石墨烯在电化学生物传感器领域的应用

　　石墨烯由于具有大的比表面积、优异的机械性能和良好的导电性，使得它在纳米电子器件，传感器，药物载体，超级电容器以及能量存储等领域得到了广泛的应用。将石墨烯应用于电生物传感器不仅有重要的理论价值，而且对生命分析领域的快速发展具有重要现实指导意义。本文重点介绍了石墨烯在电化学物传感器领域的研究进展，简单探讨了石墨烯在电化学领域应用存在的问题。

　　1 石墨烯在电化学生物传感器领域的研究进展

　　1.1 酶传感器

　　由于石墨烯对 H2O2具有较高的电催化活性，对葡萄糖氧化酶具有良好的直接电化学催化氧化性能，因此石墨烯可以作为卓越的电极材料制备酶生物传感器。Shan[1]报道了利用聚乙烯吡咯烷酮修饰的功能化石墨烯纳米材料构建了电化学葡萄糖生物传感器，该小组将聚乙烯吡咯烷酮功能化的石墨烯分散于聚乙烯亚胺功能化的离子液体后，制备得到石墨烯/离子液体修饰电极能极好的固定葡萄糖氧化酶，利用石墨烯复合材料材料对 O2和 H2O2的还原催化作用，成功制备出葡萄糖电化学生物传感器检测，线性范围为 2~14 mmol/L。Liu[2]研究了将铜纳米粒子通过电解沉积在石墨烯片层上构建了非酶葡萄糖传感器，在 500 mV 电压下，对葡萄糖的检测线性范围达到 4.5 mM，最低检测限位为 0.5 μM。

　　Zhuo[3]研究小组研究了以细胞因子与葡萄糖氧化酶级联催化物为信号放大物，功能化磁性石墨烯纳米球为信号标记物，构建了用于检测甲状腺激素的免疫传感器，最低检测限可达 15 fg/mL。

　　1.2 免疫传感器

　　由于石墨烯就有大的表面面积和良好的生物相容性，因此，Mohammed Zourob[4]研究了通过电还原芳基重氮盐在石墨烯修饰丝网印刷电极表面键合一层有机膜构建了用于检测乳球蛋白的电化学免疫传感器，在 PBS 溶液中对乳球蛋白的检测线性范围为 1pg/mL~1 ng/mL，最低检出限可达 0.8 pg/mL。Yu 等[5]人研究了以多酶功能化的多孔纳米银离子为载体，辣根过氧化酶为标记，立体多孔金纳米粒子石墨烯复合物修饰电极构建了免疫传感器用于检测癌胚抗原，检测范围为 0.001~10 ng/mL，最低检测限为 0.35pg/mL。Li 等[6]人研究了氮掺杂石墨烯修饰电极构建了用于检测癌生物标记物 CA 15-3 的免标记免疫传感器，线性范围为 0.1~20U/mL，最低检出限为 0.012 U/mL。Tang 等[7]人研究了以银纳米线-石墨烯复合纳米材料作为标记物构建免标记的免疫传感器用于检测甲胎抗原。

　　1.3 DNA 传感器

　　Dharuman[8]研究了聚酰胺-石墨烯-金纳米粒子复合材料修饰电极构建了DNA杂化生物传感器，他们用树枝状高分子聚酰胺与石墨烯形成复合物，之后又将其共价结合在吸附在金导体上的胺巯基丙酸，得到羧基功能化的石墨烯复合物，再将金纳米粒子修饰在功能化石墨烯表面，成功制备了DNA杂化传感器，线性范围为1pM~1μM。Pumera[9]

　　研究发现以堆垛型石墨烯纳米纤维为电极材料对于选择性生物标记的电化学响应是单臂碳纳米管修饰电极的两倍。随后，他们利用分析电化学方法对DNA碱基和DNA长链流感病毒进行了测定，发现基于石墨烯电极的灵敏度是SWCNTs电极的2~4倍。Pumera[10]通过电化学阻抗法对DNA与石墨烯结合的三种不同方法进行了对比研究，研究发现单链DNA与石墨烯的结合位点对DNA与互补链的杂交具有非常明显的影响。Sun等[11]研究了以电化学还原氧化石墨烯与树枝状的纳米金的复合材料修饰碳离子液体电极构建了用于检测单核细胞增多性李斯特氏菌的DNA传感器，在研究过程中以甲基蓝为电信号标记物，研究发现此传感器对特定的单核细胞增多性李斯特氏菌ssDNA序列的检测范围为1.0×10?12~1.0×10?6mol/L，最低检测限位2.9×10?13mol/L。

