劉立娜，馬雪姣，韓嚴(yán)和，徐 晗，王楠楠

（北京石油化工學(xué)院環(huán)境工程系，北京 102617）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和工業(yè)化的快速發(fā)展，各種天然和人工合成的化學(xué)品已大量滲入全球水循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)，水污染進(jìn)一步加劇水資源短缺，嚴(yán)重威脅水的生態(tài)循環(huán)〔1-2〕。一些痕量持久性有機(jī)污染物和重金屬?lài)?yán)重危害人體健康，因此，快速、準(zhǔn)確、定量地對(duì)有毒物質(zhì)進(jìn)行原位痕量檢測(cè)具有十分重要的意義〔3〕。目前，生物傳感器已被廣泛用作快速檢測(cè)痕量物質(zhì)的工具，其通常由敏感的生物特征元件、傳感器和信號(hào)分析系統(tǒng)組成〔4-5〕。敏感元件識(shí)別并結(jié)合被分析物，傳感器捕捉敏感材料和被分析物之間的相互作用，并將其轉(zhuǎn)換成可識(shí)別的電信號(hào)，最后通過(guò)信號(hào)分析系統(tǒng)進(jìn)一步計(jì)算出被分析物的量〔6〕。生物傳感器結(jié)合了微處理器的計(jì)算能力和生物系統(tǒng)的敏感性、特異性，具有效率高、成本低、特異性強(qiáng)、檢測(cè)速度快、操作簡(jiǎn)單以及能夠于在線(xiàn)分析的同時(shí)輸出結(jié)果等優(yōu)勢(shì)，在基因檢測(cè)〔7〕、環(huán)境檢測(cè)〔8〕、食品安全檢測(cè)〔9〕和生化分析〔10〕等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

生物傳感器對(duì)被分析物的檢測(cè)靈敏性主要取決于生物傳感器的材料，選取優(yōu)異的電極材料可以大大提高傳感器的檢測(cè)靈敏性〔11-12〕。BDD 電極具有寬窗口電勢(shì)、低背景電流、高催化活性、高析氧電位、高穩(wěn)定性和良好的導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)，且由于硼原子半徑較小，易進(jìn)入金剛石晶格中填補(bǔ)金剛石的晶體缺陷，增加結(jié)構(gòu)致密性，因此BDD 電極比傳統(tǒng)電極（如石墨電極、Pt 電極、IrO2電極、RuO2電極）有更優(yōu)異的電化學(xué)特性〔13〕。表1對(duì)BDD 電極與傳統(tǒng)電極的特性進(jìn)行了對(duì)比，由表1 可知，相比于傳統(tǒng)電極，BDD 電極的析氧電位最高，可以產(chǎn)生更多氧化活性中間體，能夠快速、高效地進(jìn)行有機(jī)物的分析與檢測(cè)，通常展現(xiàn)出較低的檢測(cè)限和較高的靈敏度。BDD 電極優(yōu)異的物化性質(zhì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電極材料（如石墨電極、Pt 電極）容易鈍化的缺點(diǎn)，在化學(xué)、電極材料、微量有機(jī)物檢測(cè)等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用前景〔14〕。但BDD 薄膜高昂的成本限制了其大規(guī)模的應(yīng)用，所以降低BDD 成本或提高其電化學(xué)性能十分有必要，而對(duì)BDD 電極表面進(jìn)行化學(xué)修飾是提高其電化學(xué)性能的一種重要途徑。

表1 BDD 電極和傳統(tǒng)電極的對(duì)比Table 1 Comparison of BDD electrode with traditional electrodes

化學(xué)修飾是通過(guò)將活性較強(qiáng)的離子、分子、官能團(tuán)、聚合物以及DNA 分子修飾在電極表面，以提高電極活性，達(dá)到增強(qiáng)電極選擇性和靈敏度的目的。如圖1 所示，通常采用吸附法〔19〕、共價(jià)鍵結(jié)合法和電沉積法3 種方法對(duì)BDD 電極進(jìn)行修飾，其中吸附法主要通過(guò)化學(xué)吸附和自組裝技術(shù)對(duì)BDD 電極進(jìn)行修飾，共價(jià)鍵結(jié)合法主要通過(guò)酯化反應(yīng)〔20〕、化學(xué)接枝〔21〕和芳基重氮鹽接枝〔22〕3 種方法對(duì)BDD 電極進(jìn)行修飾，而電沉積法主要通過(guò)氧化還原反應(yīng)將離子沉積到BDD 電極表面進(jìn)行電極修飾。此外，還可采用電極表面活化等輔助措施對(duì)BDD 電極修飾過(guò)程進(jìn)行強(qiáng)化以提高修飾物的利用率和BDD 電極的電化學(xué)性能。

圖1 BDD 電極修飾方法Fig. 1 BDD electrode modification methods

筆者系統(tǒng)論述了吸附法、共價(jià)鍵結(jié)合法和電沉積法3 種當(dāng)前主流的BDD 基底化學(xué)修飾方法，總結(jié)了BDD 修飾電極在生物傳感器中的應(yīng)用研究進(jìn)展，并進(jìn)一步展望了BDD 電極作為基底材料在生物傳感器領(lǐng)域存在的問(wèn)題及未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向，以期為BDD 電極的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

1 吸附修飾法

1.1 吸附機(jī)理

吸附法修飾電極是利用基體電極的吸附作用將修飾物固定在電極上的一種電極改性方法，吸附質(zhì)分子通過(guò)與固體表面原子（或分子）發(fā)生電子轉(zhuǎn)移、交換，形成化學(xué)吸附鍵〔19〕。由于吸附是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，因此吸附材料與電極表面的結(jié)合力較弱。

