碳納米復(fù)合材料在電化學(xué)生物傳感器中的研究進(jìn)展

劉皓楠，劉艷

（無(wú)機(jī)特種功能材料重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，重慶涪陵408100）

0 引言

近年來(lái)，納米技術(shù)飛速發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)。將納米材料作為新型生物傳感介質(zhì)引入電化學(xué)傳感領(lǐng)域，極大地促進(jìn)了電化學(xué)傳感器的發(fā)展[1]。在眾多納米材料中，碳納米材料由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，一直是電極材料研究的熱點(diǎn)。人們對(duì)碳納米材料在化學(xué)和生物傳感以及納米電子設(shè)備上的應(yīng)用產(chǎn)生了濃厚興趣。碳納米材料具有比表面積大、催化活性高、親和力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以有效地固定生物分子并保持其生物活性，同時(shí)又能促進(jìn)蛋白質(zhì)的電子傳遞，因而已廣泛用于電化學(xué)生物傳感器的制備[2～8]。

然而單一組分的碳納米材料無(wú)法滿足電化學(xué)檢測(cè)的所有需求，且通常制備的碳納米材料往往存在一定的使用缺陷，如碳納米管的相互黏連成團(tuán)；石墨烯片層的卷曲、團(tuán)聚、層間的堆疊；碳量子點(diǎn)的團(tuán)聚，使其喪失了納米結(jié)構(gòu)的特性。同時(shí)，碳納米材料在溶劑中的分散性也是限制其在電化學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的主要因素。因此，在實(shí)際應(yīng)用中通常需將碳納米材料進(jìn)行功能化或與其它無(wú)機(jī)、有機(jī)功能性納米材料復(fù)合，這些復(fù)合材料具有分散性好，性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。借助不同組分間的相互協(xié)同作用，進(jìn)一步改善碳納米材料的電化學(xué)性質(zhì)，拓展其在電化學(xué)生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用[9]。該文介紹了幾種熱點(diǎn)碳納米材料，包括碳納米管、石墨烯、碳量子點(diǎn)、富勒烯等。綜述了碳納米材料復(fù)合物在電化學(xué)生物傳感器研究中的應(yīng)用。并展望了基于碳納米材料的電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展方向。

1 碳納米材料簡(jiǎn)介

自20世紀(jì)80年代柯?tīng)?、克羅托和斯莫利發(fā)現(xiàn)了C60[10]，1991年日本某公司科研人員發(fā)現(xiàn)碳納米管[11]，到2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·K·海姆和他的學(xué)生康斯坦丁·沃消洛夫等制備出了石墨烯[12]。多種多樣的碳納米材料層出不窮，已成為納米科學(xué)最為活躍的研究領(lǐng)域之一（圖1）。

1.1 零維碳納米材料

零維納米材料是指三個(gè)維度都處于納米尺寸，包括團(tuán)簇、人造原子、納米顆粒等。1985年Kroto等報(bào)道發(fā)現(xiàn)了單質(zhì)碳的第三種同素異形體—C60，隨后，科學(xué)家們又合成分離出了小至C20，大至C240的碳原子團(tuán)簇，學(xué)術(shù)界將這種籠狀碳原子簇統(tǒng)稱為富勒烯。富勒烯家族的發(fā)現(xiàn)是世界科技史上的一個(gè)重要里程碑[13]。研究中發(fā)現(xiàn)，富勒烯分子都是由12個(gè)五元環(huán)和數(shù)目不等的六元環(huán)組成，每個(gè)五元環(huán)與5個(gè)六元環(huán)共邊，形成一種由六元環(huán)將12個(gè)五元環(huán)分開(kāi)的結(jié)構(gòu)。這主要是由于五元環(huán)與五元環(huán)相連會(huì)使分子中σ鍵張力增大而變得不穩(wěn)定。所以，目前制得的富勒烯結(jié)構(gòu)中，五元環(huán)都是孤立存在的，人們稱之為“獨(dú)立五元環(huán)規(guī)則”[13～14]。富勒烯分子的獨(dú)特結(jié)構(gòu)決定了其豐富多彩的物理、化學(xué)性質(zhì)。富勒烯是很好的電子受體，具有超導(dǎo)性。研究中還發(fā)現(xiàn)，將金屬原子嵌入富勒烯內(nèi)形成金屬富勒烯或?qū)μ蓟\表面進(jìn)行修飾，形成富勒烯衍生物，極其不穩(wěn)定的違反獨(dú)立五元環(huán)規(guī)則的富勒烯亦可被穩(wěn)定下來(lái)，通過(guò)對(duì)富勒烯進(jìn)行籠內(nèi)修飾或籠外修飾開(kāi)辟了富勒烯研究的新領(lǐng)域，使富勒烯在超導(dǎo)、磁學(xué)、光學(xué)、催化、材料及生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)傳感等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景[15]。

