（伊犁師范學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，新疆伊寧835000）

近年來，功能化的納米材料引起了研究者的廣泛關(guān)注，其中，金納米顆粒因其獨(dú)特的電子、光學(xué)、熱性能以及在物理、化學(xué)、生物學(xué)、藥學(xué)和材料科學(xué)中的特性受到青睞。尤其在分析化學(xué)領(lǐng)域，功能化的金納米顆?？捎糜谥圃旄鞣N靈敏度高、選擇性好、可靠性高、成本低、性能優(yōu)異的電化學(xué)傳感器（圖1），對信號起到增強(qiáng)、放大的作用。

圖1 電化學(xué)傳感器的原理Fig.1 Principle of electrochemical sensor

金納米顆粒作為一種新型的電化學(xué)傳感介質(zhì)，結(jié)合適宜的配體修飾電極，不僅能促進(jìn)檢測分子與電極之間的電子轉(zhuǎn)移，而且能提高體系的靈敏度、催化性與檢測限。另外，金納米顆粒能固定活的生物細(xì)胞，保留其生物活性，為生物分子提供適宜的微環(huán)境，放大電化學(xué)傳感器的分析信號。

金納米顆粒因其良好的生物兼容性，可用于酶、蛋白質(zhì)和DNA 的檢測?；诮鸺{米顆粒，結(jié)合電化學(xué)測量手段可實(shí)現(xiàn)重金屬離子的檢測，實(shí)時(shí)、在線解決環(huán)境問題?；诎┘?xì)胞的生物分析，將金納米顆粒用于醫(yī)療診斷可解決癌細(xì)胞檢測繁冗、費(fèi)用高、儀器貴等問題?；诮鸺{米顆粒，還可構(gòu)建比色傳感器、熒光傳感器、表面等離子體共振傳感器、表面增強(qiáng)拉曼散射傳感器等。作者在此介紹了金納米顆粒的合成與表面修飾，對金納米顆粒在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，擬為電化學(xué)傳感器的研究提供新策略。

1 金納米顆粒的合成與表面修飾

1.1 金納米顆粒的合成

自Schmid和Brust等突破性報(bào)道金納米顆粒的合成后，目前已發(fā)展了多種金納米顆粒合成方法。金納米顆粒在制備過程中受到各種因素的影響，包括pH 值、保護(hù)劑用量、反應(yīng)溫度、試劑濃度、外界條件等。Park等［1］通過控制金離子與穩(wěn)定劑十二烷基硫酸鈉（SDS）的比值R和超聲波功率，合成了多種形狀和尺寸的金納米顆粒，當(dāng)R＝1時(shí)，金納米顆粒平均粒徑為18nm，顯示球形或者三角形；當(dāng)R＝0.2時(shí)，平均粒徑為10nm，也顯示球形或者三角形；當(dāng)R＝0.1時(shí)，粒徑繼續(xù)減小，顯示為桿狀或圓盤狀。Sugano等［2］采用無閥微泵混合脈沖法制備金納米顆粒，其粒徑隨頻率的增大而增大，50 Hz、100 Hz、200 Hz對應(yīng)的平均粒徑分別為11.2nm、16.1nm、22.8nm。Jiang等［3］利用（110）晶面，通過種子生長法合成了五星形多面體的金納米顆粒，通過改變生長液的濃度來調(diào)整金納米顆粒的粒徑，合成的金納米顆粒對提高催化、能量轉(zhuǎn)換等具有十分重要的意義。L?hde等［4］在200～800 ℃下，通過氣溶膠輔助合成了不同粒徑的金納米顆粒。

金納米顆粒根據(jù)其分散性可分為多分散性金納米顆粒和單分散性金納米顆粒。單分散性金納米顆粒的合成方法主要有離心沉降法、相轉(zhuǎn)移法、還原劑還原法（檸檬酸鈉還原法、抗壞血酸還原法、鞣酸－檸檬酸鈉還原法、白磷還原法）、種子生長法和電泳法等。