1.2 吸附修飾法的研究進(jìn)展及應(yīng)用

1.2.1 化學(xué)吸附法

化學(xué)吸附法主要利用非共價(jià)鍵作用將修飾物固定到電極表面，是一種簡(jiǎn)單直接的電極修飾方法。Rong GENG等〔23〕通過(guò)原位沉積法將SiO2沉積在BDD電極上，再通過(guò)吸附作用將細(xì)胞色素c（Cyt c）固定在SiO2薄膜上，最后再沉積一層SiO2薄膜，構(gòu)建了一種用于檢測(cè)亞硝酸鹽的具有新型三明治結(jié)構(gòu)的SiO2/Cyt c/SiO2/BDD生物傳感器；在操作電壓0.7 V 條件下，該生物傳感器對(duì)亞硝酸鹽濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-6~1.00×10-3mol/L，檢測(cè)限為5.00×10-7mol/L，靈敏度為1.70×102μA·L/（mmol·cm2）；具有三明治結(jié)構(gòu)的SiO2/Cyt c/SiO2/BDD 生物傳感器保證了固定化的Cyt c 保持高穩(wěn)定性及良好的電化學(xué)和生物催化反應(yīng)活性，在極高或極低pH 條件下，Cyt c 的生物活性依然得到很好的保護(hù)，并通過(guò)兩步電化學(xué)氧化將溶液中的NO2-氧化成NO3-，對(duì)于亞硝酸鹽的檢測(cè)具有較高的靈敏度和較低的檢測(cè)限。

1.2.2 自組裝法

自組裝技術(shù)是BDD 晶體與不同納米顆粒之間產(chǎn)生靜電吸附力，并將納米顆粒吸附在功能化修飾的BDD 薄膜表面，形成排列規(guī)則的納米顆粒單層膜，從而制備納米顆粒/BDD 復(fù)合材料的一種技術(shù)，是一種修飾BDD 電極的重要方法。

對(duì)BDD 電極表面進(jìn)行特定化學(xué)組分修飾，可以提高其電化學(xué)特性，有助于改善生物傳感器的檢測(cè)性能。在檢測(cè)活性劑十六烷基吡啶溴化銨（CPB）時(shí)，BDD電極無(wú)法直接進(jìn)行對(duì)CPB的特異性測(cè)定，Yuning WANG 等〔24〕首先采用電沉積法將Au 沉積在BDD電極表面，隨后將辛硫醇（OT）自組裝到Au/BDD 表面，制備得到的OT/Au/BDD 生物傳感器可以對(duì)CPB進(jìn)行特異性測(cè)定，CPB 濃度檢測(cè)范圍為5.00×10-7~1.00×10-4mol/L，檢測(cè)限為2.00×10-7mol/L。在大多數(shù)情況下，AuNPs 在BDD 電極表面可形成自組裝單層，由于一維或二維陣列的AuNPs 層吸附容量低、比表面積小，在檢測(cè)多巴胺（DA）時(shí)，抗壞血酸（AA）會(huì)阻礙電極與DA 的相互作用，難以有效檢DA。Min WEI 等〔25〕采用自組裝法將帶有負(fù)電荷的AuNPs和聚電解質(zhì)（PE）交替組裝在聚苯乙烯（PS）膠體上形成三維Au/PE/PS 多層微球，之后對(duì)BDD 進(jìn)行修飾，研究表明，通過(guò)逐層自組裝技術(shù)制備的Au/PE/PS/BDD生物傳感器對(duì)DA 的氧化具有較高的電催化活性，能抑制AA 的電化學(xué)反應(yīng)，可以有效測(cè)定AA 存在下的DA 濃度，對(duì)DA 濃度的檢測(cè)范圍為5.00×10-6~1.00×10-4mol/L，檢測(cè)限為8.00×10-5mol/L。除AuNPs 外，將具有較大比表面積和高電子轉(zhuǎn)移效率的碳納米管（CNTs）修飾在BDD 電極表面后，可以與BDD 電極寬電勢(shì)窗口的特性產(chǎn)生協(xié)同作用，有助于提高BDD電極的電化學(xué)性能。S. K. LEE 等〔26〕通過(guò)靜電自組裝法在BDD 電極上選擇性直接生長(zhǎng)多壁碳納米管（MWCNTs）制備出BDD/MWCNTs生物傳感器，大幅提高了BDD 電極對(duì)葡萄糖的檢測(cè)性能；與BDD 相比，BDD/MWCNTs 生物傳感器對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)限從4.24×10-7mol/L 降低至6.96×10-8mol/L，靈敏度從0.35 μA·L/（mmol·cm2）提高到7.2 μA·L/（mmol·cm2），這是由于CNTs 可以為葡萄糖檢測(cè)提供幾何結(jié)構(gòu)和電子通道，提高BDD 電極的比表面積和電子傳輸能力，進(jìn)而提升其對(duì)葡萄糖的檢測(cè)性能。S. K. LEE等〔27〕還以網(wǎng)狀CNTs 為核心，通過(guò)靜電自組裝技術(shù)合成了具有多孔三維納米結(jié)構(gòu)的CNTs/BDD 生物傳感器，該傳感器對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為6.54×10-10~8.38×10-8mol/L，檢測(cè)限為4.00×10-11mol/L，靈敏度高達(dá)4.09×103μA·L/（mmol·cm2），與BDD 相比，靈敏度提高了656 倍；CNTs/BDD 生物傳感器性能的提高可能是與CNTs 提供的幾何形狀和電子路徑以及BDD 和CNTs 的協(xié)同作用有關(guān)。

吸附法是較為簡(jiǎn)單的BDD 修飾方法，通常情況下，只需要在修飾之前活化電極表面。相比于電沉積法修飾BDD 電極，吸附法修飾BDD 電極能夠得到尺寸和形狀均勻的納米顆粒。然而吸附法修飾過(guò)程是通過(guò)分子間的吸引力完成的，存在電極穩(wěn)定性差、修飾劑易流失、靈敏度不高和兼容性不佳等問(wèn)題，對(duì)此，可以通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合法將修飾物共價(jià)結(jié)合至電極表面，這是因?yàn)楣矁r(jià)鍵結(jié)合法屬于化學(xué)修飾方法，而化學(xué)修飾電極通常比化學(xué)吸附法得到的電極穩(wěn)定得多。