圖1 碳納米材料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of Carbon nanomaterials

量子點(diǎn)的概念是在上世紀(jì)80年代提出的，21世紀(jì)初，美國(guó)克萊蒙森大學(xué)的科學(xué)家首次制造出一種新型的碳納米材料—碳量子點(diǎn)（CQD）[16]。碳量子點(diǎn)是一種分散的，尺寸小于10nm的類球形納米顆粒[17]，以sp2/sp3混合結(jié)構(gòu)碳原子組成。碳量子點(diǎn)在性質(zhì)上不僅有傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)類似的熒光發(fā)射行為，而且具有制備工藝簡(jiǎn)單、原材料價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。由于碳量子點(diǎn)表面含大量的羥基基團(tuán)和羧基基團(tuán)，使其可在水溶液中分散而穩(wěn)定存在。同時(shí)，為其表面改性提供了方便條件。碳量子點(diǎn)特有的光學(xué)性質(zhì)、低毒性、較好的生物相容性、高比表面積、高電子遷移率和可調(diào)節(jié)帶隙、易于表面功能化等優(yōu)點(diǎn)。使其在包括改進(jìn)生物傳感器、醫(yī)學(xué)成像設(shè)備和微小的發(fā)光二極管等領(lǐng)域中都有很好的應(yīng)用前景[18～19]。

1.2 一維碳納米材料

一維納米材料是指二個(gè)維度處于納米尺寸，包括納米線、納米管、納米棒、納米纖維等。1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管（CNTs），分為兩種類型：?jiǎn)伪谔技{米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。SWCNT可看成由石墨片按一定方向卷曲而成的圓筒，其性質(zhì)決定于卷曲方向和圓筒直徑。SWCNT的管壁和管端具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，管端碳原子呈五元環(huán)或六元環(huán)結(jié)構(gòu)，而管壁碳原子僅由六元環(huán)組成。MWCNT可視為由同軸不同數(shù)量的不同管徑的SWCNTs卷曲而成，每層殼間距大約為0.34 nm。MWCNT在形成時(shí)，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多壁管的管壁上通常布滿小洞樣的缺陷。與多壁管相比，單壁管直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。單壁管典型直徑在0.2～2 nm，多壁管最內(nèi)層可達(dá)0.4 nm，最粗可達(dá)數(shù)百納米，但典型管徑為2～100 nm[20]。目前，碳納米管的制備還存在一些根本的問(wèn)題，比如SWCNT的手性、管徑控制等方面，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)理想的突破，使SWCNT的應(yīng)用受到一定限制。

CNTs在機(jī)械方面具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度和彈性；在電子學(xué)方面具有優(yōu)良的導(dǎo)體或半導(dǎo)體特性；在光學(xué)方面具有優(yōu)異的非線性光學(xué)性質(zhì)。CNTs有中空孔道，使其易于容納客體分子，如蛋白質(zhì)和酶分子可固定到CNTs孔內(nèi)及其表面上，并仍保持生物活性。氧化反應(yīng)研究表明CNTs的管端比柱體部分更活潑。從頭計(jì)算表明，管端五元碳環(huán)的石墨平面平均負(fù)荷密度比柱體六元環(huán)大3～4倍，可用作電活性位點(diǎn)。將其應(yīng)用到電極材料中可大大促進(jìn)樣品的電子傳遞速率。適度的活性還使得CNTs易于被功能化。進(jìn)一步用于設(shè)計(jì)傳感器[20]。

