李金成，陳 蕓，賴向東，劉曉輝，姜 暉，王雪梅

（生物電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（吳健雄實(shí)驗(yàn)室），東南大學(xué) 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

鈰是鑭系元素中除銪以外活性最高的一種稀土元素，也是地殼中儲(chǔ)量最高的一種稀土元素，主要存在于獨(dú)居石和氟碳鈰礦中，也存在于鈾、釷和钚的核裂變產(chǎn)物中［1］。鈰具有特殊的電子層結(jié)構(gòu)（［Xe］4f15d16s2），5d軌道上有1個(gè)電子，而其余La系元素新增電子均在4f軌道上［2］。鈰有Ce3+和Ce4+兩種氧化態(tài)，三價(jià)鈰鹽通常為白色，有一個(gè)不成對(duì)的4f電子，故有順磁性［3］；大多數(shù)四價(jià)鈰鹽及其溶液為橙紅色到橙黃色，具有反磁性和強(qiáng)氧化性，在分析化學(xué)中常用作氧化劑［4］。

氧化鈰（CeO2）是應(yīng)用最廣泛的鈰化合物，具有螢石型晶體結(jié)構(gòu)，晶格是面心立方（FCC）結(jié)構(gòu)，其中鈰原子位于立方體的面心和頂點(diǎn)，氧原子占據(jù)所有四面體位置（圖1）。CeO2晶胞中同時(shí)存在三價(jià)和四價(jià)兩種混合價(jià)態(tài)的鈰離子以及氧離子，鈰離子為立方配位，每個(gè)鈰離子與8個(gè)氧離子包圍，氧離子為四面體配位，每個(gè)氧離子與4個(gè)鈰離子包圍［5］。Ce3+/Ce4+之間可以自發(fā)進(jìn)行氧化還原循環(huán)并在晶面上產(chǎn)生氧空位（V?）［5］?；旌蟽r(jià)態(tài)和氧空位對(duì)CeO2的性質(zhì)有重大影響。在缺氧環(huán)境中，CeO2可以失去部分晶格氧，而晶體結(jié)構(gòu)仍保持螢石型晶體結(jié)構(gòu)，從而形成大量的氧空位，一個(gè)氧空位伴隨兩個(gè)Ce3+生成，當(dāng)環(huán)境中富氧時(shí)，失去的晶格氧可以被重新填充，因此CeO2具有很強(qiáng)的儲(chǔ)放氧能力，良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及高溫下氧空位的快速擴(kuò)散能力，可以促進(jìn)反應(yīng)中的電荷轉(zhuǎn)移，從而起到良好的催化作用［6］。

圖1 氧化鈰（CeO2）的螢石型晶體結(jié)構(gòu)［7］Fig．1 Fluorite type crystal structure of cerium oxide（CeO2）［7］

CeO2具有良好的氧化還原性能以及儲(chǔ)氧性能（OSC），目前已廣泛應(yīng)用于發(fā)光材料［8］、紫外吸收材料［9-10］、燃料電池［11］、催化劑［12］、染色劑［13］、玻璃拋光［14］、汽車尾氣凈化［15］、電子陶瓷［16］等領(lǐng)域。隨著研究的深入，CeO2的多種生物醫(yī)學(xué)活性逐漸被發(fā)現(xiàn)［17］。據(jù)報(bào)道，氧化鈰具有抗菌活性［18］、抗癌活性［19］、超氧化物歧化酶（SOD）活性［20］、過氧化物酶活性［21］、過氧化氫酶（CAT）活性［22］、磷酸酶活性［23］和氧化酶活性［24］等，可清除超氧化物、過氧化物、羥自由基及氮氧化物自由基等活性氧（ROS）［25］，可作為輔助治療劑減輕多種疾病引起的炎癥和氧化應(yīng)激［26］，可用于治療雄激素性脫發(fā)［27］、骨質(zhì)疏松［28］、腸炎［29］、關(guān)節(jié)炎［30］、糖尿?。?1］、腦卒中［32］、阿爾茲海默癥［33］和帕金森［34］等神經(jīng)退行性疾病以及抗輻射、促進(jìn)組織再生和藥物/基因遞送載體等，在疾病診療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用潛力［35-36］。

CeO2納米顆粒具有大比表面體積、高表面反應(yīng)活性、高催化效率和超強(qiáng)吸附能力，在構(gòu)建高靈敏度傳感器方面具有明顯的優(yōu)勢。目前，CeO2的催化活性、電化學(xué)活性和生物醫(yī)學(xué)活性已被用于設(shè)計(jì)開發(fā)成多種新型傳感器，可提高目標(biāo)物在傳感器表面的電子轉(zhuǎn)移效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體、有機(jī)化合物、金屬離子、生物標(biāo)志物等多種物質(zhì)的靈敏分析與檢測。由于傳感器的識(shí)別單元（包括敏感膜）決定了其特異性或選擇性，而靈敏度也與其換能器的類型密切相關(guān)，因而，根據(jù)其檢測模式的不同，目前基于氧化鈰（CeO2）納米材料的傳感器主要分為電化學(xué)傳感器、比色傳感器、熒光傳感器以及化學(xué)發(fā)光傳感器等。