2 共價(jià)鍵結(jié)合修飾法

2.1 共價(jià)鍵結(jié)合修飾法機(jī)理

共價(jià)鍵結(jié)合法修飾過(guò)程是根據(jù)分子間功能基團(tuán)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，將修飾劑與電極表面通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合。由于BDD 表面無(wú)功能基團(tuán)，因此需對(duì)BDD 表面先進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的表面含有大量基團(tuán)，如羧基（—COOH）、羥基（—OH）、氨基（—NH2）等，這些基團(tuán)能夠通過(guò)與修飾物形成共價(jià)鍵進(jìn)而對(duì)BDD 電極進(jìn)行修飾。圖2 給出了典型的經(jīng)預(yù)處理的BDD 表面常見(jiàn)的修飾方式，包括：1）BDD 被氧化后表面形成—OH，進(jìn)而通過(guò)酯化反應(yīng)引入帶有—COOR（H）基團(tuán)的化合物〔21〕；2）通過(guò)化學(xué)反應(yīng)在BDD 電極表面引入活性端基，如—NH2，進(jìn)而通過(guò)酰胺化等化學(xué)反應(yīng)接枝合適的修飾基團(tuán)〔21〕；3）通過(guò)電化學(xué)還原芳基重氮鹽將栓系芳基衍生物接枝到BDD 表面，進(jìn)而將生物分子附著到BDD表面栓系芳基衍生物上〔22〕。

圖2 共價(jià)鍵結(jié)合法修飾BDD 電極Fig. 2 Modification of BDD electrode by covalent bond binding

2.2 共價(jià)鍵結(jié)合修飾法的研究進(jìn)展及應(yīng)用

BDD 具有生物功能化基體和電極的雙重特性，在生物傳感器中有廣闊的應(yīng)用前景，在光反應(yīng)探針與聚合涂層主干或側(cè)基上的C—H 鍵和生物分子（如蛋白質(zhì)、寡核苷酸和酶）之間的光誘導(dǎo)反應(yīng)中，生物分子在基體表面的固定化是包括診斷分析和生物電子傳感在內(nèi)的許多生物分析的關(guān)鍵步驟。采用共價(jià)鍵結(jié)合法對(duì)BDD 表面進(jìn)行修飾，有望開(kāi)發(fā)各種生物傳感器和生物傳感技術(shù)。

BDD 電極表面的—OH 可以通過(guò)酯化反應(yīng)與有機(jī)分子形成共價(jià)連接進(jìn)而將其固定。L. MARCON等〔20〕通過(guò)酯化反應(yīng)將光反應(yīng)性二苯甲酮共價(jià)接枝到BDD 電極表面，實(shí)現(xiàn)了BDD 電極表面對(duì)DNA、肽及蛋白質(zhì)的固定，并利用掩膜將多肽直接固定在二苯甲酮修飾的BDD 上，進(jìn)一步加強(qiáng)了生物活性的保存，為生物傳感器的應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)。Jing WU等〔28〕將—COOH 引入BDD 電極表面，戊二醛與葡糖氧化酶（GOD）通過(guò)與—COOH 共價(jià)交聯(lián)固定到BDD電極上，制備出用于檢測(cè)葡萄糖的生物傳感器，該生物傳感器具有較高的酶活性和對(duì)葡萄糖的高親和力，對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為6.67×10-5~2.00×10-3mol/L，檢測(cè)限為2.31×10-5mol/L；在沒(méi)有電子介質(zhì)的情況下，電子可直接在電極表面和GOD之間轉(zhuǎn)移，且O2對(duì)電子轉(zhuǎn)移沒(méi)有影響，電極具有較高的穩(wěn)定性。

