孫曉玲， 韓海霞， 弓巧娟

（1.山西師范大學化學與材料科學學院，山西臨汾041000）（2.運城學院應用化學系，山西運城044000）

0 引言

石墨烯是碳以sp2雜化方式形成的準二維新型納米材料。該材料具有獨特的導電性，可促進電子的快速轉移，加快電極表面的反應過程[1]，相對于石墨（10 m2/g）和碳納米管（1315 m2/g）而言，石墨烯具有較大的理論比表面積（2630 m2/g），其表面的缺陷和含氧官能團等活性位點易被修飾[2]，從而賦予石墨烯某些優(yōu)異的性能，同時，石墨烯還具有良好的生物相容性[3]。作為單原子平面二維晶體，石墨烯具有雙極性，不管是電子供體還是電子受體均能導致石墨烯材料 “化學門控”[4]，故易被電阻型傳感器監(jiān)測到，同時由于碳原子可以直接與被分析物作用，使其在電化學傳感器方面相比于其他碳材料更具靈敏性。

該文主要介紹近年來基于石墨烯材料的電化學生物傳感器的研究進展，包括酶、大分子、小分子以及免疫傳感器等，并簡單討論了基于石墨烯的電化學傳感器材料的制備優(yōu)勢和面臨的挑戰(zhàn)。

1 石墨烯及其衍生物在電化學生物傳感器中的應用

1.1 生物小分子的檢測

1.1.1 非酶葡萄糖的檢測

Huang等[5]合成了一種3D NiO空心球與石墨烯氧化物的復合材料，該復合物修飾的電極材料對葡萄糖響應時間少于5 s，穩(wěn)定性高、再現性好，使低濃度的葡萄糖具有高的靈敏度（-2.04 mA/(mmol/L)cm2），顯著的性能可能是由于復合物獨特的3D分級多孔結構，能增加反應活性位置和電極穩(wěn)定性，使電子在NiO和rGO間直接轉移，加快了電子轉移速率。Yang等[6]利用Co3O4和石墨烯通過一步水熱法制備了具有分層多孔結構的Co3O4@石墨烯（Co3O4@G）微球，這種多孔結構提供了大量可接近的活性部位，石墨烯又提供了連續(xù)的電子通路，從而實現了Co3O4的高效電催化反應，使非酶葡萄糖檢測靈敏度高（628 μA/(mmol/L)cm2）， 選擇性好，穩(wěn)定性強， 檢測范圍在0.02～8 mmol/L，檢出限低至38 nmol/L(S/N=3)。

1.1.2 非酶H2O2的檢測

Wang等[7]采用化學氣相沉積法制備Au納米粒子修飾的石墨烯（AuNPs@Gr）/鎳泡沫納米復合材料（AuNPs@Gr/NiF），表現出高導電性、特殊表面積和結構強度，被用作電極構建H2O2電化學傳感器。結果表明，AuNPs在Gr/NiF表面均勻穩(wěn)定地分布，對H2O2表現出高的敏感性（47.4 μA/(mmol/L)cm2）、穩(wěn)定性和選擇性，檢測線性范圍 0.05～1.75 mmol/L，檢出限低至 1 μmol/L。 Chen等[8]構建了一種基于鉑納米粒子-碳量子點/離子液體功能化石墨烯氧化物（PtNPs-CDs/IL-GO）納米復合物的H2O2傳感器，該納米復合物獨特的結構提供了充足的活性位點，大大加速了H2O2的催化作用。結果顯示該傳感器具有較高的選擇性，寬的線性范圍（1～900 μmol/L），檢測下限為0.1 μmol/L。

1.1.3 DA、AA、UA 的檢測

T?g[9]利用銀納米顆粒（AgNPs）、石墨烯（GO）和聚L-精氨酸制備出可以單獨或同時檢測抗壞血酸（AA），多巴胺（DA），尿酸（UA）和 L-色氨酸（L-Trp）的生物傳感器，電流響應在4.0～2400.0 μmol/L AA，0.05 ～50.0 μmol/L DA，0.5 ～150.0 μmol/L UA，1.0～150 μmol/L L-TRP 有好的線性關系， 檢測限分別為 0.984 μmol/L，0.01 μmol/L，0.142 μmol/L 和 0.122 μmol/L， 同時還表現出穩(wěn)定性高、再現性好的優(yōu)點。Yan等[10]采用一鍋水熱法制備了rGO/Bi2S3復合物，并通過調節(jié)GO的用量實現了可調尺寸的納米復合材料的合成，再利用硫代乙酰胺作還原劑和硫源制備出rGO/Bi2S3-1/GCE傳感器檢測多巴胺，結果顯示該傳感器具有良好的穩(wěn)定性、再現性和選擇性，線性范圍在 0.01～40 μmol/L，檢出限為 12.3 nmol/L。