1 基于氧化鈰的電化學(xué)傳感

電化學(xué)傳感具有靈敏度高、響應(yīng)快、成本低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。由于納米CeO2良好的生物相容性、導(dǎo)電性和轉(zhuǎn)移氧氣的能力，已被廣泛用于開發(fā)電化學(xué)傳感器，以增加傳感器的響應(yīng)性、靈敏度和穩(wěn)定性。基于CeO2的電化學(xué)傳感器早期主要用于對(duì)氣體進(jìn)行檢測分析。當(dāng)被測氣體與傳感器接觸時(shí)可發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而將被測氣體含量轉(zhuǎn)化為電流（或電壓）信號(hào)。近年來，CeO2電化學(xué)傳感器在生物分子檢測中發(fā)揮了越來越多的作用。CeO2良好的生物相容性可用作生物酶固定材料，此外CeO2還具有多種模擬酶活性，可以穩(wěn)定高效的代替生物酶催化某些生化反應(yīng)。基于CeO2的電化學(xué)傳感器具有靈敏度高、選擇性好、操作方便的特點(diǎn)，可通過電流、電位、電導(dǎo)、電量等對(duì)多種物質(zhì)進(jìn)行檢測。特別是基于CeO2的氣體傳感器，因具有響應(yīng)迅速、測量準(zhǔn)確、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，受到了廣泛研究（表1）。

表1 用于氣體檢測的鈰基電化學(xué)傳感器Table 1 Electrochemical sensors based on cerium oxide for gas detection

1.1 氣體傳感（環(huán)境監(jiān)測）

1.1.1 氧氣傳感CeO2在高溫下可轉(zhuǎn)化為非化學(xué)計(jì)量比的CeO2-x，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和高氧遷移率，可產(chǎn)生許多氧空位，這些氧空位可以提高電子遷移率，是高活性的反應(yīng)位點(diǎn)。CeO2對(duì)氧空位的擴(kuò)散系數(shù)很大，其濃度迅速達(dá)到平衡狀態(tài)，因此使用CeO2構(gòu)建氧傳感器響應(yīng)迅速。這種傳感器一般是電阻式或電流式，即傳感器在工作溫度下的導(dǎo)電性與氧分壓在一定范圍內(nèi)呈函數(shù)關(guān)系［37］。

CeO2的粒徑對(duì)傳感器的性能影響很大。Izu等［38-39］研究了電阻式氧傳感器的的響應(yīng)時(shí)間（t90）與擴(kuò)散系數(shù)（DV）、表面反應(yīng)系數(shù)（kV）和粒徑（R）之間的動(dòng)力學(xué)函數(shù)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在粒徑為1 μm或更小的情況下，傳感器動(dòng)力學(xué)由表面反應(yīng)控制，響應(yīng)時(shí)間與R/kV成比例，減小CeO2的粒徑可縮短傳感器的響應(yīng)時(shí)間。隨后他們通過優(yōu)化制備工藝和使用元素?fù)诫s的方法［40-41］，進(jìn)一步減小CeO2的粒徑，大大縮短了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。除了減小粒徑，氧化鈰與雜元素?fù)诫s［42-43］、與其他材料復(fù)合［44］或者改進(jìn)傳感器的結(jié)構(gòu)［45］均可進(jìn)一步提升氧化鈰傳感器的性能，但機(jī)理可能不同。

1.1.2 其他氣體傳感針對(duì)有毒有害氣體的靈敏監(jiān)測成為一項(xiàng)保障人類生命安全和可持續(xù)發(fā)展的重要任務(wù)。目前基于CeO2的有毒有害氣體傳感器已有大量研究報(bào)告。CeO2對(duì)CO等廢氣以及某些揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）有吸附和催化作用，可將某些氣體信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而對(duì)其進(jìn)行高靈敏檢測。

CeO2可單獨(dú)作為傳感材料直接用于乙醇［46］、三甲胺（TMA）［47］、CO［48］、甲醛［49］等多種氣體傳感，形貌調(diào)控可使CeO2暴露更多的活性位點(diǎn)，有利于提升其傳感性能［48］。Khan等［46］將平均尺寸為（25±10）nm的CeO2涂覆在玻碳電極表面作為工作電極，對(duì)0．17~170 mmol/L濃度范圍的乙醇表現(xiàn)出良好的靈敏度（0．92 μA/cm2·mmol·L-1）、較低的檢出限（（0．124±0．010）mmol/L）和較短的響應(yīng)時(shí)間。此外，這種氧化鈰對(duì)酰胺黑和吖啶橙兩種染料具有光催化活性，在250 W高壓汞燈下照射170 min后，45．6%的酰胺黑和37．7%的吖啶橙被降解。

Izu等［50-53］研究了形貌調(diào)控和元素?fù)诫s對(duì)氧化鈰的CO傳感性能的影響。他們分別使用了具有多孔結(jié)構(gòu)［50］和核殼結(jié)構(gòu)［51］的CeO2膜檢測CO［52］，提高了傳感器對(duì)CO的選擇性和響應(yīng)值。此外，他們還研究了其他貴金屬（Pt、Ag、Pd、Au等）對(duì)CeO2膜CO傳感器響應(yīng)的影響［53］。結(jié)果顯示，添加4 wt%Au可使CeO2傳感器對(duì)CO的響應(yīng)增加40倍，響應(yīng)時(shí)間與未添加時(shí)相同。添加Ag納米顆粒的CeO2傳感器在第一次測量中顯示響應(yīng)增加，但隨著測量次數(shù)的增加該響應(yīng)逐漸降低。Pd的添加會(huì)導(dǎo)致CeO2傳感器的響應(yīng)不均勻，但未觀察到電阻增加。