1.3 二維碳納米材料

二維納米材料是指有一個(gè)維度處于納米尺寸，包括納米帶、超薄膜、多層膜等。2004年Geim和Noveselov等用機(jī)械剝離法，從三維石墨中提取出單層石墨烯片層。近幾年石墨烯已成為飛速發(fā)展起來(lái)的一種二維碳納米材料。石墨烯中碳原子以sp2雜化方式互相鍵合成蜂窩狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，單層石墨烯厚度只有0.335 nm，它最大的特性是導(dǎo)電速度極快，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它導(dǎo)體材料，可用在導(dǎo)電薄膜、電極材料、傳感器等方面。石墨烯還有強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，可作為添加劑廣泛應(yīng)用到高強(qiáng)度復(fù)合材料之中。研究中還發(fā)現(xiàn)石墨烯特殊的結(jié)構(gòu)，使其具有完美的量子隧道效應(yīng)、半整數(shù)的量子霍爾效應(yīng)和永不消失的電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)[21～22]，引起科學(xué)界的極大興趣。從被發(fā)現(xiàn)到至今的10余年間，石墨烯已步入研究的黃金時(shí)期。

當(dāng)前，納米科學(xué)的快速發(fā)展很大程度上得益于富勒烯、納米管等碳納米材料的發(fā)現(xiàn)。目前，碳納米角、石墨炔等一系列新材料的涌現(xiàn)使碳納米材料家族不斷壯大，進(jìn)一步推動(dòng)了納米科學(xué)的繁榮。近二十年來(lái)，碳納米材料一直是科技創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域。以富勒烯、碳納米管和石墨烯為代表的碳納米材料，在經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的研究高潮后，已進(jìn)入較為平穩(wěn)扎實(shí)的研究階段。隨著研究的不斷深入，碳納米材料在人類生產(chǎn)和生活中必將顯示出越來(lái)越多的不可替代的重要作用[23～24]。

2 基于碳納米管納米復(fù)合物的電化學(xué)生物傳感器

研究發(fā)現(xiàn)，CNTs對(duì)多種物質(zhì)的氧化還原反應(yīng)具有輔助作用，如：多巴胺、H2O2、還原性輔酶（NADH）等。CNTs體積小，強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，這些性質(zhì)有利于制作CNTs修飾電極。CNTs還可通過(guò)其管端修飾特定官能團(tuán)，如羧基、羥基等，進(jìn)而固定酶等生物活性物質(zhì)，以發(fā)展不同的生物傳感器。CNTs在許多情況下可作為分子導(dǎo)線來(lái)連接電極表面和酶的活性位點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)需介質(zhì)的直接電化學(xué)檢測(cè)。CNTs修飾電極的制備主要包括：CNTs復(fù)合電極；層層組裝電極；CNTs包覆電極。

袁若課題組[25]報(bào)道了一種基于多壁碳納米管（MWCNT）和納米金（AuNPs）復(fù)合物的生物傳感器。首先將MWCNT分散液滴涂于玻碳電極表面，然后將晾干后的電極依次放入帶正電荷的HRP溶液及帶負(fù)電荷的AuNPs溶液浸泡，最后再在HRP溶液中浸泡，制得了以MWCNT為基底，AuNPs為固載平臺(tái)固定雙層HRP的過(guò)氧化氫生物傳感器(HRP/AuNPs/HRP/MWCNT/GC)。MWCNT作為分子導(dǎo)線連接電極表面和酶的活性位點(diǎn)，該傳感器無(wú)需電子媒介體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)辣根過(guò)氧化物酶的直接電化學(xué)催化特性。AuNPs對(duì)蛋白質(zhì)具有強(qiáng)的吸附能力及強(qiáng)的電子傳導(dǎo)特性。該傳感器在H2O2濃度為1.0×10-3～1.0×10-3mol/L范圍內(nèi)有線性響應(yīng)，檢測(cè)下限為0.7×10-7mol/L。并顯示出良好的重現(xiàn)性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這種優(yōu)異的性能可歸因?yàn)镸WCNT和AuNPs的協(xié)同作用及復(fù)合傳感界面大的比表面積及良好的生物相容性。

岳偉超等[26]利用荷葉萃取液生物合成AuNPs，并將其分散在多壁碳納米管(MWCNT)上，再通過(guò)Au-S鍵與L-半胱氨酸(L-Cys)復(fù)合制備了一種新型的復(fù)合電極材料，研制出一種測(cè)定左旋多巴的生物傳感器。MWCNT大的比表面積和長(zhǎng)徑比使得MWCNT成為裝載AuNPs的理想載體，AuNPs密集修飾在MWCNT上且不會(huì)發(fā)生團(tuán)聚。由于AuNPs和MWCNT的協(xié)同作用，提高了傳感界面的電催化活性，增大了L-Cys的負(fù)載量，使該傳感器顯示出極高的靈敏度和良好的穩(wěn)定性。

