摘要：石墨烯作為新型的二維碳基納米材料，具有良好的導電性、較大的比表面積和較好的生物相容性。石墨烯及其復合物適合于構建酶電化學生物傳感器。本文介紹了石墨烯功能化的方法，并對石墨烯及其復合物在酶電化學生物傳感器方面的研究進行了綜述。

關鍵詞：石墨烯； 功能化； 酶； 電化學生物傳感器； 綜述

1引言

石墨烯（Graphene）是一種由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的新型碳材料。自從2004年由英國Manchester 大學的Geim研究組發(fā)現以來，石墨烯引起了強烈的反響和廣泛關注[1]。這種二維納米材料的基本結構單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán)，其厚度僅為一個碳原子的厚度（0.335 nm），是目前所發(fā)現的最薄的二維材料[2，3]。這種特殊的結構使得石墨烯表現出優(yōu)異的物理化學性質。石墨烯的理論比表面積高達2600 m2g4，其結構中長程有序的鵂繾詠峁故故┚哂杏乓斕牡既刃閱 （3×103 W（m·K））和力學性能（1.06×103 GPa）以及室溫下的高的電子遷移率（1.5×104 cm2（V·s））[4～6]。由于具有獨特的結構和優(yōu)異的性能，石墨烯已被廣泛應用于諸多領域[7～13]。

近年來，隨著對石墨烯結構、性質等方面的深入研究，其在電化學，尤其是生物電化學領域的研究日益受到關注[14～22]。由于具有優(yōu)良的導電性和電催化性能，石墨烯是制備酶電化學生物傳感器的一種理想的電極材料[23～25]。石墨烯良好的電學性質使其可以在電化學過程中有效地促進電子傳輸，提高生物傳感器的靈敏度和響應信號，縮短響應時間[26]。而且，石墨烯具有較大的比表面積可有效提高酶的負載量，由此改善傳感器的靈敏度等性能[27]。此外，石墨烯還具有良好的生物相容性，能夠保持負載酶的生物活性，有利于生物傳感器的穩(wěn)定[28，29]。目前，已有諸多綜述性文章從不同方面對石墨烯的合成、性質和應用等進行了評述，本文僅對石墨烯及其復合物在酶電化學生物傳感器領域中的新進展進行綜述。

2石墨烯的功能化

由于石墨烯化學穩(wěn)定性高，其表面呈現惰性狀態(tài)，致使其與其它介質的相互作用較弱，難以有效分散在極性或非極性的溶劑中。石墨烯片層間還存在較強的范德華力和痧相互作用，易發(fā)生不可逆的團聚，從而喪失其單層二維納米片的結構特性，妨礙了石墨烯的進一步研究和應用。因此，需要對石墨烯進行功能化修飾，提高其溶解性、穩(wěn)定性及其在基質中的分散性。通過功能化修飾引入特定的化學基團或其它功能性組分，還可賦予石墨烯更為獨特的性質，從而拓展了其應用領域[30～34]。

如圖1所示，石墨烯功能化方法主要集中以下3個方面：共價功能化、非共價功能化以及化學摻雜。共價功能化方法主要利用氧化石墨烯表面上以及石墨烯片層表面邊緣上所存在含氧官能團，諸如羥基、羧基或環(huán)氧基等的反應活性將化學基團或功能性分子選擇性鍵合于片層上[35]。利用這種方法所制備的材料盡管比較穩(wěn)定，但共價鍵的引入容易導致石墨烯部分性能的喪失。與共價功能化相比較，非共價功能化方法主要利用特定結構的功能性分子，例如具有大鴯查罱峁溝姆枷閾孕》腫印⒐查罹酆銜鎩⑸锎蠓腫右約氨礱婊钚約劣朧┘淶莫鶼嗷プ饔靡約胺兜祿?、抉g縵嗷プ饔謾⑹杷饔沒蚯餳仁迪質┑謀礱嫘奘為‐[36～38]。該修飾方法較為簡單且對石墨烯結構的破壞較小，可以最大程度保留石墨烯的本征特性。但是由于修飾分子或功能性組分與石墨烯間的相互作用力較弱，這類復合物的穩(wěn)定性相對較差。摻雜功能化是實現石墨烯功能化的重要途徑之一。利用這種方法可以有效調節(jié)石墨烯的電子結構，并改善其物理化學性質，從而實現石墨烯性能的優(yōu)化[39]。例如，通過氮摻雜不僅可使石墨烯顯示出n型半導體的導電特性，還能有效地改變石墨烯的電負性，從而有利于O2等小分子的吸附活化，進而促進其對O2的電催化還原[40]。