生物模板也可用于調(diào)控氧化鈰的形貌。Liu等以鳳凰樹葉［54］和玫瑰花瓣［55］為生物模板，大規(guī)模制備介孔CeO2納米片，并研究了其對(duì)二甲苯的傳感特性。生物模板中的羥基和羧基有利于鈰離子在吸附過程中的分散和固定。介孔納米片的固有結(jié)構(gòu)特性、表面配位不飽和晶格氧、源自Ce3+離子的氧空位和生物模板的印跡效應(yīng)等協(xié)同作用可能是增強(qiáng)響應(yīng)性和選擇性的主要原因。

元素?fù)诫s主要影響CeO2的粒徑和Ce4+/Ce3+間的比例，從而增加氧空位的濃度和催化性能。釕或銦的摻雜會(huì)導(dǎo)致晶格缺陷，增加氧電導(dǎo)率并可能增加電子態(tài)，從而增加了NO2在傳感器上的響應(yīng)，這對(duì)CeO2可用作NO2氣體傳感器是有益的［56］。Zr摻雜的CeO2（Ce1-xZrxO2，0≤x≤0．7）對(duì)氨氣（NH3）的檢出限可低至3 ppm［57］。Gd的摻雜降低了氧化鈰的晶格參數(shù)、粒徑和電阻，增加了對(duì)CO2的靈敏度，可能與粒徑和表面電荷濃度有關(guān)［58］。添加少量（10%）CeO2可顯著抑制SnO2傳感器對(duì)甲烷（CH4）的響應(yīng)，但對(duì)CO的靈敏度不受影響，從而提升了傳感器的選擇性［59］。

Ortega等［60］合成了La和Eu摻雜的CeO2，分別獲得藍(lán)色（La）和紅色（Eu）的熒光發(fā)射；表明該摻雜材料用于白光LED器件和CO氣體傳感方面很有前途。

Suzuki等［61］改進(jìn)了傳感器的結(jié)構(gòu)，在傳感器中加入了薄膜加熱器，開發(fā)了一種針對(duì)太空環(huán)境的電阻式氫氣傳感器，能夠在從大氣壓到10-5Pa的壓力范圍內(nèi)檢測氫氣，其原理可能是低氧分壓時(shí)CeO2釋放氧，使表面的氧空位和Ce3+增加，從而使電子傳遞加快，電阻降低所致。

CeO2是良好的酶固定材料，可與酶復(fù)合修飾在電極表面以構(gòu)建生物傳感器。Gumpu等［62］采用CeO2-PANI核殼納米粒子與二胺氧化酶（DAO）復(fù)合，通過強(qiáng)靜電吸引力提高固定效率，構(gòu)建了一種CeO2/DAO/殼聚糖生物傳感器用于虎蝦樣品中腐胺濃度的準(zhǔn)確測量，在0．28~1．7 mmol/L范圍內(nèi)進(jìn)行的加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)顯示出良好的準(zhǔn)確性，相對(duì)誤差為0．012~0．088，回收率為88．9%~98．2%。該電極具有表面積大、導(dǎo)電性好、生物相容性好等特點(diǎn)，表明CeO2的加入使納米界面表現(xiàn)出優(yōu)異的電子轉(zhuǎn)移能力，從而提高了傳感性能。

不同形貌的CeO2具有不同的傳感特性。Divya等［63］研究了截角八面體（CeNP）、納米立方體（CeNC）、八面體（CeNO）和納米棒（CeNR）四種不同形態(tài)CeO2膜的空氣相對(duì)濕度（水蒸氣）傳感性能。測試結(jié)果表明，CeNP在濕度傳感方面的效率更高，可能歸因于其較高的表面積和孔隙率。Poonia等［64］使用氣凝膠法制備了高表面積（268 m2/g）的球形CeO2對(duì)濕度變化具有出色的可逆性和穩(wěn)定性。Zhang等［65］制備的CeO2納米片具有檢測濕度和甲醛的雙功能。Fu等［66］通過水熱法合成了CeO2納米線，用于濕度傳感時(shí)，水蒸氣被吸附在納米線的表面形成羥基并發(fā)生質(zhì)子轉(zhuǎn)移，電阻隨著濕度的增加呈指數(shù)下降，響應(yīng)和恢復(fù)都非常快。

研究表明，摻雜、復(fù)合可進(jìn)一步提升CeO2的傳感性能。將Ba摻雜到CeO2中可提高CeO2的濕度敏感性［67］；銅的摻雜可提高氧空位，減小CeO2的粒徑，提高傳感器的靈敏度和抗腐蝕能力［68］。聚苯胺（PANI）/CeO2納米復(fù)合材料在不同溫度下的電阻隨濕度變化表現(xiàn)出很好的線性［69］。