李建龍等[27]利用層層自組裝技術(shù)將羧基化的MWCNT，殼聚糖（CS），和HRP標(biāo)記青霉素抗體（HRP-Ab）共固定于玻碳電極表面，利用HRP可以催化H2O2的還原，進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)苯二酚的氧化，從而引起阻抗的變化，然后根據(jù)電流的變化從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)牛奶中青霉素的定量測(cè)量。MWCNT作為生物相容性材料，為蛋白質(zhì)和酶分子的固定提供了與其本體相似的微環(huán)境，很好的保持了酶促和電化學(xué)活性，同時(shí)MWCNT的大的比表面積使固定于其表面的蛋白質(zhì)有更多自由取向，從而減小了傳感界面中蛋白質(zhì)所形成的電阻，提高檢測(cè)的靈敏度。

張仁彥等[28]利用交聯(lián)劑戊二醛將甲醛脫氫酶固定于羧基化MWCNT修飾的絲網(wǎng)印刷電極，制備了基于還原型輔酶Ⅰ檢測(cè)的甲醛生物傳感器。此傳感器對(duì)甲醛有較好的電催化氧化作用。由于MWCNT的優(yōu)異的電子傳輸性能，且具有的大的比表面積，為電化學(xué)反應(yīng)提供了充足的反應(yīng)場(chǎng)所，MWCNT表面及端位的羧基提供了更多的活性位點(diǎn)。該傳感器在0.001～11 mmol/L范圍內(nèi)，響應(yīng)電流與甲醛的濃度成線性關(guān)系。檢出限為0.2 μmol/L。這種羧基化多壁碳納米管修飾的絲網(wǎng)印刷電極大大降低了酶催化產(chǎn)物NADH的氧化峰電位，減少了中間產(chǎn)物對(duì)電極的污染及其它電活性物質(zhì)的干擾。

趙越等[29]用改進(jìn)的全電化學(xué)三步法制備了三維金納米團(tuán)簇/MWCNTs(3D Au/MWCNTs)納米復(fù)合材料（圖2），最后用Nafion膜進(jìn)行涂布固定，制得3D Au/MWCNTs-Nafion修飾電極。該傳感界面具有金納米核團(tuán)簇而成的特殊圓丘狀三維結(jié)構(gòu)，電化學(xué)活性表面積(ECSA)比均勻分散的Au/MWCNTs提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，可有效提高血紅蛋白(Hb)在電極表面的負(fù)載量。實(shí)驗(yàn)表明，3D Au/MWCNTs-Nafion修飾電極結(jié)構(gòu)特殊、性能優(yōu)越，對(duì)Hb的直接電化學(xué)研究具有積極的促進(jìn)作用。進(jìn)一步制備Hb/Au/MWCNTs-Nafion電極，可準(zhǔn)確高效的檢測(cè)Hb及相關(guān)生物活性物質(zhì)（圖3）。

周娜等[30]利用滴涂法將Ag-TiO2復(fù)合物及分散于N，N-二甲基甲酰胺中的MWCNT混合溶液，滴涂于裸碳糊電極表面，制得MWCNT/Ag-TiO2修飾碳糊電極。碳納米管大的比表面積和良好的電子傳遞性能與Ag-TiO2納米復(fù)合物良好的生物相容性和對(duì)DNA極好的吸附能力的協(xié)同作用，顯著提高了DNA探針的固載和DNA雜交的檢測(cè)靈敏度。封科軍等[31]首先將DNA酶序列與SWCNT作用，然后加入血晶素(Hemin)形成SWCNT-DNA酶復(fù)合結(jié)構(gòu)，然后將分散于殼聚糖溶液中的SWCNT-DNA酶復(fù)合物滴到玻碳電極表面，制得SWCNT-DNA酶復(fù)合結(jié)構(gòu)的電化學(xué)生物傳感界面，用戊二醛作為交聯(lián)劑將葡萄糖氧化酶固定在傳感界面上，即制得葡萄糖氧化酶電極。該電化學(xué)生物傳感器結(jié)合了DNA酶優(yōu)異的氧化還原催化特性和碳納米管良好的生物相容性及電催化特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)葡萄糖的快速靈敏檢測(cè)。

圖2 改進(jìn)的三步法制備3D Au/MWCNTs[29]Fig.2 Schematic diagram illustrating the formation of 3D Au/MWCNTs[29]

