章瀟慧

納米科學(xué)技術(shù)是當(dāng)前科學(xué)與工業(yè)探索中最引人注目的前沿亮點。自20世紀(jì)80年代末發(fā)展以來，它逐步為人類帶來了新的產(chǎn)業(yè)革命，并且受到了廣泛的關(guān)注。作為最尖端的技術(shù)，它已經(jīng)促使材料、生物、信息、環(huán)境、能源等所有領(lǐng)域發(fā)生大的變革，并已經(jīng)貢獻(xiàn)于現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)。在納米材料與技術(shù)的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，利用納米技術(shù)來解決和研究生物學(xué)相關(guān)問題，由于涉及到生命最本質(zhì)的問題而顯得格外重要，具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。

納米生物傳感器是納米生物材料的重要研究領(lǐng)域，相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究、器件組裝、性能測試與推廣應(yīng)用受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。目前基于不同納米材料研制的生物傳感器相較于傳統(tǒng)的檢測方法已顯現(xiàn)出靈敏度高、響應(yīng)快、操作簡便和低成本等優(yōu)勢，并且已經(jīng)應(yīng)用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷，有望在基因組、動物克隆、人造細(xì)胞、人造器官、創(chuàng)造生命和攻克癌癥頑疾等多個領(lǐng)域取得突破。

石墨烯作為一種新型的二維原子晶體，以超高的比較面積（單層石墨烯比表面積理論計算為2 680m2/g）、良好的電導(dǎo)率、高的熱導(dǎo)率、超強(qiáng)的力學(xué)性能和良好的生物相容性，成為了構(gòu)建生物材料和生物傳感器的優(yōu)異平臺。目前基于石墨烯及其衍生物的生物傳感器研究，主要集中在電化學(xué)型和光學(xué)型2種。本文將綜述石墨烯及其衍生物作為支撐材料或應(yīng)用平臺，提高和改善生物傳感器的性能方面的工作，在石墨烯及其衍生物在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用作出展望。

一、石墨烯簡介

2004年安德烈·海姆和克斯提亞·諾沃肖洛夫在實驗室首次成功獲得了石墨烯這種二維新型材料，6年后石墨烯的發(fā)現(xiàn)者獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

1.石墨烯的結(jié)構(gòu)

石墨烯的結(jié)構(gòu)可以描述為碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的1種炭質(zhì)新材料，它是1層被剝離的石墨片層，具有理想的二維周期結(jié)構(gòu)。其中的碳原子以六元環(huán)的形式周期地排列在石墨烯平面內(nèi)。單層石墨烯材料的厚度僅有0.335nm，相鄰2個碳原子之間距離為0.14nm。嚴(yán)格二維結(jié)構(gòu)的石墨烯是形成各種碳質(zhì)材料的基本單元。若石墨烯的晶格中存在五元環(huán)的晶格，就會使得石墨烯翹曲，當(dāng)有12個以上五元環(huán)的晶格存在時會形成富勒烯；同樣，碳納米管也可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。利用模板法制備、具有規(guī)則孔結(jié)構(gòu)的碳也可以看作是大量石墨烯卷成的，其孔道按照一定方式排列組成；而石墨則是由石墨烯片層堆積而成的具有層狀結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料典型代表。石墨烯名字來源于Graphite（石墨）+ Ene（烯），石墨本身就是由眾多石墨烯層層堆積而成的。

現(xiàn)在認(rèn)為，10層以內(nèi)由單層石墨片層組成的結(jié)構(gòu)可以定義為石墨烯，而大于10層的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該被稱為石墨薄膜。由此，石墨烯被分類為單層、雙層和多層（3～10層）。近年來，研究者已經(jīng)實現(xiàn)各種石墨烯結(jié)構(gòu)的可控制備。

2.石墨烯的性能

在很大程度上，材料的物理性能是其維度結(jié)構(gòu)展示。作為由單層碳原子組成的石墨烯，是嚴(yán)格的二維晶體材料。由于石墨烯簡單而靈活的結(jié)構(gòu)，決定了它在電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)和熱力學(xué)方面具有獨(dú)特的性能。

石墨烯的電學(xué)性質(zhì)與大多傳統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)的材料有巨大的區(qū)別，它是一種半金屬、零帶隙半導(dǎo)體材料，是目前已知的導(dǎo)電性能最出色的材料。由于石墨烯的嚴(yán)格二維結(jié)構(gòu)，而形成了零有效質(zhì)量的狄拉克-費(fèi)米子，具有類似光子的特性。石墨烯的出現(xiàn)為相對論量子力學(xué)現(xiàn)象的研究提供了一種重要的手段。