1.2 生物小分子傳感

生物活性小分子是在復(fù)雜的新陳代謝過程中產(chǎn)生，并參與重要的生理生化過程的有機(jī)小分子，對(duì)其進(jìn)行檢測具有重要意義。CeO2是一種良好的生物酶固定材料，可將生物酶一起吸附修飾在電極表面，用于構(gòu)建生物酶傳感器。同時(shí)，CeO2又具有多種生物酶模擬活性，可催化多種生物小分子的分解過程，因此可用于構(gòu)建無酶電化學(xué)傳感器。這種電化學(xué)傳感器主要是基于生物酶或模擬酶的催化作用，可加速生物活性分子在電極表面的電子傳遞速率，提高分子在電極上的響應(yīng)，因此具有選擇性好、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.1過氧化氫（H2O2）與葡萄糖傳感H2O2是化學(xué)、生物、制藥、臨床、環(huán)境和食品加工等過程中的關(guān)鍵組分，也是許多酶促反應(yīng)的副產(chǎn)物，對(duì)H2O2的分析檢測具有重要意義。CeO2可修飾于電極表面以增加靈敏度、降低檢出限，可用于構(gòu)建無酶H2O2電化學(xué)傳感器，也可用于酶固定材料構(gòu)建酶傳感器。表2比較了用于H2O2和葡萄糖傳感的各種氧化鈰電化學(xué)傳感器的性能。

表2 基于氧化鈰的H2O2/葡萄糖電化學(xué)傳感器Table 2 Electrochemical sensors for H2O2/glucose detection based on cerium oxide

Neal等［70］研究了不同比例Ce3+/Ce4+的氧化鈰對(duì)H2O2的電催化效果，發(fā)現(xiàn)Ce4+比例較高的CeO2在H2O2存在下表現(xiàn)出更好的模擬過氧化氫酶活性和更高的電流響應(yīng)。Ispas等［71］將CeO2用作固定酶材料，將葡萄糖氧化酶（GOX）固定在CeO2表面，構(gòu)建了一種葡萄糖電化學(xué)傳感器。CeO2可促進(jìn)GOX的活性中心和GCE表面之間的直接電子轉(zhuǎn)移，為酶的固定化提供生物相容的微環(huán)境，并為開發(fā)第三代生物傳感器和生物燃料電池提供進(jìn)一步的可能性。李燕等［72］采用CeO2作酶固定材料，將血紅蛋白（Hb）吸附在CeO2上，并用5%的Nafion固定在GC電極表面，制備了CeO2/Hb修飾電極。CeO2的加入加速了Hb中亞鐵血紅蛋白和高鐵血紅蛋白之間的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了Hb與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移，保留了Hb對(duì)H2O2的催化能力，可用于H2O2的有效檢測。

貴金屬常用于提升傳感器性能［73-74］。鈀改性的CeO2（Pd-CeO2）修飾電極對(duì)葡萄糖、抗壞血酸（AA）、多巴胺（DA）和尿酸（UA）的氧化具有更高的催化活性［75］，除了非酶法檢測葡萄糖，還具有同時(shí)測定AA、DA和UA的潛力。金改性的CeO2（Au-CeO2）電極檢測葡萄糖時(shí)，靈敏度高達(dá)44 μA/cm2·mmol·L-1，檢出限為10 μmol/L［76］，有望用于分析評(píng)估燃料電池、生物體液（如血液、唾液、汗水、尿液和血清）以及食品和飲料中的葡萄糖。

馬曉倩等［77］使用稀土元素Gd摻雜的CeO2構(gòu)建了一種無酶傳感器，采用水熱法合成了Ce1-xGdxO（4-x）/2納米復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)Gd摻雜可有效增加氧空位濃度，提高電導(dǎo)率，不同摻雜比率對(duì)H2O2的電催化響應(yīng)和靈敏度不同。Ce0．9Gd0．1O1．95-CHIT/GCE修飾電極對(duì)H2O2的線性范圍為0．01~11 mmol/L，檢出限（S/N=3）為1．7 μmol/L。

不同形貌的CeO2對(duì)H2O2的傳感性能不同。Ujjain等［78］合成了菱面體形和球形兩種形貌的CeO2，發(fā)現(xiàn)均可用于H2O2的電催化氧化，但菱面體形CeO2-HMTA的電催化活性更高。復(fù)合材料可提升電極的穩(wěn)定性。CeO2與碳復(fù)合簇C/CeO2用于葡萄糖電催化氧化時(shí)，表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和抗干擾性能［79］。Xu等［80］將TiO2/CeO2/CePO4復(fù)合材料和GOX固定在Pt電極表面，構(gòu)建了一種在富氧和缺氧環(huán)境中均能使用的電流式葡萄糖傳感器。TiO2的加入在一定程度上提高了電極的催化能力和對(duì)H2O2的響應(yīng)。

1.2.2 pH（H+）傳感釤或鋯摻雜的CeO2可用于pH傳感。Shuk等［81］將釤（Sm）摻雜進(jìn)氧化鈰，增加了氧空位濃度和氧化物離子導(dǎo)電性，對(duì)溶液pH值在3~10范圍內(nèi)與電勢變化呈線性，但不是Nemstian響應(yīng)，可能與CeO2的離子交換性質(zhì)有關(guān)。室溫下該傳感器可在1~2 min內(nèi)對(duì)分析物的pH值變化做出相對(duì)快速且可重復(fù)的響應(yīng)，被用于跟蹤酸堿滴定。Betelu等［82］采用釤或鋯部分替代鈰摻雜進(jìn)CeO2，可使充電電流分別增加6．5倍和12．0倍。其中Ce0．8Zr0．2O2SPE的測量最精確，在25℃和5．5~13．2的pH范圍內(nèi)表現(xiàn)出接近Nemstian響應(yīng)的行為（靈敏度-（51±2）mV/pH），電極響應(yīng)受pH變化方向的輕微影響，可用于穩(wěn)定可靠的水pH值監(jiān)測。

