制備改性電極材料。常用的C P包括聚乙炔（PAc）、聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PP y）和聚噻吩（PT h）[15]。CP價(jià)格低廉、制備工藝簡(jiǎn)單、導(dǎo)電性好，是優(yōu)異的改性電極材料。但是CP在聚合的過(guò)程中容易團(tuán)聚，這也是C P作為電極材料所面臨的主要問(wèn)題[16]。而設(shè)計(jì)CP的結(jié)構(gòu)，往往成為這類研究的關(guān)鍵。因此靜電紡絲法與硬模板法成為解決這一問(wèn)題的主要手段。通過(guò)靜電紡絲或是讓C P沿模板原位聚合賦予CP一定的結(jié)構(gòu)，可以有效地避免CP的團(tuán)聚。Promphet[17]采用靜電紡絲法，以石墨烯、PANI、聚苯乙烯（PS）為原料，通過(guò)調(diào)控溶劑T H F和DM F的比例，制備了G/PA NI/P S多孔納米纖維。石墨烯和PA NI良好的導(dǎo)電性能夠顯著提高多孔纖維對(duì)Pb2+和Cd2+的電化學(xué)敏感性。此外多孔結(jié)構(gòu)有利于HMIs的吸附，使G/PA NI/P S對(duì)Pb2+和C d2+檢測(cè)的LOD分別為3.30和4.43μg·L-1，檢測(cè)范圍為10～500μg·L-1。Deshmukh[18,19]以H2SO4摻雜PA NI，并采用循環(huán)伏安法將PA NI沉積到ITO玻璃上制備PANI/ITO電極。PA NI/I T O電極可以用于檢測(cè)Cu2+離子，而且具有電致變色的特點(diǎn)。在Cu2+的檢測(cè)過(guò)程中，電位為-0.5～1.4V的區(qū)間內(nèi)，PA NI/I T O電極材料在氧化過(guò)程中由淺黃色變?yōu)榫G色又逐漸變?yōu)樗{(lán)色，在還原過(guò)程中由藍(lán)色逐漸變?yōu)辄S色。同時(shí)，他們還用H2SO4摻雜的PA NI包覆單壁碳納米管（SWNTs）。以SWNTs為硬模板，賦予了PA NI管狀形貌。在PA NI循環(huán)檢測(cè)過(guò)程中，重復(fù)的嵌入脫出HMIs會(huì)導(dǎo)致PA NI的體積變大，機(jī)械穩(wěn)定性降低。而SWNTs機(jī)械強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、比表面積大，但是對(duì)金屬離子HMIs的敏感性和選擇性較低。以SWNTs作為導(dǎo)電骨架，采用螯合劑E D TA對(duì)PA NI改性，發(fā)揮E D TA對(duì)HMIs的螯合作用，使制備的E DTA-PA NI/SWNTs用于D P V檢測(cè)，且不受Pb2+、C d2+、Ni2+、C o2+等離子的干擾。EDTA-PA NI/SWNTs對(duì)Cu2+的LOD為1.4μM，靈敏度為189 mA/μM。Suvina[20]在還原氧化石墨烯（rGO）水溶液中，原位聚合了吡咯單體，得到了PPy/rGO水凝膠復(fù)合材料。他們將HCl加入到檢測(cè)溶液中，作為PP y的摻雜劑，增加PP y的導(dǎo)電性。由于PP y本身具有大量的N原子，可以與HMIs產(chǎn)生配位作用。因此這種PPy/rGO復(fù)合材料對(duì)HMIs有較好的檢測(cè)效果。PP y/rGO水凝膠復(fù)合材料對(duì)Pb2+的L O D為0.3 n M，檢測(cè)范圍為0.5～5000 n M。