還原劑還原法是制備金納米顆粒最常用的方法，通過改變還原劑和保護(hù)劑的用量來有效控制金納米顆粒的粒徑。以還原能力較強(qiáng)的檸檬酸鈉為例，將其與氯金酸（HAuCl4）溶液混合，剛開始時(shí)，只有部分金離子（Au－）被還原成金原子（Au），隨著反應(yīng)的進(jìn)行，逐漸形成金核，金核的粒徑很小，具有很大的表面能；當(dāng)金原子形成穩(wěn)定的晶核時(shí)，會將檸檬酸根負(fù)離子吸附到表面，阻礙AuCl－4與金核的進(jìn)一步接觸，防止金核的過生長；繼續(xù)加入檸檬酸鈉，兩者的接觸面逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致金納米顆粒粒徑逐漸減?。环磻?yīng)停止后，金納米顆粒表面吸附的檸檬酸根負(fù)離子有效阻止了顆粒間的團(tuán)聚，避免其二次生長。但檸檬酸鈉用量過多時(shí)會因?yàn)榇罅康拟c離子與金納米顆粒表面的檸檬酸根負(fù)離子發(fā)生中和反應(yīng)而減小顆粒間的斥力，加速團(tuán)聚。

種子生長法主要用于合成粒徑比較大的金納米顆粒。該方法是用預(yù)先合成的單分散小顆粒（505nm）作為晶種，加入氯金酸溶液、羥胺、還原劑，促使金離子自行還原，從而實(shí)現(xiàn)金納米顆粒的二次生長，通過控制氯金酸與晶種的比例，可合成不同粒徑的顆粒。反應(yīng)完成時(shí)，需加入適量的穩(wěn)定劑［如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）］，防止因粒徑過大而導(dǎo)致聚沉。

1.2 金納米顆粒的表面修飾

眾所周知，金納米顆粒是由金鹽在水溶液、有機(jī)相或者兩相中的化學(xué)反應(yīng)合成，若沒有修飾劑保護(hù)，表面能極高的金納米顆粒易發(fā)生團(tuán)聚或表面鈍化，應(yīng)用到電化學(xué)傳感中很難觀察到響應(yīng)信號。因此，對金納米顆粒的表面修飾一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

萬菁等［5］利用Au－S之間的鍵合作用，將肝素鈉固定到金納米顆粒表面，通過肝素與蛋白質(zhì)之間的特異性作用以及金納米顆粒良好的生物相容性，為研究病毒、細(xì)胞分子、糖提供了一種媒介。Schofield等［6］用乳糖衍生物修飾金納米顆粒，通過比色法檢測霍亂毒素。Kong等［7］用半胱胺和硫基葡萄糖修飾金納米顆粒，通過X－射線或γ－射線照射癌細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)修飾后的金納米顆粒能有效提高對癌細(xì)胞的殺傷能力。

對于聚合物分子修飾金納米顆粒，由于低濃度的均聚物和嵌段共聚物即可有效穩(wěn)定金納米顆粒，所以聚合物修飾是目前應(yīng)用最多的金納米顆粒表面修飾方法。巰基、硫醇、羧基、氨基以及巰基衍生的一些配基基團(tuán)都可作為表面修飾劑，它們通過物理吸附或者共價(jià)鍵的方式形成較牢固的鍵合力，使金納米顆粒性質(zhì)趨于穩(wěn)定，再結(jié)合電化學(xué)測量手段達(dá)到檢測的目的。

對于樹型超大分子修飾金納米顆粒，由于其特殊的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，一般以氨基為端基基團(tuán)、聚酰胺－胺（PAMAM）樹狀大分子為模板對金納米顆粒進(jìn)行修飾，將金納米顆粒封裝于PAMAM 的內(nèi)部空腔，可保持金納米顆粒的穩(wěn)定性，再通過PAMAM 可控表面引入大量的功能性基團(tuán)，為生物檢測、分析化學(xué)、電化學(xué)傳感、材料改進(jìn)等領(lǐng)域提供了新策略。