1.2.3 氨基酸傳感?zel等［83］將谷氨酸氧化酶（GmOx）與CeO2/TiO2納米粒子共同固定在Pt微電極上，成功制備了一種谷氨酸氧化酶微電極，可用于缺氧條件下L-谷氨酸（GluA）的測量。CeO2納米顆粒的氧氣輸送能力使谷氨酸氧化酶在無氧條件下仍能穩(wěn)定工作。結(jié)果顯示，該傳感器在有氧和無氧條件下的檢出限分別為0．594 μmol/L和0．493 μmol/L，靈敏度分別為793 pA/μmol·L-1（RSD：3．49%，n=5）和395 pA/μmol·L-1（RSD：2．48%，n=5），響應(yīng)時(shí)間分別為2 s和5 s。該生物傳感器具有良好的操作穩(wěn)定性和對(duì)常見干擾物質(zhì)的選擇性，可用于體內(nèi)缺氧條件下谷氨酸的檢測。

1.2.4 乳酸傳感Sardesai等［84］利用CeO2的儲(chǔ)存和釋放氧氣的能力，將Pt摻雜的CeO2和乳酸氧化酶（LOX）依次涂布在經(jīng)過親水改性的Pt電極表面，構(gòu)建了一種可在缺氧環(huán)境下使用的乳酸生物傳感器。這種生物傳感器克服了傳統(tǒng)LOX生物傳感器對(duì)氧氣的依賴，與純CeO2相比，Pt的摻雜提高了CeO2的電催化活性和儲(chǔ)氧能力。體外評(píng)估表明，該傳感器具有高選擇性和穩(wěn)定性，響應(yīng)時(shí)間6 s，在100 pmol/L~15．5 mmol/L的寬濃度范圍內(nèi)具有良好的線性和靈敏度；體內(nèi)測試結(jié)果表明，該傳感器可在腦缺血和再灌注的麻醉大鼠模型中以高空間和時(shí)間分辨率連續(xù)監(jiān)測和定量研究缺氧性腦損傷中的乳酸含量。

1.2.5 核苷酸傳感Jafari等［85］將ssDNA探針固定在還原氧化石墨烯修飾的CeO2（CeO2-RGO）納米復(fù)合材料改性的玻璃碳電極上，然后采用快速傅里葉變換方波伏安法（FFT-SWV）檢測［Ru（bpy）3］2+/3+在該CeO2-RGO修飾電極上的氧化還原信號(hào)。當(dāng)ssDNA與其互補(bǔ)靶標(biāo)核苷酸雜交后，可導(dǎo)致［Ru（bpy）3］2+/3+的FFT-SWV信號(hào)急劇下降。該CeO2-RGO修飾電極用于檢測嗜水氣單胞菌編碼氣溶素蛋白的DNA寡核苷酸序列時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性，線性范圍為1×10-15~1×10-8mol/L。該課題組還用此電極檢測了魚塘水中提取的嗜水曲霉DNA，質(zhì)量濃度高達(dá)0．01 μg/mL，RSD為5%。

1.2.6 多巴胺傳感多巴胺（DA）是兒茶酚胺類神經(jīng)遞質(zhì)，可調(diào)控哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)的生理功能，與多種疾病相關(guān)。Nayak等［86］使用CeO2與氧化石墨烯納米片復(fù)合，提高了電子轉(zhuǎn)移效率，對(duì)DA具有更高的電化學(xué)響應(yīng)和選擇性。氧化鈰/還原氧化石墨烯（CeO2/rGO）復(fù)合材料對(duì)抗壞血酸（AA）和DA均表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)活性，還可以光催化降解亞甲基藍(lán)［87］。

1.3 免疫傳感

免疫傳感器是一類重要的生物傳感器，與上文提及的基于催化過程的生物活性小分子傳感不同，免疫傳感基于特異性免疫反應(yīng)，使用抗體、適配體等具有特異性識(shí)別功能的生物分子作為捕獲和識(shí)別元件。利用CeO2與抗原、抗體和DNA分子間的強(qiáng)吸附性，可將抗原、抗體或核酸適配體固定在CeO2表面，從而可捕獲某些大分子或疾病標(biāo)志物并轉(zhuǎn)化為可檢測信號(hào)。免疫傳感器具有特異性強(qiáng)、識(shí)別快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