光化學(xué)接枝以及電化學(xué)接枝也是常用的BDD電極修飾方法。Y. COFFINIER 等〔21〕在室溫下通過(guò)NH3等離子體處理氫封端的BDD 表面來(lái)獲得胺封端的BDD 表面，之后通過(guò)氨基脲對(duì)乙醛基多肽進(jìn)行固定化，再脫除末端的Emoc 基團(tuán)可得到氨基脲封端的BDD 電極表面。A. H?RTL 等〔29〕采用光化學(xué)對(duì)BDD表面進(jìn)行氨基化修飾后，通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合將H2O2酶結(jié)合到經(jīng)氨基化修飾的BDD 電極上，制備出用于檢測(cè)H2O2的生物傳感器，該傳感器對(duì)H2O2濃度的檢測(cè)范圍為3.00×10-4~1.50×10-1mol/L，靈敏度為7×104μA·L/（mmol·cm2）。申鳳婷〔30〕首先利用光化學(xué)反應(yīng)對(duì)BDD 電極進(jìn)行氨基化修飾，再采用共價(jià)鍵結(jié)合和交聯(lián)法將AA 氧化酶修飾到經(jīng)氨基化修飾的BDD 電極上，制備出用于檢測(cè)AA 的生物傳感器；該生物傳感器保留了BDD 電極的優(yōu)異性質(zhì)，修飾的酶可降低AA 的活化過(guò)電位，加快電子傳遞，并具有較好的穩(wěn)定性；在pH 為6 的條件下，該傳感器對(duì)AA 濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-9~1.00×10-4mol/L，檢測(cè)限為1.00×10-10mol/L，在AA 濃度1×10-4mol/L、pH 為6、溫度為37 ℃的條件下進(jìn)行50 次重復(fù)測(cè)定，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.7%。T. N. ANNISA 等〔31〕在BDD 電極表面引入氮形成N 封端的BDD（N-BDD），采用AuNPs 和血紅蛋白（Hb）對(duì)N-BDD 進(jìn)行共價(jià)修飾，制備出用于檢測(cè)丙烯酰胺的Hb/AuNPS/N-BDD 生物傳感器，該生物傳感器對(duì)丙烯酰胺濃度的檢測(cè)范圍為0~3.00×10-5mol/L，檢測(cè)限為1.31×10-5mol/L，與Hb-Au 電極相比，檢測(cè)限降低了2.51×10-5mol/L，表明Hb/AuNPS/N-BDD生物傳感器具有良好的靈敏度。R. MANAI等〔32〕以氨基乙酸（NTA）為螯合劑，將6 His 標(biāo)記的小鼠M71（6 His-M71）通過(guò)NTA-Ni共價(jià)接枝到BDD表面，制備出用于檢測(cè)苯乙酮?dú)馕兜腗71-6His-Ni-NTA/BDD生物傳感器，該生物傳感器對(duì)M71 配體苯乙酮具有良好的選擇性；之后通過(guò)在BDD 上共價(jià)鍵合己酸基團(tuán)，經(jīng)EDC/NHS 處理2 h 后，進(jìn)行OR7D4 嗅覺(jué)受體的接枝，制備出用于對(duì)配體雄烯酮具有良好選擇性的OR7D4-EDC/NHS/BDD 生物傳感器。戴瑋〔33〕采用共價(jià)鍵結(jié)合法將殼聚糖接枝到BDD 電極表面，用于對(duì)亞硝酸根（NO2-）的檢測(cè)，研究表明，殼聚糖修飾的BDD 電極對(duì)NO2-濃度的檢測(cè)范圍為5.00×10-7~2.00×10-3mol/L，檢測(cè)限可達(dá)1.00×10-7mol/L。殼聚糖是具有氨基的多糖，在紫外線(xiàn)輻射的條件下為共價(jià)鍵和反應(yīng)提供能量，殼聚糖的氨基能夠與BDD 電極表面的—COOH 脫水縮合形成肽鍵，使殼聚糖能夠穩(wěn)定地附著在電極表面，提高電極的選擇性和靈敏度。

采用芳基重氮鹽接枝法對(duì)BDD 進(jìn)行功能化修飾可以將蛋白質(zhì)或酶通過(guò)共價(jià)鍵固定在BDD 表面以制備酶生物傳感器。Jian WANG 等〔22〕通過(guò)芳基重氮鹽的電化學(xué)還原將氨基苯基官能團(tuán)接枝到超納米金剛石（UNCD）表面，部分氨基與丁二酸酐反應(yīng)時(shí)丁二酸開(kāi)環(huán)并形成酰胺鍵，之后以生成的游離—COOH 作為活性位點(diǎn)，將生物分子GOD 通過(guò)酰胺鍵固定到UNCD 薄膜上，制備出用于葡萄糖檢測(cè)的生物傳感器；該傳感器在電壓1.1 V條件下對(duì)葡萄糖濃度的線(xiàn)性響應(yīng)達(dá)到1.10×10-2mol/L左右，檢測(cè)限為1.00×10-4mol/L；固定在UNCD薄膜上的GOD 可以保持生物催化活性，避免了第一代和第二代酶生物傳感器在使用分子氧作為電子受體過(guò)程中形成的H2O2對(duì)電極材料表面微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行破壞造成電極性能不穩(wěn)定的問(wèn)題。Meichuan LIU 等〔34〕將一步電化學(xué)還原的4-羧基苯基（4-CP）重氮離子共價(jià)接枝到BDD 表面，使BDD 表面具有活性—COOH，然后Cyt c 通過(guò)自身—NH2端基團(tuán)與4-CP 的—COOH 基團(tuán)共價(jià)結(jié)合制備出用于檢測(cè)H2O2的Cyt c/4-CP/BDD 生物傳感器，共價(jià)接枝的4-CP 有助于Cyt c 的電子直接轉(zhuǎn)移，使生物傳感器具有良好的生物相容性和良好的生物電催化親和性，對(duì)H2O2濃度的檢測(cè)范圍為4.00×10-6~3.60×10-5mol/L，檢測(cè)限為6.10×10-7mol/L。N.ZEHANI 等〔35〕將酪氨酸酶固定在MWCNTs 修飾的重氮離子功能化BDD電極上，制備出用于檢測(cè)雙酚A（BPA）的生物傳感器，該傳感器對(duì)BPA濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-11~1.00×10-7mol/L，檢測(cè)限為1.00×10-11mol/L，具有良好的重現(xiàn)性、選擇性和穩(wěn)定性。

共價(jià)鍵結(jié)合法修飾BDD 電極具有修飾劑負(fù)載牢固、不易脫落等優(yōu)點(diǎn)，但是共價(jià)鍵結(jié)合法修飾電極步驟繁瑣、費(fèi)時(shí)且修飾密度不高，未來(lái)為克服共價(jià)鍵結(jié)合法修飾BDD 電極的缺點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行提高修飾效率的研究。

3 電沉積修飾法

3.1 電沉積修飾法機(jī)理

電沉積是指金屬或合金從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中進(jìn)行電化學(xué)沉積的過(guò)程，其機(jī)理示意見(jiàn)圖3〔36〕。

圖3 電沉積法修飾BDD 電極的機(jī)理Fig. 3 Mechanism of electrodeposition method for modifying BDD electrode