1.1.4 其他生物小分子的檢測

?zlem等[11]提出了一種利用多金屬氧酸鹽（H3PW12O40）功能化的還原型氧化石墨烯改進玻碳電極的新型伏安傳感器，并成功應用于加標血清樣品中L-絡氨酸和L-色氨酸的同時測定，線性范圍為 1.0×10-11～1.0×10-9mol/L，檢出限為2.0×10-12mol/L。Istrate等[12]將氧化石墨烯與烯丙胺鹽酸鹽沉積到絲網印刷電極表面，通過原位聚合法制得聚稀丙胺鹽酸鹽/石墨烯（PAH/GN）納米復合材料，顯著降低了煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的氧化過電位，在最佳實驗條件下，對NADH產生較強的電化學活性，并表現出高的速率常數和穩(wěn)定的響應濃度（0.8 mV），其靈敏度為108.6 μA/(mmol/L)cm2， 檢 出 限 為 6.6 μmol/L。Palanisamy等[13]研究了一種基于漆酶固定化石墨烯-纖維素超細纖維復合物修飾絲網印刷碳電極的新型漆酶生物傳感器，靈敏地測定鄰苯二酚，該傳感器在鄰苯二酚濃度為0.2～209.7 μmol/L范圍內有良好的線性關系，對鄰苯二酚的靈敏度為0.932 μA/(μmol/L)cm2,響應時間為 2 s，檢出限在0.085 μmol/L，同時還具有良好的選擇性和穩(wěn)定性，對水樣和環(huán)境中CC的監(jiān)測具有很大的潛力。

1.2 生物大分子的檢測

1.2.1 DNA的檢測

Fu等[14]制備了基于二極模式的接近石墨烯晶體管中性點的生物傳感器，能夠有效檢測DNA，檢出限低至2 pmol/L，在接近石墨烯晶體管的中點時，可以用于多層石墨烯裝置，有效改善信噪比。Loan等[15]采用化學氣相沉積法利用金作為轉換支撐層，制備了一種基于超凈無殘留的石墨烯薄膜的霍爾效應生物傳感器，能夠大幅度提高傳感器對DNA檢測的靈敏度，選擇性高，線性范圍為1 pmol/L～100 nmol/L，檢出限為 1 pmol/L，可對DNA分子整體部分進行檢測。Xu等[16]制備了厘米級的單晶石墨烯，構成一體化、小型化GFET多通道檢測DNA的生物傳感器，與光學傳感器相比，無論分子的大小如何，該傳感器對DNA檢測均具有高度靈敏性、親和性、重復性，可以實時定量區(qū)別單堿基突變，并且具有非常大的潛力用于集成陣列實現高通量多路的DNA雜交動力學和親和性的多重分析。

1.2.2 其他生物大分子的檢測

Li等[17]利用 chitosan/Ru(bpy)32+/silica/Fe3O4納米粒子作為發(fā)光材料，羧基功能化的石墨烯結合葡萄糖功能化的NiCo2S4納米粒子 （NiCo2S4-COOH-rGO@Glu）作為熒光淬滅探針，制備出一種穩(wěn)定性高、再現性好的淬滅電化學發(fā)光生物傳感器，能夠超靈敏的檢測伴刀豆球蛋白，在最佳條件下，線性響應范圍為0.5 pg/mL～100 ng/mL，檢出限在0.18 pg/mL(S/N=3)。Chiu等[18]利用石墨烯氧化物與特定肽適體結合，制備出一種基于GO-肽的表面等離子體共振（SPR）生物傳感器，對人的絨毛膜促性腺激素（hCG）蛋白具有良好的敏感性、親和性和特異性，GO-肽（1 nmol/L）芯片對hCG的檢測限是傳統芯片的16倍多，對妊娠早期異常和一些癌癥腫瘤的臨床檢測具有重要意義。

1.3 免疫生物傳感器應用

1.3.1 病毒和細菌檢測

Afsahi等[19]研究了一種高性價比、便攜式的石墨烯生物傳感器，通過高度特異性固定化單克隆抗體與石墨烯共價連接，利用這種單克隆抗體的場效應生物傳感實時定量檢測天然Zika病毒抗原，同時能提供非臨床生物物理動力學工具的高級定量數據，適應于臨床研究和可能的診斷應用，成為醫(yī)療發(fā)展的理想型診斷測試方法。Gong課題組[20]采用石墨烯-Nafion復合膜修飾玻碳電極制備出簡單而靈敏的阻抗式DNA生物傳感器測定HIV-1基因。該方法無需對DNA進行標記，在最優(yōu)條件下，Ret的減小值與目標寡核苷酸的對數呈良好的線性關系，檢出限低至2.3×10-14mol/L，對生物傳感和DNA納米結構框架的構建具有潛在的應用價值。