Pachauri等［88］將口腔癌生物標(biāo)志物細(xì)胞角蛋白片段21-1（Cyfra-21-1）的特異性抗體偶聯(lián)到ncCeO2-RGO/ITO電極表面，構(gòu)建了一種診斷口腔癌的免疫電化學(xué)傳感器。使用微分脈沖伏安法（DPV）可在0．625 pg/mL~0．01 ng/mL范圍內(nèi)觀察到最佳線性響應(yīng)，檢出限為0．625 pg/mL，靈敏度為14．5 μA·ng-1·mL·cm-2，R2=0．98，可抵抗葡萄糖、氯化鈉（NaCl）、粘蛋白16（MUC-16）和白細(xì)胞介素8（IL-8）等多種干擾物。馬霄等［89］利用CeO2固定癌胚抗原抗體（anti-CEA），構(gòu)建了一種新型的癌胚抗原（CEA）免疫傳感器。該傳感器在最適條件下對(duì)CEA的響應(yīng)良好，線性范圍為0~80 ng/mL（r=0．998 25），檢出限為0．08 ng/mL。Dhiman等［90］將赭曲霉毒素A（OTA）抗體偶聯(lián)的CeO2集成在微流控芯片上，構(gòu)建了一種微流控電化學(xué)免疫傳感器（圖2）。循環(huán)伏安法（CV）和差分脈沖伏安法（DPV）測試顯示，該傳感器可在350 pg/mL~75 ng/mL范圍內(nèi)對(duì)OTA具有線性響應(yīng)，靈敏度為7．5 mA·ng-1·mL·cm-2。

圖2 Anti-OTA/CeO2/ITO微流控芯片傳感器檢測赭曲霉毒素A［90］Fig．2 Anti-OTA/CeO2/ITO microfluidic chip sensor for detection of ochratoxin A［90］

2 基于氧化鈰的比色傳感

比色傳感器檢測可見光信號(hào)，通過直接或間接反應(yīng)將被測物信號(hào)轉(zhuǎn)化為顏色變化，無需借助復(fù)雜儀器，僅憑肉眼即可分辨檢測結(jié)果。該方法成本低、易操作，無需昂貴儀器，特別適合現(xiàn)場實(shí)時(shí)檢測。CeO2納米粒子在氧化還原過程中會(huì)發(fā)生肉眼可見的顏色變化，可用作顯色指示劑。此外，它還能直接或間接催化某些底物（如鄰苯二胺（OPD）、3，3'，5，5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）、2，2'-聯(lián)氮雙（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）等）發(fā)生顯色反應(yīng)，因此CeO2在開發(fā)構(gòu)建比色傳感器方面極具潛力。

Ornatska等［91］首次使用CeO2納米粒子作為比色探針，并與GOX共同固定在濾紙上，構(gòu)建了一種葡萄糖傳感器（圖3）。在葡萄糖存在情況下，GOX可分解葡萄糖產(chǎn)生H2O2誘導(dǎo)Ce3+/Ce4+之間的轉(zhuǎn)換，使固定在生物活性傳感紙上的CeO2納米顆粒發(fā)生肉眼可見的顏色變化。該比色測定過程無需有機(jī)染料和過氧化物酶（HPR）等外部試劑，反應(yīng)完全可逆，可以連續(xù)地重復(fù)使用至少10個(gè)測量周期而不會(huì)顯著喪失活性，在室溫下放置79 d仍可保持穩(wěn)定的分析性能，可用于人血清樣本中葡萄糖的分析檢測。值得注意的是，該比色傳感器可擴(kuò)展于所有以H2O2為產(chǎn)物的酶促反應(yīng)底物的分析與檢測。介孔CeO2材料在其孔內(nèi)捕獲氧化酶（如GOx或ChOx）也可用于葡萄糖或膽固醇的比色檢測［92］。

圖3 基于氧化鈰的比色紙傳感器檢測葡萄糖［91］Fig．3 Cerium oxide based colorimetric paper sensor for detection of glucose［91］

Gaynor等［93］研究了H2O2與CeO2納米粒子的氧化還原變色反應(yīng)機(jī)理，認(rèn)為該變色反應(yīng)是由于過氧化物和氧分子吸附在CeO2納米顆粒上，與鈰離子之間產(chǎn)生雙電子轉(zhuǎn)移過程，導(dǎo)致CeO2在電磁光譜的可見區(qū)域吸收增加。他們還觀察到這種比色反應(yīng)對(duì)H2O2的敏感性隨著CeO2微晶尺寸的減小而顯著增加，可能是由于表面積增加以及表面上Ce3+濃度增加所致。

Sharpe等［94-95］發(fā)現(xiàn)CeO2與某些抗氧化劑（如抗壞血酸、沒食子酸、香草酸、槲皮素、咖啡酸等）相互作用后表面顏色改變，由此設(shè)計(jì)了一種便攜式比色傳感器。該傳感器的特點(diǎn)是無需專門設(shè)備，適用于大量樣本的高通量分析，已成功應(yīng)用于實(shí)際樣品（茶葉和藥用菌）中抗氧化劑的活性評(píng)估［96］。茶葉中茶多酚是很好的抗氧化劑，霍丹群等［97］利用茶多酚還原CeO2，構(gòu)建了3×3的交叉陣列比色傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)5種茶多酚和14種茶葉，共95個(gè)樣本的快速準(zhǔn)確識(shí)別。