電沉積法可以彌補(bǔ)共價(jià)鍵結(jié)合法修飾BDD 電極的不足，修飾反應(yīng)不限制在單分子層的聚合，且電沉積法操作簡(jiǎn)單、沉積速率高、易于制備不同組成的多層膜，此外與其他修飾BDD 電極方法相比，電沉積法成本較低。目前電沉積修飾BDD 電極主要有直流電沉積和脈沖電沉積兩種方式。在直流電沉積中，由于金屬離子趨近于陰極不斷被沉積，造成濃差極化，導(dǎo)致電流密度降低與電能消耗；而脈沖電沉積在電流導(dǎo)通時(shí)，靠近陰極的金屬離子被充分沉積，當(dāng)電流關(guān)閉時(shí)，陰極周?chē)姆烹婋x子又重新恢復(fù)到初始濃度〔37〕。研究表明，在相同電流下，相較于直流電沉積，脈沖電沉積所得到的鍍層表面晶粒密度有較大提高，這是由于脈沖電沉積在電流關(guān)閉時(shí)會(huì)發(fā)生重結(jié)晶、吸脫附等現(xiàn)象。重結(jié)晶作用是使沉積礦物由非晶質(zhì)向隱晶質(zhì)、晶質(zhì)體變化，顆粒由小變大的過(guò)程，而晶粒越大越穩(wěn)定，因此與直流電沉積比，脈沖電沉積能夠降低濃差極化，提高陰極電流密度和效率，獲得致密的、低電阻率的金屬沉積層〔38〕。

電沉積系統(tǒng)一般由3 個(gè)電極組成，制備的電極作為工作電極，鉑電極作為對(duì)電極，Ag/AgCl 電極作為參比電極，通過(guò)改變電極電位和電流密度可控制所沉積金屬薄膜的厚度。電沉積是應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)中最為廣泛的沉積技術(shù)之一，在各種金屬薄膜〔39〕、金屬有機(jī)骨架〔40-41〕、超級(jí)電容器材料〔42〕和納米磁性材料〔43〕的制備中應(yīng)用廣泛。

3.2 電沉積修飾法的研究進(jìn)展及應(yīng)用

3.2.1 電沉積金屬納米顆粒

在納米尺寸下，材料可能表現(xiàn)出某些在宏觀(guān)材料中無(wú)法觀(guān)察到的特性，如改善催化活性、具有金屬納米顆粒間的相互作用和更大的比表面積。S. NANTAPHOL等〔44〕通過(guò)在BDD 電極表面電沉積AgNPs，并與紙基分析裝置（PAD）耦合，制備了AgNPs/BDD 生物傳感器，其對(duì)膽固醇濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-5~7.00×10-3mol/L，檢測(cè)限為6.00×10-6mol/L，靈敏度為49.6 μA·L/（mmol·cm2），該膽固醇傳感器具有成本低、攜帶方便和檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。K. PUNGJUNUN等〔45〕通過(guò)在BDD 電極表面電沉積AuNPs 制備出測(cè)定總無(wú)機(jī)砷（As）的多步紙基分析裝置（mPAD），該裝置對(duì)As 濃度的檢測(cè)范圍為1.30×10-6~2.00×10-5mol/L，檢測(cè)限為2.70×10-7mol/L，具有成本低、穩(wěn)定性和重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，但該電極重復(fù)使用性較差，需進(jìn)一步改進(jìn)。K. UMAM 等〔46〕采用電沉積法將AuNPs 沉積到BDD 電極上，再以Hb 修飾BDD 電極，制備出用于檢測(cè)丙烯酰胺的Hb-AuNPs/BDD 生物傳感器，該生物傳感器對(duì)丙烯酰胺濃度的檢測(cè)范圍為5.00×10-6~5.00×10-5mol/L，檢測(cè)限為5.14×10-6mol/L。M. J. SONG 等〔47〕采用電沉積法制備了用于檢測(cè)葡萄糖的Pt/BDD 生物傳感器，結(jié)果表明，PtNPs/BDD 生物傳感器對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為1.77×10-4~8.90×10-3mol/L，檢測(cè)限為7.73×10-5mol/L，靈敏度為3.21 μA·L/（mmol·cm2）；相比于BDD 生物傳感器，該生物傳感器靈敏度大幅提高，這是由于PtNPs和BDD 電極的協(xié)同使得生物分子容易固定在BDD 電極上，此外，還顯著增加了BDD 電極電活性表面積和有效的直接電子轉(zhuǎn)移速率，進(jìn)而提高了生物傳感器對(duì)葡萄糖的檢測(cè)靈敏度。