對于生物分子修飾金納米顆粒，由于其良好的生物相容性和大的比表面積，可靈活應(yīng)用于生物分子的識別，包括生物鑒定、生物成像和生物傳感器等。例如，DNA 探針技術(shù)［8］是巰基化的DNA 鏈修飾到金納米顆粒上構(gòu)成納米金探針，可實(shí)現(xiàn)對寡核苷酸的比色檢測；若蛋白質(zhì)通過共價(jià)鍵物理吸附到納米金探針上，則可實(shí)現(xiàn)對蛋白質(zhì)的檢測。

2 金納米顆粒在電化學(xué)傳感中的應(yīng)用

金納米顆粒的高表面能和界面可控性提高了修飾分子在其表面的固定率、增強(qiáng)了分析信號，良好的生物相容性促進(jìn)了生物分子與電極之間的電荷傳遞，這些優(yōu)異的催化性能使得金納米顆粒在電化學(xué)傳感中得到廣泛應(yīng)用。金納米顆粒一般通過靜電吸附、共價(jià)鍵、電化學(xué)沉積等方法修飾電極，因此，金納米顆粒修飾的電化學(xué)界面是光電化學(xué)傳感器增強(qiáng)信號響應(yīng)的關(guān)鍵。

2.1 用于小分子的檢測

金納米顆粒已經(jīng)用于增強(qiáng)許多小分子（如葡萄糖、多巴胺、去甲腎上腺素、尿酸、亞硝酸鹽、抗壞血酸、氨基酸、蘋果酸、苯磷二酚等）的電化學(xué)檢測信號。

Willner等通過印跡金納米顆粒復(fù)合材料的交聯(lián)聚合來提高對TNT 的檢測靈敏度，此過程是TNT 和π－供體修飾電極之間的相互作用或者π－供體交聯(lián)金納米顆粒共軛到電極上，通過金電極上聚苯胺單元的橋接、金納米顆粒的電化學(xué)聚集檢測TNT，檢測限是2 nmol·L－1。Kannan等［9］利用1，6－己二硫醇連接的金納米顆粒和溶膠－凝膠修飾的電極，對尿酸進(jìn)行了電催化檢測，檢測限是1μmol·L－1。之后又通過羥胺增大金納米顆粒粒徑來提高其電催化活性，將2，5－二巰基－1，3，4－噻二唑（DMT）修飾到金電極上，通過共價(jià)鍵連接擴(kuò)大沉積面積的金納米顆粒來檢測尿酸的電催化活性，發(fā)現(xiàn)尿酸的氧化電位轉(zhuǎn)移到一個較小的正電位，而且其峰值電流增大，檢測限增加3倍多。

Wang等［10］用二硫蘇糖醇（DTT）、硫醇（DDT）和膠體金納米顆粒自組裝的混合單層膜修飾的金電極（圖2）對腎上腺素進(jìn)行電催化活性檢測，發(fā)現(xiàn)該電極具有極高的靈敏度和快速響應(yīng)性，其檢測限是60 nmol·L－1。

圖2 DTT、DDT與AuNPs自組裝修飾金電極Fig.2 Au Electrode modified by self－assembly of DTT，DDT and AuNPs

Liu等［11］將乙二胺連接金納米顆粒的電催化單層固定到預(yù)先處理好的玻碳電極上，對亞硝酸鹽進(jìn)行電催化活性檢測，發(fā)現(xiàn)該電極表現(xiàn)出靈敏的電化學(xué)響應(yīng)。這是因?yàn)?，金納米顆粒的尺寸效應(yīng)提供了一個較大的活性表面，其檢測限是45μmol·L－1（S／N＝3），線性范圍是1.3×10－4～4.4×10－2mol·L－1。該法已用于實(shí)際樣品中亞硝酸鹽的檢測。Xiao等［12］構(gòu)建了一種基于金納米顆粒的生物電催化系統(tǒng)（圖3），用于提高葡萄糖的檢測，該系統(tǒng)在葡萄糖氧化酶（GOx）和電極之間存在著高效的電子轉(zhuǎn)移。