CeO2可以催化無色的鄰苯二胺（OPD）氧化，生成黃色產(chǎn)物2，3-二氨基吩嗪（oxOPD）。Peng等［98］利用這一氧化顯色反應(yīng)，使用白細(xì)胞介素6（IL-6）捕獲抗體（一抗）標(biāo)記的四氧化三鐵（Fe3O4-Ab1）和信號(hào)抗體（二抗）標(biāo)記的CeO2（CeO2-Ab2），構(gòu)建了一種比色傳感器用于血清樣品中IL-6的檢測。CeO2優(yōu)異的氧化酶活性放大了比色信號(hào)，提高了靈敏度。該傳感器在血清樣品中癌癥生物標(biāo)志物的監(jiān)測方面也具有很大潛力。利用CeO2的過氧化物酶活性，可在H2O2存在下催化3，3'，5，5'-四甲基聯(lián)苯胺（TMB）氧化顯藍(lán)色，以構(gòu)建H2O2比色傳感器［99-100］。此外，CeO2納米顆粒的類氧化酶活性可催化ABTS顯色用于氟化物的比色檢測［101］。

3 基于氧化鈰的熒光傳感

熒光是一種廣泛存在的光致發(fā)光（PL）過程，這一過程可以描述為物質(zhì)吸收光子躍遷到較高能級(jí)的激發(fā)態(tài)后返回低能態(tài)，同時(shí)放出光子的過程。熒光傳感器通過光譜儀記錄熒光峰值、量子產(chǎn)率、熒光壽命以及新熒光峰的出現(xiàn)等變化，儀器操作簡便，可靈敏、迅速的對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量檢測。該檢測過程可能涉及到光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）、熒光共振能量轉(zhuǎn)移（FRET）、分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移（ICT）、激基締合物（Monomer-excimer）的形成或消失、激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESIPT）等一個(gè)或多個(gè)復(fù)雜的光物理學(xué)現(xiàn)象。熒光傳感器目前面臨的問題主要在于受環(huán)境因素影響大，靈敏度有待提高，對(duì)目標(biāo)物難以達(dá)到專一、高效地識(shí)別。CeO2可在紫外激發(fā)下發(fā)出綠色熒光（~530 nm），微環(huán)境中的一些因素會(huì)影響CeO2的熒光發(fā)射光譜；同時(shí)，CeO2又可增強(qiáng)或猝滅許多熒光過程，因此CeO2已被開發(fā)為多種熒光傳感器。

Shehata等［102-103］利用液體中溶解氧（DO）可猝滅CeO2納米粒子在520 nm處的熒光發(fā)射，分別使用CeO2和鋁摻雜的CeO2構(gòu)建了DO熒光傳感器，鋁摻雜增加了CeO2中的氧離子電導(dǎo)率，從而提高了CeO2納米粒子對(duì)DO的敏感性。隨后該課題組［104-105］還使用靜電紡絲技術(shù)，制備了CeO2與PVA和殼聚糖的復(fù)合納米發(fā)光纖維，用于生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境領(lǐng)域中過氧化物和自由基濃度的監(jiān)測。此外，他們還將CeO2與金納米顆粒復(fù)合，用于水中鉛粒子、DO和鐵粒子的檢測［106-107］。

CeO2的氧化還原特性和光致發(fā)光特性與晶體中Ce3+與Ce4+的比率相關(guān)。Krishnan等［108］利用這一特性，將維生素C用作熒光恢復(fù)劑，設(shè)計(jì)了一種“Turn-on”型熒光傳感器。采用0．5 mmol/L高錳酸鉀溶液將Ce3+氧化成Ce4+，使CeO2的綠色熒光完全猝滅，然后用維生素C將Ce4+還原成Ce3+，CeO2的熒光恢復(fù)，通過獲取各樣品的光致發(fā)光光譜可對(duì)維生素C進(jìn)行定量。Malyukin等［109］利用CeO2與H2O2的相互作用導(dǎo)致Ce3+→Ce4+，同時(shí)伴隨著納米CeO2發(fā)光的猝滅，構(gòu)建了一種可多次循環(huán)使用的H2O2熒光傳感器。

Liu等［110］使用CeO2作為熒光猝滅劑，利用H2O2和DNA間的競爭性置換反應(yīng)，構(gòu)建了一種熒光傳感器（圖4）。基于CeO2強(qiáng)烈吸附磷酸鹽的特性，熒光分子標(biāo)記的DNA作為熒光探針可被CeO2吸附，熒光被完全淬滅。采用H2O2競爭性置換使DNA從CeO2表面解吸附，可使熒光信號(hào)增強(qiáng)至20倍。該傳感系統(tǒng)可靈敏地檢測低至130 nmol/L（4．4 ppb）的H2O2，還可與GOX結(jié)合在緩沖液中檢測低至8．9 μmol/L的葡萄糖。

圖4 基于氧化鈰的熒光傳感器檢測H2O2［110］Fig．4 Fluorescent sensor for detection of H2O2 based on cerium oxide［110］

4 基于氧化鈰的化學(xué)發(fā)光傳感

與光致發(fā)光相比，化學(xué)發(fā)光（CL）傳感器無需激發(fā)光源，因此背景發(fā)射更低，靈敏度更高，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，目前已在許多商業(yè)化檢測試劑盒中得到廣泛應(yīng)用。CL傳感器可分為基于酶催化的化學(xué)發(fā)光和基于電化學(xué)的化學(xué)發(fā)光。電致化學(xué)發(fā)光（ELC）結(jié)合了化學(xué)發(fā)光與電化學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)CL需要添加發(fā)光試劑的缺點(diǎn)，具有靈敏度高和電位可控的優(yōu)點(diǎn)。釕、鈰等金屬元素由于特殊的電子結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生化學(xué)發(fā)光。CeO2可以催化魯米諾（3-氨基-苯二甲酰肼）的化學(xué)發(fā)光過程。