圖3 (a)3D Au/MWCNTs的TEM圖；(b)3D Au/MWCNTs-Nafion在Hb(pH＝6 PBS)溶液中的循環(huán)伏安圖.插圖3D Au/MWCNTs-Nafion電極還原峰電流與Hb濃度的線性關(guān)系.掃描速度:100 mV/s)[29]Fig.3 (a)TEM image of 3D Au/MWCNTs.(b)Cyclic voltammograms of 3D Au/MWCNTs-Nafion in Hb solution(pH＝6 PBS).Inset:Linear relationship of 3D Au/MWCNTs-Nafion electrode reduction peak current and Hb concentration.Scan rate:100 mV/s[29]

3 基于石墨烯納米復(fù)合物的電化學(xué)生物傳感器

石墨烯（GR）是近幾年飛速發(fā)展起來(lái)的一種碳納米材料。當(dāng)前，將石墨烯通過(guò)功能化改性或與其它無(wú)機(jī)、有機(jī)材料復(fù)合形成具有可控組成和微結(jié)構(gòu)的宏觀電極材料已成為研究熱點(diǎn)。

朱旭等[32]報(bào)道了一種無(wú)酶葡萄糖生物傳感器。文章中將氧化石墨烯（GO）與氯金酸（HAuCl4·3H2O）溶液混合，然后加入抗壞血酸（AA）溶液作還原劑，在AA的作用下，GO和Au3+同步被還原為GR和金納米顆粒，最終得到穩(wěn)定的GR-AuNPs復(fù)合材料。將所得GR-AuNPs復(fù)合材料懸浮液滴涂于玻碳電極表面，干燥后用Nafion-乙醇溶液進(jìn)行固定，待乙醇揮發(fā)后即制得GR/AuNPs復(fù)合材料修飾的無(wú)酶葡萄糖生物傳感器。在制備該復(fù)合電催化體系中，GR起到了很好的沉積電催化劑AuNPs的導(dǎo)電性載體的作用。GR與AuNPs的復(fù)合進(jìn)一步增大了傳感界面的比表面積，電子傳遞能力也得到顯著提高。

王傳現(xiàn)等[33]在玻碳電極表面沉積AuNPs，然后將石墨烯(GR)-殼聚糖(CS)懸浮液與己烯雌酚(DES)混合物滴涂于處理過(guò)的玻碳電極表面，制備出一種檢測(cè)DES抗原的新型免標(biāo)記電化學(xué)免疫傳感器。該電化學(xué)免疫傳感器結(jié)合了AuNPs良好的導(dǎo)電性能和生物相容性，GR優(yōu)異的導(dǎo)電性能和較大的比表面積等特性以及CS吸附特性和對(duì)GR良好的分散效果，復(fù)合材料具有更優(yōu)越的電化學(xué)性能。

Liu等[34]制備了一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表面均一的三維MWCNTs/GR多層膜修飾電極，并基于該三維電極界面構(gòu)建了夾心結(jié)構(gòu)免疫傳感器，用于測(cè)定人血清中免疫球蛋白G（IgG）（圖4）。文章中利用帶負(fù)電荷的一維MWCNTs及二維GR和陽(yáng)離子型聚合物PDDA采用層層自組裝技術(shù)，構(gòu)建基于MWCNTs/GR復(fù)合膜的三維電極界面（圖5），該三維界面為電化學(xué)反應(yīng)提供了豐富的反應(yīng)場(chǎng)所，增強(qiáng)了酶的活性位點(diǎn)與電極之間的電子轉(zhuǎn)移能力，提高了檢測(cè)靈敏度。

Yuan等[35]在玻碳電極表面修飾殼聚糖(CS)、二茂鐵(Fc)和納米二氧化鈦(TiO2)復(fù)合膜，納米TiO2具有很好的生物相容性和良好的導(dǎo)電性能，可作為成膜材料用于電極修飾[36]。該研究中利用納米TiO2的大的比表面積及超強(qiáng)的吸附能力吸附AuNPs和GR納米雜化膜，進(jìn)一步吸附cnti-CEA，制得癌胚抗原免疫傳感器（圖6）?；诖顺瑥?qiáng)導(dǎo)電界面，使響應(yīng)信號(hào)逐步加強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CEA的靈敏性檢測(cè)，檢測(cè)的線性范圍為0.01～80 ng/mL，檢測(cè)限達(dá)到3.4 pg/mL（圖7）。該傳感器方法簡(jiǎn)便、快捷，在臨床醫(yī)學(xué)上對(duì)低水平蛋白檢測(cè)方面有巨大的應(yīng)用潛力。