1.3.2 癌癥標記物檢測

Pal等[21]利用金納米粒子、石墨烯氧化物、單克隆抗PSA抗體制備出精確檢測前列腺特異性抗原（PSA）的免疫傳感器。前列腺癌細胞的免疫熒光染色確認了抗體的功能，電化學分析顯示該傳感器穩(wěn)定性高，對人血清中PSA選擇性高檢測準確，回收率為97.67%，檢測限低至0.24 fg/mL，信噪比為3，靈敏度為5.4 mA·fg/mL，為不同癌癥生物標志物在臨床醫(yī)學的檢測提供了可能。Tang等[22]研究了一種測定心力衰竭的生物標記物半乳糖凝集素-3的電化學免疫傳感器。他們首先在玻碳電極上固定N-GNPs-Fe-MOFs@AuNPs復合物，并將抗Gal-3固定在修飾玻碳電極的金納米粒子上，然后用牛血清白蛋白封閉，再利用一鍋法合成AuPt-MB納米復合物，構成AuPt-MB-Ab2/N-GNPs-Fe-MOFs@AuNPs-Ab1三明治結構，在最佳條件下，該免疫傳感器線性范圍為100 fg/mL～50 ng/mL，檢出限低至 33.33 fg/mL（S/N=3），并顯示出良好的重現性和穩(wěn)定性。

1.4 酶為基礎的生物傳感器應用

1.4.1 葡萄糖氧化酶傳感器

Zhao等[23]利用ZnO納米棒、石墨烯通過水熱生長法合成氧化鋅納米棒/石墨烯異質結構，并將其作為GOD固定電極，這種結構促進了葡萄糖氧化酶（GOD）和電極之間的直接電子轉移，有利于檢測GOD和ZnO納米棒之間的電化學信號，靈敏度高達 17.64 μA/(mmol/L)，在葡萄糖濃度為0.2～1.6 mmol/L范圍內有很好的相關性，同時具有良好的選擇性和穩(wěn)定性。Jeong等[24]利用2D MoS2與石墨烯相互連接組成了一種三維MGA氣凝膠修飾電極，使電極表面增大有利于酶的有效固定，連續(xù)的骨架結構又有利于電子的快速轉移，制備出的基于GOx/3D MGA電極的流動注射生物傳感器裝置對葡萄糖的檢測響應時間快（～4 s），靈敏度高（3.36 μA/(mmol/L)），抗干擾性強，線性檢測范圍為2～20 mmol/L，檢出限為0.29 mmol/L。

1.4.2 過氧化酶傳感器

Fan等[25]利用帶氣孔的CaCO3作為犧牲模板將辣根過氧化酶（HRP）裝入仿生石墨烯膠囊內模擬生物體內生物酶的存在形態(tài)，再將石墨烯-聚苯乙烯硫酸鈉組裝到氧化銦錫的基底上，成功制備出了用于H2O2電化學檢測的酶生物傳感器，表現出寬的線性范圍 (0.01 mmol/L～12 mmol/L)和低的檢測極限，同時具有抗干擾性強和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。Bongiwe等[26]構建了一種還原氧化石墨烯與銻納米復合物/辣根過氧化物酶生物傳感器，該修飾電極傳感器對H2O2表現出良好的電催化活性，H2O2濃度在0 nmol/L～4 nmol/L范圍內顯示出良好的線性關系，檢測限為2.88 nmol/L，屬一種快速、低成本的用于測定較低濃度過氧化氫的檢測器。1.4.3 乙酰膽堿酯酶傳感器

王輝等[27]利用石墨烯納米材料（GR）、殼聚糖（Chit）、納米四氧化三鐵（Fe3O4）和乙酰膽堿酯酶（AChE）為原料制備出檢測毒死蜱農藥的生物傳感器（NF-AchE/Chit-Fe3O4/GR/GCE）。采用方波伏安法在最佳檢測條件下，毒死蜱農藥在0.05 μg/L～4.5 μg/L質量濃度范圍內與其抑制率有良好的線性關系，線性相關系數0.997，最低檢出限為 0.02 μg/L（S/N=3）。Cui等[28]利用殼聚糖（Chit）TiO2溶膠-凝膠和rGO構建多層固定基質（CS@TiO2-CS/rGO），并在上面吸附乙酰膽堿酯酶（AChE），可準確、靈敏檢測有機磷農藥敵敵畏，檢測線性范圍為 0.036 μmol/L～22.6 μmol/L，檢測限為29 nmol/L，同時具有高的重現性和穩(wěn)定性，為AChE的固定化提供了一個高效的平臺。

2 結論與展望

該文綜述了近年來關于石墨烯電化學生物傳感器的研究進展，討論了各類傳感器的性能，雖然近幾年關于石墨烯電化學生物傳感器的應用越來越多，也取得了一些進步，但就傳感器的電催化效率、生物相容性、實時分析、再現性與成本方面還需要不斷改進，未來生物傳感器研究也要更注重于石墨烯及其相關材料傳感器的便攜式、低噪音、可靠性和同時多路復用等方面，使基于石墨烯及其衍生物的生物電化學傳感器能夠從理論研究應用到市場商品化中。

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