　　1.4 适体传感器

　　适体是[12]利用体外筛选技术——指数富集的配体系统进化技术，从核酸分子文库中得到的寡核苷酸片段。适体生物传感器是将适体作为分子识别元件固定在信号转换器上组成的分析器件。

　　Wang等[13]首次报道了通过藻酸双脂钠/石墨烯和丙烯酸甲酯/亚甲基蓝的交替吸附将适体物理吸附在导电胶膜上，构建了免标记的适体传感器用于检测缩氨酸。通过层层组装法制备的多层石墨烯具有积累甲基蓝、加快电子转移速率以及提供更多的吸附位点等优点，制备的适体传感器检测精氨酸的最低浓度可达1 ng/mL，线性范围为1~265 ng/mL。He等[14]将石墨烯自组装与脱氧核糖核酸酶交联目标物滚环扩增技术结合构建了检测干扰素的电化学免标记适体传感器，首先将石墨烯与干扰素适体结合形成石墨烯-适体复合物，再将此复合物与目标物干扰素以及脱氧核糖核酸酶混合，滴到巯基乙醇修饰的金电极表面，通过循环伏安、差分脉冲伏安以及交流阻抗等电化学技术进行检测，其最低检测浓度可达0.065pM，线性范围为0.1~0.7 pM。Yu等[15]利用石墨烯的电化学发光性能合成了发蓝光的石墨烯量子点构建了用于检测三磷酸腺苷的电化学发光适体传感器。

　　1.5 小分子检测

　　石墨烯具有巨大的比表面体积、良好导电性，因而对一些特定金属具有富集作用，对底物具有较高的电催化性能，被广泛应用于一些电活性物质及无机金属离子的检测。Li[16]将石墨烯分散于Nafion溶液后，滴涂于玻碳电极表面制备了Nafion-石墨烯复合材料修饰电极，并利用此修饰电极，结合电化学微分脉冲阳极溶出伏安法实现了对重金属离子Cd2+和Pb2+的检测。Xia等[17]将热化学还原的石墨烯修饰于玻碳电极表面制备了石墨烯修饰电极，研究发现石墨烯对对苯二酚、邻苯二酚及间苯二酚具有很好的电催化效果，石墨烯修饰电极能够很好的在混合液将三种苯二酚异构体的氧化峰分开，并结合差分脉冲伏安法实现了对苯二酚、邻苯二酚的同时检测。除了对苯二酚的检测外，石墨烯还能应用与其他酚类的检测，如Tae Seok Seo等[18]研究了三维立体石墨烯微珠在苯酚检测中的应用，Li等[19]研究了电化学同时还原法制备的石墨烯与金纳米粒子的复合物在对硝基苯酚检测中的应用，Yang等[20]研究了单壁碳纳米管与石墨烯纳米复合物修饰电极对乙酰氨基酚的检测。目前，已有许多文献报道了石墨烯及石墨烯复合材料修饰电极检测抗坏血酸、多巴胺及尿酸的研究。Mallesha[21]和Kim[22]等均研究直接将通过溶剂热法还原的氧化石墨烯修饰于石墨电极表面用于检测与抗坏血酸、尿酸同时存在的多巴胺；Pumera等[23]对比单层、多层石墨烯片及石墨烯微粒对抗坏血酸及尿酸的电催化行为，研究发现石墨烯微粒具有更好的电催化作用；John等[24]研究了电化学还原氧化石墨烯修饰玻碳电极电极对抗坏血酸、多巴胺及尿酸的电催化行为；Sun[25]与Wang[26]等研究了石墨烯与铂纳米粒子复合材料及石墨烯与钯纳米粒子复合材料修饰玻碳电极同时检测抗坏血酸、尿酸及多巴胺；Xia等[27]研究了氮掺杂石墨烯复合物修饰玻碳电极检测抗坏血酸、尿酸及多巴胺。研究发现石墨烯及石墨烯复合材料均对抗坏血酸、尿酸及多巴胺具有及好的电催化效果，因此，利用石墨烯及石墨烯复合材料修饰电极，再结合循环伏安法和差分脉冲伏安法能够达到对抗坏血酸、尿酸及多巴胺的同时检测。

　　2 结束语

　　近年来，石墨烯在制备和应用方面取得了显着的进步。但仍有许多亟待解决的问题，例如，石墨烯低成本大规模的制备，石墨烯的水溶性问题的解决，石墨烯复合材料的制备与性能研究以及石墨烯的在电化学领域的应用等等。因此，石墨烯的研究仍将是一个十分活跃的研究领域。