從傳導(dǎo)實驗得出的測量結(jié)果顯示石墨烯具有非常高的載流子遷移率，約為15 000cm2/（V·cm），遠(yuǎn)高于電子在硅中傳導(dǎo)的速度。更令人驚喜的是，這樣的高遷移率受溫度和化學(xué)腐蝕影響的程度很小。另一方面，石墨烯的電阻率極低，比銀還小，是世界上室溫電阻率最小的材料。石墨烯中電子跑的飛快，它的電子傳導(dǎo)速率為 8×105m/s，這雖然比光速慢很多，但是卻比一般半導(dǎo)體中的電子傳導(dǎo)速度快得多。

石墨烯特有的能帶結(jié)構(gòu)使空穴和電子相互分離，于是新的電子傳導(dǎo)現(xiàn)象的產(chǎn)生——不規(guī)則量子霍爾效應(yīng)。石墨烯的室溫霍爾效應(yīng)使原有的溫度范圍擴(kuò)大了10倍，表明其獨(dú)特的載流子特性和優(yōu)異的電學(xué)質(zhì)量。

石墨烯目前是人類所認(rèn)知強(qiáng)度最大的材料。若能制作出厚度相當(dāng)于塑料包裝袋（厚度約100nm）的石墨烯，那么需要施加約20 000N的壓力才能將其扯斷。這意味著石墨烯比鉆石還要堅硬。

石墨烯的特殊電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了高度不透明性，這只有一個原子大小厚度的晶體可以用肉眼直接觀察到。

二、石墨烯生物傳感器的研究現(xiàn)狀

在石墨烯及其衍生物的眾多優(yōu)異性能中，其超高的比較面積、良好的電導(dǎo)率、高的熱導(dǎo)率、超強(qiáng)的力學(xué)性能和良好的生物相容性，使其成為構(gòu)建生物傳感器的支撐材料和優(yōu)異平臺。本節(jié)將對石墨烯及其衍生物在電化學(xué)類及光學(xué)類生物傳感器的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀進(jìn)行簡要介紹。

1.石墨烯電化學(xué)生物傳感器

作為一個高度跨學(xué)科的領(lǐng)域，納米電化學(xué)生物傳感器件的研究已成為近年來最令人興奮的話題之一。眾所周知在電化學(xué)傳感領(lǐng)域中，電極材料是傳感器的關(guān)鍵組成部分，它在構(gòu)建高性能電化學(xué)傳感平臺檢測目標(biāo)分子中發(fā)揮著重要的作用。

石墨烯生物傳感器構(gòu)建的研究始于2008年，首次構(gòu)建的石墨烯生物傳感器為電化學(xué)型。Papakonstantinou等人利用石墨烯構(gòu)建了電化學(xué)型傳感器，他們發(fā)現(xiàn)由于石墨烯的快速電子轉(zhuǎn)移能力，有效促進(jìn)了電極附近氧化還原反應(yīng)的進(jìn)程。石墨烯修飾電極可以實現(xiàn)對多巴胺（DA）、抗壞血酸（AA）和尿酸（UA）的原位檢測。

下面將以安培型、電化學(xué)發(fā)光型、場效應(yīng)晶體管型、電化學(xué)阻抗型、光電化學(xué)型5種電化學(xué)生物傳感器件為例，介紹石墨烯及其衍生物在構(gòu)建電化學(xué)生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。

（1）安培型傳感器

在石墨烯及其衍生物構(gòu)建電化學(xué)型生物傳感器的研究中，安培型生物傳感器占了最大的比例。Shan等人率先證明了石墨烯可以作為增強(qiáng)材料，促進(jìn)葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOD）在電極表面發(fā)生直接電子轉(zhuǎn)移，從而使構(gòu)建的葡萄糖生物傳感器獲得更高的檢測性能。中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所的董紹俊小組，在基于石墨烯及其衍生物的電化學(xué)生物傳感器研究方面開展了深入研究。他們認(rèn)為石墨烯是一種有效的電極修飾材料，通過石墨烯的修飾，電化學(xué)電極可以獲得更高的比表面積和有效的電子轉(zhuǎn)移效率，從而提高安培型生物傳感器的性能。