也有一些研究者將研究的重點(diǎn)放在如何進(jìn)一步增加C P的活性位點(diǎn)，使其對(duì)痕量HMIs有更好的檢測(cè)效果。他們通過(guò)篩選具有特定基團(tuán)的聚合物單體或攙雜劑，使C P對(duì)HMIs有更靈敏的響應(yīng)。Dai[21]以植酸（PA）摻雜PP y中，再通過(guò)靜電吸引復(fù)合氧化石墨烯（GO）制備HMIs傳感器。其中帶負(fù)電荷官能團(tuán)的PA對(duì)HMIs能夠產(chǎn)生靜電吸引，同時(shí)發(fā)揮PP y與GO的導(dǎo)電性能，將HMIs吸附在復(fù)合材料表面，并通過(guò)DPV進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)得Pb2+和Cd2+的L O D分別為0.41和2.13μg·L-1，檢測(cè)范圍為5～150μg·L-1。

1.2 非導(dǎo)電聚合物改性電極

非導(dǎo)電聚合物含有大量的與導(dǎo)電聚合物不同的活性位點(diǎn)與基團(tuán)，如羥基、酮基等，也可用于HMIs的吸附與捕集[22]。但是非導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率較導(dǎo)電聚合物低，通常非導(dǎo)電聚合物檢測(cè)HMIs的應(yīng)用為光化學(xué)傳感器。通過(guò)非導(dǎo)電聚合物的孤對(duì)電子吸附HMIs，降低孤對(duì)電子的躍遷效應(yīng)，從而改變其紫外-可見(jiàn)光區(qū)的吸收峰強(qiáng)度，獲得被檢測(cè)HMIs的種類與濃度等信息[23]。如果將非導(dǎo)電聚合物應(yīng)用于電化學(xué)傳感器則需要將非導(dǎo)電聚合物涂覆在導(dǎo)體基材上或?qū)Ψ菍?dǎo)電聚合物進(jìn)行表面改性來(lái)增強(qiáng)其導(dǎo)電性能。同時(shí)利用非導(dǎo)電聚合物的基團(tuán)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)其對(duì)HMIs的電化學(xué)檢測(cè)。楊婷[24]將超支化的聚苯硫醚溶解在四氫呋喃中并滴于鉑片電極表面，形成超支化聚苯硫醚單層膜電極。將該電極作為工作電極在不同種類和濃度的HMIs溶液中測(cè)試其電容，利用電容數(shù)值的變化來(lái)反映離子濃度的變化。該電極對(duì)Cu2+、Z n2+和Pb2+均有響應(yīng)，且離子濃度變化可用電容的定量變化標(biāo)定，因此可用于HMIs的定量檢測(cè)。許春萱[25]將G O分散在DM F中滴在GCE表面制備了GO/GCE電極。然后將GO/GCE電極在蘇木精溶液中進(jìn)行循環(huán)伏安掃描，通過(guò)電沉積法得到聚蘇木精/氧化石墨烯修飾電極（HMGO/GCE）。利用聚蘇木精大量的-OH，提高了C d2+和Pb2+的電化學(xué)響應(yīng)。其對(duì)C d2+和Pb2+的檢測(cè)范圍為0.01～1μM，檢測(cè)極限分別為1和8 n M。楊瀾[26]將G O溶液滴涂于G C E表面形成GO/GCE電極，然后采用吸附自聚法，將GO/GCE電極插入多巴胺溶液，使多巴胺在GO/GCE電極表面自聚合，干燥成膜后得到P D A-GO/GCE改性電極。利用多巴胺的親水性與高粘附性，增強(qiáng)了P D A-GO/GCE改性電極與HMIs的結(jié)合能力。 DA-GO/GCE改性電極測(cè)得Cu2+的檢測(cè)極限為0.02μg·L-1，檢測(cè)范圍為0.1～30μg·L-1。Hassan[27]以1,2-二氨基蒽醌單體為原料合成聚1,2-二氨基蒽醌（P1,2-D AAQ）。P1,2-D AAQ具有大量的-N H2和酮基，因此P1,2-D AAQ對(duì)HMIs具有強(qiáng)力的螯合作用，如圖1。所以P1,2-D AAQ對(duì)H g2+、Cu2+、Pb2+和C d2+均有較好的檢測(cè)效果。其LOD分別為0.26、1.94、0.58和0.3μg·L-1，檢測(cè)范圍為0～120μg·L-1。