圖4 （MWCNTs/GR）n多層膜的構(gòu)建及夾心免疫檢測(cè)平臺(tái)組裝示意圖[34]Fig.4 Schematic illustration of the fabrication of graphene–carbon nanotube electrode interface and the construction of the sandwich-type electrochemical immunosensor[34]

圖5 MWCNT/PDDA/GR/PDDA在玻碳電極表面自組裝掃描電鏡圖片[34](A)GR/GC,(B)(MWNTs/GR)3/GCFig.5 The SEM patterns of glassy carbon electrode modified with one layer of graphene(A)and three layers of GR-MWCT composite(B)[34]

圖6 (A)CS-Fc+TiO2復(fù)合膜SEM圖；(B)Au-GR/CS-Fc+TiO2復(fù)合膜SEM圖[35]Fig.6 (A)SEM image of the CS-Fc+TiO2composite fi lm;(B)SEM image of Au-Gra/CS-Fc+TiO2[35]

徐運(yùn)妹等[37]利用氧化石墨烯(GO)大的比表面積、優(yōu)良的電子傳導(dǎo)性，將DNA有效地吸附到由GO修飾的玻碳電極表面，制備了DNA/GO/GC復(fù)合電極。該電極在含有苯酚的溶液中，由于苯酚對(duì)DNA的損傷作用，降低了DNA在電極上的電化學(xué)響應(yīng)。響應(yīng)信號(hào)與苯酚的濃度對(duì)數(shù)呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境污染物苯酚的檢測(cè)。

圖7 (A)傳感器對(duì)不同濃度CEA的循環(huán)伏安響應(yīng)圖，掃描速度：50 mV/s；(B)電極陽(yáng)極峰電流與CEA濃度的線性關(guān)系[35]Fig.7 Curve(A)reveals:The typical cyclic voltammograms plots upon the addition of varying amounts of CEA.All potentials are given versus SCE and the scan rate was 50 mV/s Curve,(B)shows:The calibration plots of the anodic peak current response versus concentration of CEA with the immunosensor under optimal conditions[35]

離子液體（ionic liquid,IL）為液態(tài)離子化合物，由帶正、負(fù)電荷的離子組成。作為一種新型溶劑，室溫離子液體具有一些傳統(tǒng)溶劑所不具備的性質(zhì)。如：液態(tài)溫度范圍寬；溶解能力強(qiáng)；無(wú)顯著的蒸汽壓；熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高；粘度大；導(dǎo)電性好，電位窗寬；低的毒性和環(huán)境影響等[38]。近年來(lái)已在生物和生物電化學(xué)領(lǐng)域中引起越來(lái)越多的關(guān)注。付海瑩等[39]將石墨烯(GR)與室溫離子液體(IL)1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽(BMIMPF6)，以一定的比例研磨成膠狀I(lǐng)L-GR，ILGR復(fù)合物可作為一種具有良好生物相容性的電子媒介體和固定酶的新型生物平臺(tái)。在此復(fù)合物中混合尿酸酶(Uox)，制備出了基于Uox/IL-GR/GC電極的檢測(cè)尿酸的酶生物傳感器。IL-GR納米復(fù)合膜良好的協(xié)同作用，表現(xiàn)出更好的電催化活性。

4 基于準(zhǔn)零維碳納米材料復(fù)合物的電化學(xué)生物傳感器

富勒烯和碳量子點(diǎn)都屬于準(zhǔn)零維碳納米材料。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，自被報(bào)道以來(lái)，有關(guān)其基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面的研究已廣泛開(kāi)展起來(lái)。由于富勒烯呈現(xiàn)封閉的籠狀立體結(jié)構(gòu)且分子中不含氫原子和其它功能基團(tuán)，而限制了其在電化學(xué)分析領(lǐng)域的應(yīng)用。與其相似，實(shí)驗(yàn)制備出的碳量子點(diǎn)，雖然表面含有大量含氧基團(tuán)，但由于不具備特定功能，亦不容易實(shí)現(xiàn)具體應(yīng)用。因此，實(shí)際應(yīng)用中，需對(duì)富勒烯及碳量子點(diǎn)進(jìn)行化學(xué)修飾以引入不同功能的活性基團(tuán)來(lái)拓寬其應(yīng)用范圍。近年來(lái)，富勒烯和碳量子點(diǎn)在電化學(xué)分析中的應(yīng)用已取得一些研究成果[40～42]。

