王 玨，付 東，鄭明明，張曉臣，闞 侃

（黑龍江省科學院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150020）

前 言

重金屬離子（HMIs）被認為是低密度高毒性的化學物質(zhì)的代表。由于其具有富集性和不可降解性，導致其對生態(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，并通過食物鏈匯入人體，從而惡化人類健康。當HMIs進入細胞后，會改變身體內(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]。這對于生物細胞的功能性很重要，如能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)運和細胞信號傳遞等[9]。當這些HMIs濃度很高時會脫離其所在的成分，并與其他的普通蛋白質(zhì)作用，從而導致生物毒性。HMIs的毒性機制表現(xiàn)為抑制酶作用、氧化應激和抗氧化代謝受損等。這些機制通過自由基生成導致DNA損傷、脂質(zhì)過氧化、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對生物產(chǎn)生很強的毒性。他們會導致神經(jīng)、免疫、生殖和消化系統(tǒng)的各種紊亂和病變[11]。

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

電化學傳感器具有靈敏、快速、可同時檢測多種HMIs的特點。尤其電化學檢測設(shè)備輕便便宜、測試方法簡單、操作難度低、預處理過程少及可以實現(xiàn)HMIs的原位檢測，因此成為一種重要的HMIs檢測手段[12,13]。電化學檢測的關(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，因為GCE更為便宜、穩(wěn)定、且不會造成二次污染。但是GCE也存在一定的弊端就是G C E對HMIs的選擇性和敏感性較差，無法應對痕量HMIs的檢測。科研工作者們針對G C E改性進行了大量的研究工作。這其中有機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，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極限，從而備受關(guān)注。本文綜述了有機與生物材料制備的電化學傳感器用于HMIs的檢測及其檢測增強機理。

1 有機聚合物改性電極

有機聚合物材料是優(yōu)異的HMIs電化學檢測材料。這些有機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，通過孤對電子與HMIs發(fā)生配位或螯合作用，增強改性電極對HMIs的吸附和捕集效果，被廣泛應用于HMIs的電化學檢測工作[14]。

1.1 導電聚合物改性電極

導電聚合物（CP）是一類特殊的有機聚合物材料。他們的單體經(jīng)過摻雜聚合后能夠使聚合物導電，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價格低廉、制備工藝簡單、導電性好，是優(yōu)異的改性電極材料。但是CP在聚合的過程中容易團聚，這也是C P作為電極材料所面臨的主要問題[16]。而設(shè)計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題的主要手段。通過靜電紡絲或是讓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良好的導電性能夠顯著提高多孔纖維對Pb2+和Cd2+的電化學敏感性。此外多孔結(jié)構(gòu)有利于HMIs的吸附，使G/PA NI/P S對Pb2+和C d2+檢測的LOD分別為3.30和4.43μg·L-1，檢測范圍為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Cu2+離子，而且具有電致變色的特點。在Cu2+的檢測過程中，電位為-0.5～1.4V的區(qū)間內(nèi)，PA NI/I T O電極材料在氧化過程中由淺黃色變?yōu)榫G色又逐漸變?yōu)樗{色，在還原過程中由藍色逐漸變?yōu)辄S色。同時，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)檢測過程中，重復的嵌入脫出HMIs會導致PA NI的體積變大，機械穩(wěn)定性降低。而SWNTs機械強度高、導電性好、比表面積大，但是對金屬離子HMIs的敏感性和選擇性較低。以SWNTs作為導電骨架，采用螯合劑E D TA對PA NI改性，發(fā)揮E D TA對HMIs的螯合作用，使制備的E DTA-PA NI/SWNTs用于D P V檢測，且不受Pb2+、C d2+、Ni2+、C o2+等離子的干擾。EDTA-PA NI/SWNTs對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水凝膠復合材料。他們將HCl加入到檢測溶液中，作為PP y的摻雜劑，增加PP y的導電性。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復合材料對HMIs有較好的檢測效果。PP y/rGO水凝膠復合材料對Pb2+的L O D為0.3 n M，檢測范圍為0.5～5000 n M。