圖1 P1,2-DAAQ與HMIs的相互作用機(jī)理[27]Fig.1 The interaction mechanism of P1,2-DAAQ and HMIs[27]

近幾年，石墨相氮化碳（C3N4）作為一種半導(dǎo)體聚合物材料被廣泛關(guān)注，由于C3N4含有大量的N活性位點(diǎn)及殘存的-N H2，非常適用于HMIs的檢測(cè)[28]。C3N4通常采用熱聚合法將尿素、雙氰胺等富氮前驅(qū)體經(jīng)高溫煅燒而制得。但是C3N4直接熱聚合通常得到塊體材料，這導(dǎo)致C3N4的活性位點(diǎn)無(wú)法完全暴露而使C3N4的電化學(xué)活性降低。此外，C3N4的導(dǎo)電性能較差，活性位點(diǎn)與HMIs吸附后無(wú)法快速的轉(zhuǎn)移電子。這些都是制約C3N4成為改性電極材料的關(guān)鍵問(wèn)題。一些研究者針對(duì)C3N4體積效應(yīng)的缺點(diǎn)，將C3N4剝離成薄片狀，這在一定程度上緩解了C3N4的導(dǎo)電性能差的問(wèn)題[29]。為了增加C3N4的活性位點(diǎn)，他們采用B i[30]、PA NI[31]、E D TA[32]等活性材料修飾C3N4，或是直接將C3N4官能化[33]等手段，增強(qiáng)C3N4對(duì)HMIs的吸附能力。為了進(jìn)一步增強(qiáng)C3N4的利用率，雜原子摻雜和納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為C3N4的主要研究方向。

Wang[34]以三聚氰胺和三聚硫氰酸為原料，采用誘導(dǎo)蒸發(fā)輔助超分子自組裝法制備了三聚氰胺-三聚硫氰酸前驅(qū)體。通過(guò)調(diào)控?zé)峋酆戏磻?yīng)的條件，得到了S摻雜多孔管束狀的C3N4（STB）。三聚硫氰酸在熱聚合過(guò)程中會(huì)保留一定的S原子和-S H基團(tuán)，有效地增加了STB的活性位點(diǎn)。此外，為了改善STB導(dǎo)電性差的問(wèn)題，將質(zhì)子化的石墨烯納米片（Gs）與STB靜電組裝得到STB/Gs復(fù)合材料，如圖2。他們發(fā)現(xiàn)STB呈現(xiàn)介孔-微孔的分級(jí)孔結(jié)構(gòu)。這種分級(jí)孔結(jié)構(gòu)中的介孔有利于電解液在STB/Gs之間的快速滲透，微孔有利于HMIs的捕集。并發(fā)現(xiàn)了沉積與溶出過(guò)程中三嗪?jiǎn)卧獌?nèi)電子的轉(zhuǎn)移規(guī)律。STB表面的G s，在STB捕集HMIs后能夠快速轉(zhuǎn)移STB的電子，實(shí)現(xiàn)HMIs在材料表面的快速氧化還原，因此具有優(yōu)異的HMIs檢測(cè)性能。

圖2 STB/Gs復(fù)合材料的制備流程[34]Fig.2 The preparation process of STB/Gs composite[34]

Xiao等[35]以三聚氰胺為原料，在500℃下熱聚合制備了C3N4。然后他們將C3N4研磨成粉末后放入N2保護(hù)的管式爐中，520℃又處理了3h。從而獲得了具有N缺陷的C3N4（N-deficien t-C3N4）。為了進(jìn)一步增加活性位點(diǎn)，他們采用經(jīng)典的檸檬酸還原法，將N-deficien t-C3N4溶于HAuCl4中，并用檸檬酸鈉和NaBH4的混合溶液還原H A uC l4，得到表面具有約5 nm Au顆粒修飾的N-deficient-C3N4，記為Au/N-deficien t-C3N4。與通過(guò)摻雜增加活性位點(diǎn)不同的是，他們通過(guò)制造缺陷增加C3N4的活性位點(diǎn)。C3N4表面分散的納米A u粒子，一方面起到活性位點(diǎn)的作用，另一方面增加了C3N4的電子轉(zhuǎn)移路徑。通過(guò)A u與N-deficien t-C3N4協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了Pb2+的電化學(xué)檢測(cè)。他們還針對(duì)Au與N-deficient-C3N4協(xié)同機(jī)制的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，如圖3[35]。