圖3 基于金納米顆粒的生物電催化系統(tǒng)Fig.3 Biological eletrocatalytic system based on gold nanoparticles

具體過程是：1.4nm 的金納米顆粒被黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）修飾，然后FAD 修飾金納米顆粒上的載脂蛋白葡萄糖氧化酶（apo－GOx）和巰基化單層相連的金電極進(jìn)行重組，相對于功能化的金納米顆粒首先組裝到金電極上，隨后和apo－GOx 重組。結(jié)果表明，金納米顆粒促進(jìn)了酶的氧化還原中心和電極之間快速的電子轉(zhuǎn)移，電子轉(zhuǎn)移率約為5 000s－1。

2.2 用于重金屬離子／非金屬有毒物質(zhì)的檢測

重金屬離子／非金屬有毒物質(zhì)對環(huán)境和人類健康的危害已引起廣泛關(guān)注，因此，建立高效、靈敏、快捷、選擇性好的檢測方法具有十分重要的意義。有人對肼做了電解氧化，發(fā)現(xiàn)金納米顆粒修飾電極對肼表現(xiàn)出了極高的催化活性。Raj建立了一個對肼超靈敏的電化學(xué)檢測方法，具體過程是：用金納米顆粒自組裝到溶膠－凝膠衍生的三維硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)中，構(gòu)建修飾金電極，發(fā)現(xiàn)在沒有氧化還原介質(zhì)的情況下，相對于金電極，修飾金電極的過電位（約800 mV）顯著降低，峰電流明顯增大。該納米結(jié)構(gòu)的電化學(xué)平臺表現(xiàn)出極好的靈敏度，檢測限達(dá)到200pmol·L－1。

Ciftci等［13］報(bào)道了一種用于銅離子檢測的電化學(xué)傳感器（圖4）。具體過程是：用殼聚糖（Ch）包覆的金納米顆粒（Ch／AuNPs）修飾玻碳電極，以微分脈沖伏安法（DPV）測定電催化性能。由于金納米顆粒的特性，Ch／AuNPs所修飾的電極具有高的催化活性和大的比表面積，相對于未修飾的玻碳電極（GCE）和殼聚糖修飾的玻碳電極（Ch／GCE），Ch／AuNPs所修飾電極的峰電流顯著增大。在電流噪聲比為3∶1時(shí)，檢測限低至5×10－9mol·L－1，富集時(shí)間8min。

圖4 用于銅離子檢測的電化學(xué)傳感器Fig.4 Electrochemical sensor for detection of Cu2＋

Abollino 等［14］用金納米顆粒修飾玻碳電極（AuNPs／GCE），通過陽極溶出伏安法（ASV）對汞離子進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)AuNPs／GCE 較固體金電極具有較低的檢測限和較高的重復(fù)性。這是因?yàn)椋练e的金納米顆粒具有大的比表面積，從而提高了檢測靈敏度，同時(shí)金納米顆粒解決了金層不可逆污染問題，減少了記憶效應(yīng)。當(dāng)汞離子濃度為0～50μg·L－1時(shí)，AuNPs／GCE 靈敏度為3.5μA·L·μg－1，而固體金電極（SGE）為1.71μA·L·μg－1，汞離子的最低檢測限（LOD）是0.0015μg·L－1。

Dai等［15］報(bào)道了金納米顆粒修飾玻碳電極對砷離子的檢測，用線性伏安掃描法（LSV）所獲得的檢測限為0.0096×10－9。Lu等［16］研究了石墨烯、金納米顆粒和殼聚糖修飾的玻碳電極（GR－AuNPs－CS／GCE）對鉛離子的檢測，在信噪比為3 的情況下，檢測限達(dá)到