也有一些研究者將研究的重點放在如何進一步增加C P的活性位點，使其對痕量HMIs有更好的檢測效果。他們通過篩選具有特定基團的聚合物單體或攙雜劑，使C P對HMIs有更靈敏的響應。Dai[21]以植酸（PA）摻雜PP y中，再通過靜電吸引復合氧化石墨烯（GO）制備HMIs傳感器。其中帶負電荷官能團的PA對HMIs能夠產(chǎn)生靜電吸引，同時發(fā)揮PP y與GO的導電性能，將HMIs吸附在復合材料表面，并通過DPV進行檢測。測得Pb2+和Cd2+的L O D分別為0.41和2.13μg·L-1，檢測范圍為5～150μg·L-1。

1.2 非導電聚合物改性電極

非導電聚合物含有大量的與導電聚合物不同的活性位點與基團，如羥基、酮基等，也可用于HMIs的吸附與捕集[22]。但是非導電聚合物的電導率較導電聚合物低，通常非導電聚合物檢測HMIs的應用為光化學傳感器。通過非導電聚合物的孤對電子吸附HMIs，降低孤對電子的躍遷效應，從而改變其紫外-可見光區(qū)的吸收峰強度，獲得被檢測HMIs的種類與濃度等信息[23]。如果將非導電聚合物應用于電化學傳感器則需要將非導電聚合物涂覆在導體基材上或?qū)Ψ菍щ娋酆衔镞M行表面改性來增強其導電性能。同時利用非導電聚合物的基團效應，實現(xiàn)其對HMIs的電化學檢測。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溶液中測試其電容，利用電容數(shù)值的變化來反映離子濃度的變化。該電極對Cu2+、Z n2+和Pb2+均有響應，且離子濃度變化可用電容的定量變化標定，因此可用于HMIs的定量檢測。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行循環(huán)伏安掃描，通過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+的電化學響應。其對C d2+和Pb2+的檢測范圍為0.01～1μM，檢測極限分別為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改性電極測得Cu2+的檢測極限為0.02μg·L-1，檢測范圍為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HMIs具有強力的螯合作用，如圖1。所以P1,2-D AAQ對H g2+、Cu2+、Pb2+和C d2+均有較好的檢測效果。其LOD分別為0.26、1.94、0.58和0.3μg·L-1，檢測范圍為0～120μg·L-1。

圖1 P1,2-DAAQ與HMIs的相互作用機理[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活性位點及殘存的-N H2，非常適用于HMIs的檢測[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，這導致C3N4的活性位點無法完全暴露而使C3N4的電化學活性降低。此外，C3N4的導電性能較差，活性位點與HMIs吸附后無法快速的轉(zhuǎn)移電子。這些都是制約C3N4成為改性電極材料的關(guān)鍵問題。一些研究者針對C3N4體積效應的缺點，將C3N4剝離成薄片狀，這在一定程度上緩解了C3N4的導電性能差的問題[29]。為了增加C3N4的活性位點，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C3N4對HMIs的吸附能力。為了進一步增強C3N4的利用率，雜原子摻雜和納米結(jié)構(gòu)設(shè)計成為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。通過調(diào)控熱聚合反應的條件，得到了S摻雜多孔管束狀的C3N4（STB）。三聚硫氰酸在熱聚合過程中會保留一定的S原子和-S H基團，有效地增加了STB的活性位點。此外，為了改善STB導電性差的問題，將質(zhì)子化的石墨烯納米片（Gs）與STB靜電組裝得到STB/Gs復合材料，如圖2。他們發(fā)現(xiàn)STB呈現(xiàn)介孔-微孔的分級孔結(jié)構(gòu)。這種分級孔結(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)了沉積與溶出過程中三嗪單元內(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檢測性能。