Pur等［111］使用CeO2/三（2，2-聯(lián)吡啶）釕（II）/殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯（CeO2NPs-RGO/Ru（bpy）2+3/CHIT）開發(fā)了一種用于快速檢測細(xì)胞色素C（Cyt C）的新型超靈敏ELC傳感器。ECL信號(hào)由電極表面上的Ru（bpy）2+3和三丙胺（TPA）之間的電化學(xué)作用產(chǎn)生。將Cyt C添加到溶液中會(huì)競爭性抑制Ru（bpy）2+3和TPA間的相互作用，從而降低ECL信號(hào)。該傳感器對(duì)Cyt C的檢測具有較高的靈敏度和選擇性，以及良好的穩(wěn)定性，可用于人血清樣品中Cyt C的測定。

Li等［112］利用CeO2可在堿性條件下催化魯米諾與H2O2之間的化學(xué)發(fā)光反應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種化學(xué)發(fā)光傳感器陣列，可用于H2O2的靈敏、快速、高通量檢測，對(duì)H2O2的線性范圍為1．0×10-8~5．0×10-5mol/L（R2=0．999 1），響應(yīng)時(shí)間為1 s，檢出限為1．0×10-9mol/L。該CL體系的最大發(fā)射波長位于425 nm，其發(fā)光機(jī)理可能是CeO2對(duì)魯米諾-H2O2體系的催化作用。由于H2O2是爆炸物三過氧化三丙酮（TATP）的合成原料，所以該體系還可以用于TATP的快速、安全檢測。

Pang等［113］將CeO2納米粒子首次與K2S2O8用于ECL領(lǐng)域（圖5），基于氧化石墨烯/羧化多壁碳納米管（GO/MWCNTs-COOH）的優(yōu)異導(dǎo)電性和大比表面積特點(diǎn)用于負(fù)載CeO2納米顆粒，附著CEA抗體的Au納米顆粒也沉積在該基質(zhì)上以增強(qiáng)靈敏度。進(jìn)一步將該GO/MWCNTs-COOH/Au@CeO2納米復(fù)合材料用于修飾玻碳電極，構(gòu)建了一種高靈敏檢測人血清樣品中CEA的ECL傳感器。該傳感器靈敏度高、重復(fù)性好，展示了CeO2用于化學(xué)發(fā)光的潛力。

圖5 GO/MWCNTs-COOH/Au@CeO2納米復(fù)合材料電化學(xué)發(fā)光（ECL）傳感器檢測癌胚抗原（CEA）［113］Fig．5 GO/MWCNTs-COOH/Au@CeO2 nanocomposite electrochemiluminescence（ECL）sensor for detection of carcinoembryonic antigen（CEA）［113］

5 總結(jié)與展望

近年來，基于CeO2的新型傳感器層出不窮，已廣泛應(yīng)用于包括光學(xué)、電學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域，發(fā)展出了電化學(xué)傳感、比色傳感、熒光傳感、化學(xué)發(fā)光傳感等多種模式。獨(dú)特的光電和化學(xué)特性使CeO2能夠用于構(gòu)建各種類型的傳感器，本文回顧和總結(jié)了近年來的眾多文獻(xiàn)報(bào)道，發(fā)現(xiàn)CeO2在傳感器中具有催化、固定、識(shí)別、換能等多種用途，可提高傳感器的特異性和靈敏度。盡管基于CeO2的傳感器取得了許多進(jìn)展，但仍不能滿足迅速增長的實(shí)際需求。因此，如何提升CeO2的各項(xiàng)傳感性能使之更好地適應(yīng)各種需求是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)課題。CeO2的催化和傳感能力高度依賴于其形態(tài)，目前的手段主要是通過形貌粒徑調(diào)控、雜元素?fù)诫s和多組分復(fù)合的方式，以提升CeO2的表面積、導(dǎo)電性、晶格中氧空位比例，進(jìn)一步降低檢出限，提高響應(yīng)速度、靈敏度和選擇性，以獲得更佳的傳感能力，擴(kuò)展其在環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)生活、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

目前基于CeO2傳感器設(shè)計(jì)研發(fā)的可能方向主要包括：一是以新穎性為導(dǎo)向，主要研究基于CeO2的新型傳感材料的制備、摻雜和復(fù)合以進(jìn)一步提高傳感性能；另一個(gè)是以實(shí)際需求為導(dǎo)向，主要研究基于CeO2的傳感器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。新型傳感材料是產(chǎn)業(yè)化的未來，產(chǎn)業(yè)化又為新型傳感材料的研發(fā)提供內(nèi)在動(dòng)力，二者緊密聯(lián)系，互為依托。新冠肺炎的大爆發(fā)讓我們看到了快速、精準(zhǔn)的醫(yī)療檢測技術(shù)在當(dāng)前的迫切需求。迄今為止，只有少數(shù)關(guān)于CeO2傳感材料在醫(yī)療診斷領(lǐng)域的應(yīng)用研究，科學(xué)家仍需時(shí)間驗(yàn)證這些傳感器的各項(xiàng)性能。隨著研究的進(jìn)一步深入，我們相信這類基于CeO2傳感器將大量涌現(xiàn)并應(yīng)用于新冠肺炎等疾病的快速診斷。