在金屬納米材料中，單金屬催化劑難以附著在BDD 電極表面，容易脫落，而具有協(xié)同效應(yīng)的雙金屬催化劑具有更高的催化活性和更高的穩(wěn)定性。M. J. SONG 等〔48〕先在BDD 電極上直接合成氧化聚苯胺（PANIox）層，再通過(guò)電化學(xué)沉積將AuNPs 分散在納米結(jié)構(gòu)的PANIox的表面上，制備出用于檢測(cè)DA的AuNPs/PANIox/BDD 生物傳感器，該生物傳感器在0.1 mol/L AA 存在下，對(duì)DA 濃度的檢測(cè)范圍為1.50×10-7~5.00×10-4mol/L，檢測(cè)限為3.00×10-8mol/L，靈敏度為1.31×102μA·L/（mmol·cm2），與N，N-二甲基苯胺（DMA）/BDD 生物傳感器相比，檢測(cè)限降低了，靈敏度提高了；這是由于AuNPs 分散在含有PANI 聚合物的BDD 電極表面使其具有較大的有效表面積和高效的電子轉(zhuǎn)移能力，因此AuNPs/PANIox/BDD 生物傳感器具有靈敏度高、線(xiàn)性范圍寬、檢測(cè)限低和選擇性良好等優(yōu)點(diǎn)。Ruitong ZHU 等〔49〕通過(guò)在BDD 電極表面共電沉積PtNPs 和NiNPs 制備了Pt-NiNPs/BDD 傳感器，該傳感器對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為2.00×10-3~1.20×10-2mol/L，檢測(cè)限為5.00×10-7mol/L，靈敏度為1.104×103μA·L/（mmol·cm2），與Pt/BDD 相比，檢測(cè)限大幅降低，靈敏度大幅提高；這是由于Ni 進(jìn)入到Pt 晶格中，增加了電極表面的電子密度，從而降低了氧化物和陰離子在電極表面的吸附強(qiáng)度，增加了電解質(zhì)與活性位點(diǎn)的接觸面積，提高了BDD 電極的靈敏度，并減少了Ni 納米材料的脫落。S. NANTAPHOL 等〔50〕采用電沉積法將雙金屬Pt/Au 沉積到BDD 電極表面，制備出用于檢測(cè)非酶葡萄糖的Pt-Au/BDD 傳感器，該傳感器對(duì)非酶葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-5~7.50×10-3mol/L，檢測(cè)限為7.00×10-6mol/L；Au 和Pt 之間的協(xié)同作用增加了電極活性面積，提高了電極的催化活性，因而與Au/BDD、Pt/BDD 傳感器相比，該生物傳感器對(duì)非酶葡萄糖的檢測(cè)限大幅降低。M.J. SONG 等〔51〕制備了一種納米結(jié)構(gòu)的PtNPs-聚苯胺（PANI）復(fù)合材料，通過(guò)電化學(xué)沉積將PtNPs-PANI 沉積在BDD 電極上，而后將葡萄糖氧化酶（GOX）吸附固定在修飾后的BDD 電極上，制備了用于檢測(cè)葡萄糖的GOX-PtNPs-PANI/BDD 生物傳感器，該生物傳感器具有較大的有效表面積，其金屬納米粒子通過(guò)吸附固定酶，對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生H2O2具有良好的電催化活性，因此具有靈敏度高、線(xiàn)性范圍寬、檢出限低、重現(xiàn)性好等特點(diǎn)，對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為5.90×10-6~5.10×10-4mol/L，檢測(cè)限為1.00×10-7mol/L，靈敏度為5.5 μA·L/（mmol·cm2）。由于Pt具有一定毒性，為增強(qiáng)BDD 的中毒耐性，可將其與Cu進(jìn)行共電沉積，Cu不僅能夠增加活性位點(diǎn)數(shù)量，提高電極的電導(dǎo)率和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，還能夠減少其他物質(zhì)在Pt 表面的吸附，從而增強(qiáng)Pt 納米材料的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和中毒耐性。S. TRAIPOP 等〔52〕通過(guò)在BDD 電極上電沉積Cu-PtNPs，構(gòu)建了測(cè)定甲醇的Cu-PtNPs/BDD 新型傳感器，該傳感器對(duì)甲醇濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-4~1.00 mol/L，檢測(cè)限為8.30×10-5mol/L。在雙金屬體系中，Cu-Ni 雙金屬體系因其低成本、高電催化活性和高穩(wěn)定性而成為首選催化材料。Zhenzhi GONG 等〔53〕通過(guò)在BDD 電極表面沉積Ni、Cu合金制備出用于檢測(cè)葡萄糖的Ni/Cu/BDD 生物傳感器，其對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為2.20×10-5~1.83×10-2mol/L，檢測(cè)限為5.70×10-6mol/L，靈敏度為1.01×103μA·L/（mmol·cm2）；與Ni/BDD相比，靈敏度提高了2.22×102μA·L/（mmol·cm2），檢測(cè)限降低了1.50×10-6mol/L，這是由于Ni與Cu的協(xié)同作用提高了Ni/Cu/BDD生物傳感器的催化性能，Ni/CuNPs 很好地嵌入BDD表面，避免了檢測(cè)過(guò)程中Ni/CuNPs 的脫落，提高了BDD 生物傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

金屬納米粒子修飾電極具有許多優(yōu)異特性，對(duì)已有的部分金屬納米粒子修飾BDD 電極的研究進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 金屬納米粒子電沉積修飾BDD 電極Table 2 BDD electrode modified by metal nanoparticles electrodeposition

由表2 可以看出，不同金屬納米粒子修飾BDD電極后對(duì)同一分析物有不同的檢測(cè)范圍、檢測(cè)限和靈敏度，表明了不同金屬納米粒子修飾BDD 電極可以不同程度地提高BDD 電極的電化學(xué)性能。

綜上，金屬納米顆粒和BDD 電極的復(fù)合可以對(duì)生物傳感器的性能產(chǎn)生積極的協(xié)同作用。引入分散在導(dǎo)電聚合物層中的金屬納米粒子，易于對(duì)BDD 薄膜進(jìn)行表面改性，增大其有效表面積和電子轉(zhuǎn)移速率，提高生物傳感器的選擇性和靈敏度。