1ng·L－1。

2.3 用于癌細(xì)胞的檢測

目前，癌細(xì)胞早期診斷技術(shù)成本高且時(shí)間長，因此有必要發(fā)展一種成本效益優(yōu)化的技術(shù)，可以定性或定量地對癌細(xì)胞進(jìn)行早期檢測。最近，有研究者發(fā)展了一種檢測特異性腫瘤細(xì)胞的電化學(xué)平臺（圖5）。具體過程是：細(xì)胞表面的分子通過抗體與金納米顆粒共軛來識別，以氫的催化還原來提供對腫瘤細(xì)胞的檢測。

圖5 腫瘤細(xì)胞的電化學(xué)檢測平臺Fig.5 Electrochemical detection platform for tumor cells

Selwyna等［17］開發(fā)了一種對乳腺癌監(jiān)測的無標(biāo)記的電化學(xué)免疫傳感器，檢測限是5～75 U·mL－1，它是基于CA 15－3在血清中的水準(zhǔn)、癌細(xì)胞標(biāo)記物與金納米顆粒修飾的特異性抗體之間的相互作用對CA 15－3進(jìn)行監(jiān)測，金納米顆粒較大的比表面積可以提高反應(yīng)效率，較高的電導(dǎo)率可利用電化學(xué)阻抗譜（EIS）和恒電位儀為傳感器提供檢測信號，時(shí)刻反映病變狀態(tài)。

Annie等［18］開發(fā)了一種基于ENO1 作為肺癌細(xì)胞診斷標(biāo)記的電化學(xué)檢測平臺（圖6）。具體過程是：以anti－ENO1單克隆抗體在聚乙二醇（PEG）修飾的一次性絲網(wǎng)印刷碳電極（SPCE）上的物理吸附作為電化學(xué)檢測平臺，以金納米顆粒標(biāo)記的第二多克隆anti－ENO1聚集作為電化學(xué)探針信號，對ENO1 進(jìn)行檢測，其檢測限低至11.9fg。該傳感器中金納米顆粒的標(biāo)記優(yōu)于其它標(biāo)記是因?yàn)椋海?）提高了整個系統(tǒng)的電化學(xué)穩(wěn)定性；（2）使整個系統(tǒng)的構(gòu)造更簡單、明確；（3）金納米顆粒的生物相容性不妨礙其它生物分子的標(biāo)記。

圖6 肺癌細(xì)胞的電化學(xué)檢測平臺Fig.6 Electrochemical detection platform for lung cancer cells

金納米顆粒也可用于其它癌細(xì)胞的檢測。Yan等［19］報(bào)道了金納米顆粒修飾血癌K562細(xì)胞的電化學(xué)行為，此過程金納米顆粒促進(jìn)了電極和細(xì)胞活性中心的電子轉(zhuǎn)移。Du等［20］利用金納米顆粒固定活的As－PC－1細(xì)胞（胰腺癌細(xì)胞）在電極表面，發(fā)現(xiàn)該電極表現(xiàn)出不可逆的伏安響應(yīng)。

3 結(jié)語

金納米顆粒優(yōu)異的化學(xué)性能為電化學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)與研究提供了新策略。利用金納米顆粒的生物相容性將生物分子固定在襯底上，可以提高生物傳感器的穩(wěn)定性。利用金納米顆粒的催化性能，可以提高電化學(xué)傳感器的靈敏度與選擇性。此外，將金納米顆粒擴(kuò)展到其它功能性材料（如碳納米管、碳納米棒、碳納米線等），再結(jié)合量子點(diǎn)、石墨烯等新型材料，可以增強(qiáng)傳感器界面的光電響應(yīng)，提高檢測限與檢測范圍，更好地應(yīng)用于藥物檢測、環(huán)境檢測、生命分析等各個領(lǐng)域。

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