圖2 STB/Gs復合材料的制備流程[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）。為了進一步增加活性位點，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。與通過摻雜增加活性位點不同的是，他們通過制造缺陷增加C3N4的活性位點。C3N4表面分散的納米A u粒子，一方面起到活性位點的作用，另一方面增加了C3N4的電子轉(zhuǎn)移路徑。通過A u與N-deficien t-C3N4協(xié)同機制，實現(xiàn)了Pb2+的電化學檢測。他們還針對Au與N-deficient-C3N4協(xié)同機制的機理進行了深入的研究，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，它們可以通過金屬-配體之間的配位和螯合作用識別HMIs[36,37]。根據(jù)軟硬酸堿理論，N、S、P等軟堿對于C d2+、Pb2+、Cu2+、H g2+等軟酸具有較強的親和力，因此可以用于HMIs檢測。

Guo[38]以rGO、殼聚糖（CS）和聚-L-賴氨酸（PLL）通過循環(huán)伏安法電聚合制備rGO-CS/PLL改性電極。rGO起到導電劑的作用，能夠增強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、較強的吸附能力和獨特的絡(luò)合能力，能夠為HMIs靶向吸附提供一個優(yōu)異的平臺，因此rGO-CS/PLL改性電極對HMIs具有優(yōu)異的檢測性能。經(jīng)過D PA S V測試，rGO-CS/PLL對Cd2+、Pb2+、Cu2+的L O D分別為0.01、0.02和0.02μg·L-1，檢測范圍為0.05～10μg·L-1。此外他們還對rGO-C S/PLL復合材料對C d2+、Pb2+、Cu2+三種離子的最大吸附量進行了考察，分別為47.14、18.96和16.33 m g·g－1。靜態(tài)吸附試驗證明G O-C S/PLL復合材料不僅可以用于HMIs檢測，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電極浸沒在含DNA的磷酸緩沖溶液中12 h，將DNA錨定在3D-rGO@PA NI復合材料的PA NI表面，最終得到3D-rGO@PA NI-DNA分子探針。通過DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)及胸腺嘧啶（T）的堿基對可以與H g2+實現(xiàn)特異性結(jié)合，形成T-H g2+-T金屬介導堿基對，從而實現(xiàn)對H g2+的高靈敏性和高選擇性檢測，如圖4[35]。雖然DNA對于H g2+離子具有高靈敏性和高選擇性，但是同時DNA也降低了阻滯層上的電子傳遞，導致電化學活性下降。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)，導致構(gòu)象發(fā)生變化，使電子傳遞電阻增加到1.62 kΩ。其對H g2+的LOD為0.035 n M，檢測范圍為0.01～100 n M，且對H g2+檢測具有高度的再現(xiàn)性，檢測濃度的標準偏差值為4.5%。同時，他們以3D-rGO作為導電基體材料，利用3D-rGO比表面積大、電子傳遞快，傳質(zhì)速度快等特點，采用CS包覆rGO形成CS@3D-rGO復合材料。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DNA傳感器，具有特異性、選擇性、靈敏性、可重復性等優(yōu)點。CS的加入將配位作用引入分子探針，進一步地提高其對H g2+的選擇性和靈敏性。C S@3D-rGO@DNA分子探針對H g2+的L O D降低至0.016 n M，檢測范圍為0.1～10 n M。

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

Seenivasan[41]以羰基二咪唑為交聯(lián)劑，通過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，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、溶液電阻低、信噪比高等特點，因此可以作為CySH的載體材料。將CySH對Pb2+的強親和力、PP y的層狀孔結(jié)構(gòu)及GO導電能力復合，得到的到s G O/PP y復合材料對Pb2+具有高的選擇性和靈敏性。經(jīng)過E I S測試，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Pb2+，檢測范圍為1.4～14000 pp b，LOD可達0.07 ppb。

3 展望

有機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修飾電極。但是有機聚合物與生物材料也存在著一定的弊端，即導電性能較差、材料的規(guī)整度和可設(shè)計性較差。因此如何在不破壞生物材料功能的情況下對生物材料復合改性提高其導電性能是生物材料用于重金屬離子檢測的關(guān)鍵。而有機聚合物材料由于其容易團聚，也會影響其重金屬離子的檢測性能，如何分散聚合物材料并設(shè)計聚合物材料的結(jié)構(gòu)也將是有機聚合物材料用于重金屬離子電化學檢測工作的研究重點。有機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檢測性能。