具有高穩(wěn)定性和均勻形貌的石墨烯薄膜，通過電泳的方法被沉積到電極表面，可以實現(xiàn)對三硝基甲苯（TNT）的超高靈敏度檢測，其檢測下限達(dá)到0.2ppb。這一檢測下限，優(yōu)于其他碳材料構(gòu)建的TNT電化學(xué)傳感器。

化學(xué)摻雜是調(diào)控材料電學(xué)性能的有效手段，它是通過控制材料的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和元素組分中的局域電荷，實現(xiàn)基質(zhì)材料性能轉(zhuǎn)變的重要途徑。氮摻雜是增加石墨烯自由電子態(tài)密度和增強(qiáng)電導(dǎo)率的有效策略。Wang等人利用氮摻雜的石墨烯構(gòu)建了葡萄糖傳感器，證明了氮的引入，提高了電極的活性。與純石墨烯相比，氮摻雜的石墨烯更有效地促進(jìn)了GOD的快速直接電子轉(zhuǎn)移，構(gòu)建的葡萄糖傳感器的檢測下限為0.01PPb。

美國太平洋西北國家實驗室的Lin小組，也在石墨烯構(gòu)建安培型生物傳感器方面，作出了深入而突出的貢獻(xiàn)。他們證明了石墨烯及其衍生物可作為良好的載體，來承載大量的生物探針或者生物識別分子，進(jìn)行了高性能免疫傳感器及DNA傳感器的研究與構(gòu)建。他們構(gòu)建了一種新型的電化學(xué)免疫傳感器，在多酶放大效應(yīng)下，氧化石墨烯作為納米載體構(gòu)，實現(xiàn)了對磷酸化的P53超高靈敏檢測。該免疫傳感器對于磷酸化P53的檢測范圍在0.02×10-9～2×10-9mol/L之間，檢測下限為0.01×10-9mol/L。

石墨烯對DNA具有傳導(dǎo)以及保護(hù)的作用，Lin等人還設(shè)計構(gòu)建了一種適體/氧化石墨烯納米復(fù)合材料，并將其應(yīng)用到活體細(xì)胞分子檢測中。

（2）電化學(xué)發(fā)光傳感器

電致化學(xué)發(fā)光（Electrochemical luminescence，ECL）是結(jié)合了電化學(xué)與發(fā)光技術(shù)的一門學(xué)科，它包括了光發(fā)射過程中由電激發(fā)試劑產(chǎn)生的氧化還原反應(yīng)。與傳統(tǒng)的電化學(xué)方法相比，電化學(xué)發(fā)光傳感器靈敏度更高、檢測范圍更寬。

最初的石墨烯電化學(xué)發(fā)光傳感器，是利用Rb（II）[Ru（bpy）32+（1種電致發(fā)光試劑]，與石墨烯相結(jié)合來修飾電極，實現(xiàn)了對胺基有機(jī)物的定量檢測。Li等人發(fā)現(xiàn)在發(fā)光氨的條件下，石墨烯修飾玻碳電極（GCE）展示出了強(qiáng)烈的陰極電致激發(fā)化學(xué)發(fā)光行為。利用這一現(xiàn)象，他們發(fā)展了一種三明治結(jié)構(gòu)的免疫電化學(xué)發(fā)光傳感器，其可以在低電位下靈敏的檢測生物標(biāo)記的癌癥細(xì)胞。

（3）場效應(yīng)晶體管傳感器

當(dāng)今，大多數(shù)的生物分子檢測都依賴于光學(xué)的或者電化學(xué)的換能器，這需要熒光或者電化學(xué)的標(biāo)記。FET型的傳感器作為一種極具吸引力的替代方法，可以實現(xiàn)檢測的無標(biāo)記、快速響應(yīng)和高靈敏度。將石墨烯應(yīng)用于FET型傳感器正在成為新的研究熱點?；诓煌淖R別相互作用，石墨烯及其衍生物已經(jīng)作為襯底材料用于檢測DNA或者生物標(biāo)記等分析質(zhì)。

Chen等人利用石墨烯修飾的玻璃襯底構(gòu)建了大面積的石墨烯FET，并對DNA的雜化進(jìn)行了檢測，其靈敏度高達(dá)0.01×10-9mol/L，能力檢測到DNA雜化過程中單堿基的錯配。他們同時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過金（Au）顆粒的修飾，可以提高石墨烯晶體管對DNA雜化探測的-靈敏度。