史娟蘭等[43]以富勒烯(C60)，L-蘇氨酸及對(duì)苯二甲醛為原料，在C60分子中引入醛基功能基團(tuán)，得到2-(4-醛基苯基)-5-(1-羥乙基)富勒烯吡咯烷衍生物(C60-CHO)。將該材料修飾于玻碳電極表面，并利用醛基與氨基之間溫和、高效的縮合反應(yīng)，5'-氨基修飾的寡聚核苷酸(S1)共價(jià)固定到了C60-CHO修飾的玻碳電極表面，構(gòu)建了一種新型的電化學(xué)DNA傳感器（圖8）。該方法直接、簡(jiǎn)單，分析信號(hào)與目標(biāo)序列在1.0×10-13～1.0×10-19mol/L范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系，檢出限為1.5×10-14mol/L（圖9）。該傳感器的良好性能歸因于富勒烯超強(qiáng)的電子傳輸功能和對(duì)目標(biāo)DNA序列的特異性檢測(cè)。

Huang等[44]制備出核殼納米材料Au@碳量子點(diǎn)并與殼聚糖形成復(fù)合物修飾到玻碳電極表面，制備出新型基于Au@CDs-CS/GC的多巴胺（DA）電化學(xué)生物傳感器。羧基化帶負(fù)電荷的CDs不僅具有良好的穩(wěn)定性，同時(shí)其對(duì)DA由于靜電作用而產(chǎn)生高度特異性識(shí)別作用。AuNPs顯著提高了傳感界面的電子傳輸速率，AuNPs與CDs的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)DA靈敏、可靠的檢測(cè)，并且不會(huì)被常見(jiàn)的其它電活性物質(zhì)所干擾。檢測(cè)的線性檢測(cè)范圍為：0.01～100.0 μmol/L，檢出限達(dá)到了0.001 μmol/L。

圖9 (a)C60-CHO/GC表面的SEM圖;(b)S1-C60-CHO/GC與不同濃度互補(bǔ)序列DNA(S2)雜交的Nyquist圖;插圖為ΔRet和S2濃度對(duì)數(shù)(lg cs2)的線性關(guān)系圖[43]Fig.9 (a)SEM images of C60-CHO/GC;(b)Nyquist plots of S1-C60-CHO/GC modified electrode hybridization with different concentrations of S2.Inset shows the linear plot of ΔRetwith the logarithm of S2 concentrations[43]

5 結(jié)論與展望

該文介紹了幾種常用的熱點(diǎn)碳納米材料，綜述了近年來(lái)基于碳納米復(fù)合材料在電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用，包括碳納米管復(fù)合材料、石墨烯納米復(fù)合材料、富勒烯及碳量子點(diǎn)納米復(fù)合材料。碳納米復(fù)合材料修飾電極有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）碳納米復(fù)合材料修飾電極對(duì)樣品的氧化還原反應(yīng)催化能力強(qiáng)，能顯著提高電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)；（2）碳納米復(fù)合材料極佳的生物相容性可保持生物分子的活性；（3）碳納米復(fù)合材料體積小，強(qiáng)度高，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是修飾電極的良好材料；（4）碳納米復(fù)合材料比表面積大、取向豐富，可增加蛋白質(zhì)、酶等的負(fù)載量，并有優(yōu)異的電子傳遞能力；（5）碳納米復(fù)合材料可作為分子導(dǎo)線連接電極表面和酶的活性位點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)需介質(zhì)的直接電化學(xué)檢測(cè)。

碳納米科學(xué)是納米科學(xué)研究最為重要、最為活躍的研究領(lǐng)域之一，應(yīng)用潛力極大。有專家提出：未來(lái)對(duì)碳納米材料的工業(yè)化制備是應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，而目前對(duì)于生產(chǎn)的成本問(wèn)題、純化問(wèn)題以及可控合成等技術(shù)問(wèn)題都有待進(jìn)一步研究解決。新型碳納米材料納米角、石墨炔的性能及應(yīng)用開(kāi)發(fā)也是未來(lái)研究的新方向。此外，碳納米材料對(duì)氧化還原反應(yīng)的催化機(jī)理也有待將來(lái)借助更先進(jìn)的科學(xué)手段來(lái)進(jìn)一步了解。

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