3石墨烯及其復合物在酶電化學生物傳感器中的應用

3.1基于有機小分子修飾石墨烯的酶生物傳感器

通過非共價修飾方法實現有機小分子對石墨烯的表面改性是石墨烯功能化的重要途徑之一。作為芳香性小分子，芘酸鹽等可以通過非共價的痧相互作用吸附于石墨烯表面。這種表面修飾不但可使石墨烯具有較好的水溶性，還可有效防止其不可逆團聚，保持較好的二維單層片狀結構[41]。Yue等[42]利用1，3，6，8芘四磺酸四鈉鹽（Tetrasodium 1，3，6，8pyrenetetrasulfonic acid， TPA）的非共價修飾方法制備了具有單片結構的水溶性石墨烯，并利用其與肌紅蛋白（Myoglobin， Mb）構筑了傳感器。該傳感器對NaNO2表現出良好的檢測性能，其檢測線性范圍為0.05～2.5 mmolL，檢出限為0.01 mmolL。表面活性劑分子也是非共價修飾石墨烯所常用的有機小分子。表面活性劑的親水、疏水基團各處于分子的兩端。當表面活性劑分子與石墨烯結合時，其憎水基團會通過疏水作用吸附于石墨烯表面，從而使石墨烯表現出水溶性和一定的電荷特性[43]。利用石墨烯的這種表面特點，可以實現其與酶的相互作用，構筑功能性化學修飾電極。Zeng等

3.5基于石墨烯碳納米管復合物的酶生物傳感器

石墨烯不僅能與傳統(tǒng)的納米粒子以及聚合物等形成復合物，還可以與其它的碳基納米材料（如碳納米管）形成復合物[101]。由于碳納米管和石墨烯之間不同維度的互聯(lián)可為電子傳遞提供傳輸網絡，從而使石墨烯碳納米管復合物呈現出更為優(yōu)越的電化學性質[102]。此外，由于化學還原方法所制備的石墨烯存在較多缺陷和含氧基團，會導致導電性較完美石墨烯降低。碳納米管與石墨烯的復合可在一定程度上補償材料的這種性能缺失。Zhang等[103]利用氧化石墨烯與碳納米管間的痧相互作用，通過自組裝方法制備了水溶性的氧化石墨烯碳納米管復合物，進一步固載辣根過氧化物酶構建了傳感器。Mani等[104]則通過氧化石墨烯碳納米管在玻碳電極上的電化學還原制備了石墨烯碳納米管復合物。這種復合材料不僅可有效保持負載葡萄糖氧化酶的生物活性，還可實現其與電極表面的快速直接電子轉移。與空白碳納米管電極相比較，酶在復合物修飾電極上呈現出更快的電子轉移速率以及更好的循環(huán)伏安響應信號。該傳感器對葡萄糖檢測的線性范圍為0.01～6.5 mmolL，檢出限低至4.7 靘olL，且具有良好的重現性和穩(wěn)定性。

3.6基于氮摻雜石墨烯的酶生物傳感器

氮原子由于具有與碳原子相近的原子半徑，可以作為電子供體對石墨烯進行摻雜。對石墨烯進行氮摻雜可以有效地調節(jié)石墨烯的電子結構，載流子濃度，從而使摻雜石墨烯表現出較更為優(yōu)異的性質。Wang等[103]利用N2等離子體處理化學還原法制備的石墨烯實現了氮摻雜石墨烯的制備。由于氮原子的摻雜，這種石墨烯可對H2O2還原表現出優(yōu)于常規(guī)石墨烯的電催化活性。摻雜石墨烯有效地促進葡萄糖氧化酶了與電極間的直接電子轉移，可在大量干擾物共存條件下依然表現出較低的檢出限（0.01 mmolL）。Wen等[104]通過一種簡單的同步合成方法制備了TiNN摻雜石墨烯復合物。TiNN摻雜石墨烯復合物修飾電極對NADH表現出優(yōu)異的電催化性能。與空白玻碳電極以及N摻雜石墨烯電極相比較，NADH在TiNN摻雜石墨烯復合物電極上的催化氧化電勢大大降低，而催化電流值也明顯增大。因此，基于復合物可以構建具有較好性能的乳酸脫氫酶生物傳感器。

4結論

由于石墨烯具有獨特的結構和優(yōu)良的性能（如較大的比表面積、較好的導電性、良好的生物相容性和電催化性能等），在酶生物傳感器研究中可展現出靈敏度高、選擇性好以及穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能。然而，在石墨烯基酶生物傳感器的進一步發(fā)展過程中仍存在亟待解決的問題。在材料方面，如何大規(guī)模制備結構、厚度和尺寸可控的高質量石墨烯仍是個挑戰(zhàn)；探尋新的修飾和功能化方法以制備具有特點且優(yōu)異功能的新型石墨烯復合物，是構建高性能酶生物傳感器的關鍵之一。在酶的固載方面，石墨烯大比表面積，可提高酶固載量。然而，關于酶在石墨烯基底上有效固載的研究較少，開發(fā)適宜的酶固載方法以提高負載酶生物活性，是一個值得深入研究的課題。在生物傳感應用方面，拓展傳感器的應用領域，探索其在實際樣品中實時監(jiān)測的可能性。此外，目前對于石墨烯基酶生物傳感器的研究多限于應用性能考察，迫切需要對石墨烯及其復合物的作用機制進行深入的研究，以明晰和理解石墨烯及其復合物與傳感性能間的構效關系?？傊鳛樾屡d的研究領域，石墨烯及其復合物在酶生物傳感器的相關研究方面有著廣闊的發(fā)展空間，必將隨著研究的深入取得長足進步。