3.2.2 電沉積金屬氧化物/氫氧化物納米顆粒

在BDD 電極材料上電沉積金屬氧化物/氫氧化物是一種非常便捷和有吸引力的電極修飾技術(shù)，需要很少甚至不需要昂貴或精細(xì)的先進(jìn)設(shè)備，方法簡(jiǎn)單、快速，具有可重復(fù)性。電沉積金屬氧化物/氫氧化物納米顆粒的反應(yīng)可以在室溫下進(jìn)行，通過(guò)改變沉積參數(shù)，如沉積時(shí)間、沉積電位、金屬離子濃度和沉積過(guò)程，對(duì)產(chǎn)品參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。Wei DAI 等〔71〕采用電沉積法合成多晶Ni 和半納米管鎳氧化物復(fù)合材料（Ni-NiO），再將其電沉積到BDD 薄膜上制備出用于檢測(cè)L-絲氨酸的Ni-NiO HNTs/BDD 生物傳感器，其對(duì)L-絲氨酸濃度的檢測(cè)范圍為2.00×10-7~6.54×10-6mol/L，檢測(cè)限為1.00×10-7mol/L，檢測(cè)靈敏度為3.3×102μA·L/（mmol·cm2）；由于Ni-NiO HNTs 具有比表面積大、易于電子傳輸、電催化活性高等優(yōu)點(diǎn)，與高穩(wěn)定性、低背景電流的BDD 電極結(jié)合后的協(xié)同催化作用使得Ni-NiO HNTs/BDD 生物傳感器具有優(yōu)異的傳感性能。Ni和Ni氧化物對(duì)BDD 電極的修飾起到積極的作用，而以Ni（OH）2作為敏感層的傳感器也在葡萄糖檢測(cè)中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，鄒奇〔72〕采用恒電位電沉積法將具有催化活性的Ni（OH）2電沉積在BDD電極表面，制備出用于檢測(cè)葡萄糖的Ni（OH）2/BDD生物傳感器，該傳感器對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為5.00×10-6~5.00×10-3mol/L，檢測(cè)限為4.58×10-6mol/L，靈敏度為7.04×102μA·L/（mmol·cm2）。為進(jìn)一步提高檢測(cè)性能，該課題組對(duì)BDD進(jìn)行了高溫金屬催化腐蝕以提高其比表面積，通過(guò)恒電位電沉積制備出Ni（OH）2/E-BDD傳感器，該傳感器對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為5.00×10-6~5.00×10-3mol/L，檢測(cè)限為2.23×10-6mol/L，靈敏度為1.45×103μA·L/（mmol·cm2），與Ni（OH）2/BDD 傳感器相比，靈敏度提高了7.46×102μA·L/（mmol·cm2）。馬傳軍等〔73〕采用電沉積法將PbO2沉積到BDD 電極表面制備出用于檢測(cè)COD 的PbO2/BDD 傳感器，由于BDD 和PbO2優(yōu)異的電化學(xué)氧化特性，在BDD 和PbO2的協(xié)同作用下，COD 檢測(cè)取得良好效果，其檢測(cè)范圍為1.78×10-4~5.83×10-2mol/L，檢測(cè)限為1.00×10-4mol/L。Zhiqing SHAO 等〔74〕將ZrOCl2和KCl 溶于水中，采用CV 法制備出氧化鋯多孔薄膜修飾的BDD 電極用于DNA 生物傳感器，由于DNA 的磷酸基與ZrO2薄膜的結(jié)合以及BDD 薄膜優(yōu)異的生物相容性，使得DNA 探針可很好地附著在ZrO2/BDD 電極上。

此外，金屬氧化物半導(dǎo)體作為催化劑在高級(jí)氧化法中發(fā)揮著重要作用，在修飾BDD 電極的過(guò)程中，不僅可以形成p-n 異質(zhì)結(jié)，還可以通過(guò)與BDD 電極之間發(fā)生協(xié)同作用進(jìn)而提高其電化學(xué)性能。Min WEI 等〔68〕制備了Au/TiO2納米棒復(fù)合材料用于修飾BDD 電極，修飾后電極對(duì)鄰苯二酚的檢測(cè)靈敏度可以達(dá)到5.16×104μA·L/（mmol·cm2），檢測(cè)范圍為5.00×10-6~2.00×10-4mol/L，檢測(cè)限為1.40×10-6mol/L；與BDD 電極相比，Au-TiO2/BDD 峰值電流有所增加，從46.72 μA 增加到57.13 μA，這是由于TiO2納米棒通過(guò)形成單核和雙核結(jié)構(gòu)的雙齒基團(tuán)，促進(jìn)了鄰苯二酚在電極表面的吸附與富集，而具有良好導(dǎo)電性的AuNPs 可以在TiO2與BDD 電極之間進(jìn)行電通信，從而有效促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移，提高催化活性；需要注意的是，過(guò)高濃度的TiO2納米棒會(huì)阻礙電子的轉(zhuǎn)移，從而降低電流響應(yīng)強(qiáng)度。n 型ZnO 和p 型金剛石異質(zhì)結(jié)的結(jié)合在生物傳感器電極制備方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛〔75〕。Jianwen ZHAO 等〔76〕將ZnO 納米棒微陣列電沉積到硼摻雜納米顆粒（BDND）薄膜電極上，再通過(guò)共價(jià)結(jié)合將酪氨酸酶固定在ZnO 納米棒表面，制備出用于檢測(cè)酚類(lèi)化合物的酪氨酸酶生物傳感器，該生物傳感器對(duì)甲酚濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-6~1.75×10-4mol/L，檢測(cè)限為1.00×10-4mol/L，靈敏度為5.76×102μA·L/（mmol·cm2）；對(duì)4-氯酚濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-6~1.50×10-4mol/L，檢測(cè)限為2.50×10-4mol/L，靈敏度為3.39×102μA·L/（mmol·cm2）；對(duì)苯酚濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-6~1.50×10-4mol/L，檢測(cè)限為2.00×10-4mol/L，靈敏度為2.87×102μA·L/（mmol·cm2）。該酶生物傳感器具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，可用于安培法檢測(cè)酚類(lèi)化合物，也可用于對(duì)其他酶和生物分子的檢測(cè)。