圖3 Pb2+在Au/N-deficient-C3N4表面的協(xié)同催化機(jī)制Fig.3 Synergistic catalysis mechanism of Pb（II）on the surface of Au/N-deficient-C3N4

2 生物材料改性電極

氨基酸、肽、核酸、蛋白質(zhì)、酶等生物材料由于含有豐富的氧、氮、硫等原子，以及含氧、含氮、含硫的官能團(tuán)，它們可以通過(guò)金屬-配體之間的配位和螯合作用識(shí)別HMIs[36,37]。根據(jù)軟硬酸堿理論，N、S、P等軟堿對(duì)于C d2+、Pb2+、Cu2+、H g2+等軟酸具有較強(qiáng)的親和力，因此可以用于HMIs檢測(cè)。

Guo[38]以rGO、殼聚糖（CS）和聚-L-賴氨酸（PLL）通過(guò)循環(huán)伏安法電聚合制備rGO-CS/PLL改性電極。rGO起到導(dǎo)電劑的作用，能夠增強(qiáng)rGO-C S/PLL的電子傳輸速率；CS不但能夠起到粘接劑的作用，而且大量的-N H2，能夠與HMIs發(fā)生配位作用；PLL分散在rGO表面上，使其具有較大的活性面積、較強(qiáng)的吸附能力和獨(dú)特的絡(luò)合能力，能夠?yàn)镠MIs靶向吸附提供一個(gè)優(yōu)異的平臺(tái)，因此rGO-CS/PLL改性電極對(duì)HMIs具有優(yōu)異的檢測(cè)性能。經(jīng)過(guò)D PA S V測(cè)試，rGO-CS/PLL對(duì)Cd2+、Pb2+、Cu2+的L O D分別為0.01、0.02和0.02μg·L-1，檢測(cè)范圍為0.05～10μg·L-1。此外他們還對(duì)rGO-C S/PLL復(fù)合材料對(duì)C d2+、Pb2+、Cu2+三種離子的最大吸附量進(jìn)行了考察，分別為47.14、18.96和16.33 m g·g－1。靜態(tài)吸附試驗(yàn)證明G O-C S/PLL復(fù)合材料不僅可以用于HMIs檢測(cè)，還可以用作HMIs去除。

Zhang[39,40]課題組采用凍干法制備三維rGO，然后用苯胺單體原位聚合在3D-rGO表面制備3D-rGO@PA NI。他們將3D-rGO@PA NI滴在Au電極表面后，將A u電極浸沒(méi)在含DNA的磷酸緩沖溶液中12 h，將DNA錨定在3D-rGO@PA NI復(fù)合材料的PA NI表面，最終得到3D-rGO@PA NI-DNA分子探針。通過(guò)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)及胸腺嘧啶（T）的堿基對(duì)可以與H g2+實(shí)現(xiàn)特異性結(jié)合，形成T-H g2+-T金屬介導(dǎo)堿基對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)H g2+的高靈敏性和高選擇性檢測(cè)，如圖4[35]。雖然DNA對(duì)于H g2+離子具有高靈敏性和高選擇性，但是同時(shí)DNA也降低了阻滯層上的電子傳遞，導(dǎo)致電化學(xué)活性下降。與3D-rGO@PA NI相比，3D-rGO@PA NI-DNA分子探針的電子轉(zhuǎn)移電阻從0.65增加到0.75 kΩ。吸附10nMHg2+后，DNA中富含的游離T形成T-Hg2+-T雙鏈結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致構(gòu)象發(fā)生變化，使電子傳遞電阻增加到1.62 kΩ。其對(duì)H g2+的LOD為0.035 n M，檢測(cè)范圍為0.01～100 n M，且對(duì)H g2+檢測(cè)具有高度的再現(xiàn)性，檢測(cè)濃度的標(biāo)準(zhǔn)偏差值為4.5%。同時(shí)，他們以3D-rGO作為導(dǎo)電基體材料，利用3D-rGO比表面積大、電子傳遞快，傳質(zhì)速度快等特點(diǎn)，采用CS包覆rGO形成CS@3D-rGO復(fù)合材料。然后將DNA錨定在C S@3D-rGO表面形成C S@3D-rGO@DNA分子探針。核酸雜化的電化學(xué)DNA傳感器，具有特異性、選擇性、靈敏性、可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。CS的加入將配位作用引入分子探針，進(jìn)一步地提高其對(duì)H g2+的選擇性和靈敏性。C S@3D-rGO@DNA分子探針對(duì)H g2+的L O D降低至0.016 n M，檢測(cè)范圍為0.1～10 n M。