由于適體比單鏈DNA或RNA具有更高的靈活性，Ohno小組發(fā)展了通過分子識別技術(shù)，基于適體修飾石墨烯FET型無標(biāo)記的免疫傳感器。Lee等人設(shè)計了一種石墨烯封裝納米顆粒作為襯底材料的FET型生物傳感器，實現(xiàn)了對乳腺癌關(guān)鍵生物蛋白的選擇性和靈敏性的檢測。

Chen等人利用石墨烯-Au納米顆粒復(fù)合材料作為襯底制備了高靈敏度與選擇性的FET型生物傳感器。Au納米顆粒與抗體通過非共價鍵連接在石墨烯表面，加入緩沖液阻斷了非特異性連接的可能。當(dāng)目標(biāo)蛋白質(zhì)加入檢測環(huán)境中時，蛋白質(zhì)的結(jié)合誘發(fā)了器件電導(dǎo)率的巨大變化。這種電阻上的巨大變化與目標(biāo)蛋白質(zhì)的濃度高度相關(guān)，于是FET生物傳感器的檢測下限可以低至1.3×10-13mol/L。

（4）電化學(xué)阻抗傳感器

與FET型傳感器相似，電化學(xué)阻抗型傳感器也可以對抗原抗體相互作用、親和素蛋白復(fù)合物和單聚核苷酸DNA相互作用進(jìn)行無標(biāo)記的檢測。Niu等利用電化學(xué)阻抗譜（EIS）技術(shù)進(jìn)行了無標(biāo)記DNA雜化檢測，通過測量負(fù)電荷的變化可獲得DNA構(gòu)象的轉(zhuǎn)變、固定及雜化等信息。

Pumera小組利用石墨烯修飾簪型DNA（hpDNA）探針，靈敏檢測了單核酸多肽性的阿爾茲海默癥。在這種檢測中，石墨烯作為換能器實現(xiàn)了EIS技術(shù)的靈敏響應(yīng)。電荷轉(zhuǎn)移阻抗的變化與阻抗譜的半徑相關(guān)，受到電荷表面修飾方法的強(qiáng)烈影響。這種石墨烯電化學(xué)阻抗傳感器可在0.3×10-12mol/L到0.3×10-9mol/L范圍內(nèi)線性檢測DNA的雜化。

（4）光電化學(xué)傳感器

光電化學(xué)型（PEC）傳感器是電化學(xué)傳感器中，一種新型的的分析方法。它的靈敏度可以與電化學(xué)發(fā)光傳感器相媲美，同時可在自驅(qū)動或低偏壓條件下進(jìn)行檢測。光活性物質(zhì)（如半導(dǎo)體納米顆粒）常常用作增強(qiáng)材料來促進(jìn)光照條件下光電流的產(chǎn)生。然而，半導(dǎo)體的光電流效率常受到光生電子—空穴對復(fù)合率高的限制，降低了器件的低靈敏度。石墨烯可以作為一種優(yōu)異的電子受體材料，提高電子—空穴的分離效率。

Zhang等人率先報道了石墨烯敏化光電化學(xué)生物傳感器，通過層層組裝非共價結(jié)合的功能化石墨烯與CdSe納米顆粒，實現(xiàn)了對凝血酶的檢測。Pyr-PAA功能化的石墨烯與硒化鎘（CdSe）納米顆粒經(jīng)過層層組裝的過程，形成了PAA-G/CdSe納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，并修飾到ITO導(dǎo)電玻璃上。隨后功能化的適體與PAA-G/CdSe納米復(fù)合結(jié)構(gòu)通過-NH2進(jìn)行共價結(jié)合。當(dāng)對凝血酶進(jìn)行識別的時候，適體與凝血酶的復(fù)合產(chǎn)物阻礙了電子施主擴(kuò)散到電極表面，從而導(dǎo)致了光電流的降低。

北京科技大學(xué)康卓等利用還原氧化石墨烯（rGO）和納米氧化鋅（ZnO）陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)修飾光陽極，構(gòu)建了光電化學(xué)型生物傳感器。rGO/ZnO結(jié)構(gòu)相對于純ZnO結(jié)構(gòu)的光電流獲得了成倍的增長；隨著谷光苷肽（GSH）濃度的增大，rGO/ZnO結(jié)構(gòu)的光電響應(yīng)成線性遞增；常見化學(xué)、生物干擾物質(zhì)以及金屬離子均未對構(gòu)建器件的光電流顯著影響。