3.2.3 電沉積非金屬

常用于修飾生物傳感器電極的非金屬材料主要有石墨烯（BG）、多孔碳球（CSs）等。BG/金剛石復(fù)合納米薄膜材料不僅擁有金剛石和BG 的綜合性質(zhì)，具有優(yōu)異機(jī)械性質(zhì)、寬電勢(shì)窗口、低背景電流、高電化學(xué)活性等特點(diǎn)，還擁有調(diào)控物理化學(xué)性質(zhì)的能力，能夠構(gòu)建高性能的生物傳感器。M. J. SONG 等〔77〕將BG 和PtNPs 先后沉積在BDD 電極表面，制備出用于檢測(cè)葡萄糖的PtNPs/BG/BDD 生物傳感器，該生物傳感器對(duì)葡萄糖濃度的檢測(cè)范圍為1.98×10-6~1.95×10-3mol/L，檢測(cè)限為1.40×10-7mol/L，靈敏度為17.1 μA·L/（mmol·cm2）；由于BG、PtNPs 和BDD 電極的協(xié)同作用使電活性表面積顯著增加，電子直接轉(zhuǎn)移效率顯著提高，因此，該生物傳感器對(duì)葡萄糖的檢測(cè)具有很高的潛力。Hongji LI 等〔55〕首先采用化學(xué)氣相沉積法制備垂直生長(zhǎng)石墨烯（VBG）/BDD 復(fù)合薄膜，再通過(guò)電沉積法沉積AuNPs，制備出用于檢測(cè)CEA 的AuNPs-VBG/BDD 生物傳感器；BG 納米片垂直生長(zhǎng)在BDD 晶體的暴露面上，BDD 中的sp3C—C 鍵直接轉(zhuǎn)化為BG 中的sp2C—C 鍵，使得VBG/BDD 具有較大的比表面積和較高的電催化活性，實(shí)驗(yàn)表明AuNPs-VBG/BDD 生物傳感器對(duì)CEA 質(zhì)量濃度的檢測(cè)范圍為5.00×10-10~1.00×10-7g/L，檢測(cè)限為1.50×10-10g/L，對(duì)癌抗原125（CA125）檢測(cè)范圍為5.00×10-1~1.00×102U/L，檢測(cè)限為0.09 U/L，因此該生物傳感器適用于對(duì)人體體液中CEA、CA125 等腫瘤標(biāo)志物的實(shí)際檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)癌癥的早期診斷。趙鳳娟等〔78〕采用電沉積法將CSs 和乙酰膽堿酯酶（AChE）固定在BDD 電極表面，制備出用于檢測(cè)甲基對(duì)硫磷的AChE/CSs/BDD 生物傳感器，檢測(cè)原理是有機(jī)磷農(nóng)藥與AChE 酶的活性中心結(jié)合后，導(dǎo)致酶的活性降低，通過(guò)計(jì)算AChE 酶的抑制率，進(jìn)而進(jìn)行有機(jī)磷的測(cè)定；CSs 修飾BDD 電極能夠增大反應(yīng)表面、加快反應(yīng)速率，并且固定更多的酶并保持其活性，提高電極靈敏度，研究表明，該生物傳感器對(duì)甲基對(duì)硫磷質(zhì)量濃度的檢測(cè)范圍為1.00×10-10~1.00×10-7g/L，抑制率為10%時(shí)，檢測(cè)限為3.02×10-12g/L。Min WEI 等〔79〕將蜂窩狀多孔碳、AuNPs 和離子液體作為固定化基質(zhì)制備了AChE/〔BSmim〕H2SO4-AuNPs/BDD 生物傳感器，該生物傳感器具有較高的表面積，可以改善對(duì)AChE 的吸附，提高傳感器的性能，對(duì)乙酰硫代膽堿的水解產(chǎn)物硫代膽堿的峰電流比在AChE/BDD 電極上高4.5 倍以上，為AChE 的固定化提供了高效途徑，可應(yīng)用于對(duì)有機(jī)磷模型化合物敵敵畏的檢測(cè)。

電沉積是在外場(chǎng)電壓下，電解質(zhì)溶液中陰陽(yáng)離子定向移動(dòng)至電極表面，通過(guò)得到或失去電子生成相應(yīng)產(chǎn)物的過(guò)程。與其他化學(xué)方法相比，利用電沉積技術(shù)修飾BDD 電極具有簡(jiǎn)單高效、易于調(diào)控納米尺寸、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其仍有一些問(wèn)題需要解決，如納米薄膜的耐磨、耐腐蝕問(wèn)題，此外，對(duì)納米條件下電化學(xué)沉積機(jī)理以及電沉積電解液、電沉積參數(shù)和添加劑作用機(jī)理的深入研究將有助于提高電極的電化學(xué)性能。

4 結(jié)語(yǔ)

化學(xué)修飾BDD 電極的生物傳感器在檢測(cè)中表現(xiàn)出靈敏度高、響應(yīng)速度快和抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，有著良好的應(yīng)用前景。不同的化學(xué)修飾方法具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。吸附法方法簡(jiǎn)單，修飾后的電極表面粒子附著均勻，但修飾后的電極穩(wěn)定性較差，限制了其進(jìn)一步發(fā)展。而共價(jià)鍵結(jié)合法可以提高電極的穩(wěn)定性，但操作過(guò)程較為繁瑣、費(fèi)時(shí)。電沉積法作為近年來(lái)應(yīng)用最為廣泛的BDD 電極修飾方法之一，具有步驟簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)勢(shì)，但在電沉積過(guò)程中電解液的配比、電流/電位、溶液pH 等操作條件對(duì)所得電極的表面形貌和化學(xué)特性影響較大，因此，如何基于優(yōu)化電極性能合理調(diào)控電沉積條件，通常是使用該方法時(shí)應(yīng)著重考慮的問(wèn)題。

為推進(jìn)BDD 修飾電極在生物傳感器中的實(shí)際應(yīng)用，未來(lái)可以從以下兩個(gè)方面展開(kāi)深入研究：1）對(duì)電極-溶液界面的微觀(guān)反應(yīng)機(jī)制、電極結(jié)構(gòu)效應(yīng)的作用機(jī)理進(jìn)行深入研究，以明晰提升BDD 基電極選擇性和穩(wěn)定性的機(jī)理和關(guān)鍵因素；2）結(jié)合量子化學(xué)計(jì)算方法研究BDD 基電極的修飾和反應(yīng)機(jī)理，針對(duì)性指導(dǎo)特定活性組分的選擇和BDD 基底的修飾優(yōu)化，提升其在生物傳感器中的傳感性能，對(duì)BDD 基電極日后的潛在擴(kuò)大化應(yīng)用具有重要意義。