圖4 CS@3D-rGO@DNA電化學(xué)生物傳感器檢測(cè)Hg2+的原理圖Fig.4 Schematic diagram of Hg2+detection using electrochemical biosensor based on CS@3D-rGO@DNA

Seenivasan[41]以羰基二咪唑?yàn)榻宦?lián)劑，通過(guò)酰胺鍵和氨基甲酸酯鍵將半胱氨酸（CySH）與GO交聯(lián)形成CySH改性氧化石墨烯（sGO）。對(duì)然后采用循環(huán)伏安法將s GO和P y單體沉積到絲網(wǎng)印刷電極（SPE）上，得到sGO/PPy-SPE改性電極。CySH作為一種天然生物材料具有-COOH和-OH基團(tuán)，能夠與Pb2+發(fā)生配位作用形成金屬-配體配位鍵結(jié)構(gòu)，而GO/PPy具有比表面積大、傳電、傳質(zhì)速度快、電催化性能強(qiáng)、溶液電阻低、信噪比高等特點(diǎn)，因此可以作為CySH的載體材料。將CySH對(duì)Pb2+的強(qiáng)親和力、PP y的層狀孔結(jié)構(gòu)及GO導(dǎo)電能力復(fù)合，得到的到s G O/PP y復(fù)合材料對(duì)Pb2+具有高的選擇性和靈敏性。經(jīng)過(guò)E I S測(cè)試，GO-SPE、sGO-SPE和s GO/PP y-SPE的電子傳遞電阻分別為12.17、5.2和0.763 kΩ。G O-SPE的電子傳遞電阻較大歸因于G O表面的-COOH、-OH和C-O-C等官能團(tuán)阻礙了電子傳遞。加入PPy使sGO/PPy-SPE的電子傳遞電阻降到了最低。以DPASV法檢測(cè)Pb2+，檢測(cè)范圍為1.4～14000 pp b，LOD可達(dá)0.07 ppb。

3 展望

有機(jī)聚合物與生物材料由于具有豐富的富電子原子和富電子基團(tuán)可與重金屬離子發(fā)生配位和螯合作用，因此十分適合于制備重金屬離子檢測(cè)修飾電極。但是有機(jī)聚合物與生物材料也存在著一定的弊端，即導(dǎo)電性能較差、材料的規(guī)整度和可設(shè)計(jì)性較差。因此如何在不破壞生物材料功能的情況下對(duì)生物材料復(fù)合改性提高其導(dǎo)電性能是生物材料用于重金屬離子檢測(cè)的關(guān)鍵。而有機(jī)聚合物材料由于其容易團(tuán)聚，也會(huì)影響其重金屬離子的檢測(cè)性能，如何分散聚合物材料并設(shè)計(jì)聚合物材料的結(jié)構(gòu)也將是有機(jī)聚合物材料用于重金屬離子電化學(xué)檢測(cè)工作的研究重點(diǎn)。有機(jī)與生物材料克服這些弊端以后，也將獲得更加優(yōu)異的重金屬離子電化學(xué)檢測(cè)性能。