石墨烯基電化學生物傳感器在醫學檢測中的研究進展

田娟(朔州職業技術學院，山西 朔州 036000)

0 引言

目前，石墨烯作為已知最薄、最強、導電導熱性能最高的一種新型納米材料，其發展前景被眾多科學家所看好。正如2004 年獲得諾貝爾物理學獎的費蘭克·維爾澤克所說：“石墨烯可能是唯一一個從量子理論到應用的實例”。石墨烯基電化學生物傳感器在環境監測、發酵工業、生物醫學、食品分析、軍事等領域有著重要的應用價值。本文綜述了近5 年國內外關于石墨烯電化學生物傳感器在醫學檢測中的應用，并進行分析解讀，以期為未來石墨烯生物傳感器在生物醫學領域的應用提供數據支撐。

1 石墨烯概述

1.1 石墨烯

石墨烯(Graphene)由于其擁有二維結構且是以sp2雜化的單層碳原子連接形成的晶體，其基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，每個碳原子除了通過σ鍵形成三個穩定的C-C 鍵，在垂直平面上，余下的π電子與其余碳原子的π電子，可以形成離域大π鍵，從而提高了電子移動的能力，使得石墨烯具有優異的導電性能[1]。從化學組成上來看，石墨烯還可以看成是一些多環芳香烴除掉氫原子后而成的網絡結構，此外，石墨烯無論是處于自由狀態還是沉積在基底物質上，都不是完全平整的，而是表面存在其“本征”褶皺。褶皺大小不同，石墨烯所表現出來的電學及光學性質也不同[2-3]。除了“本征”褶皺，在真實三維空間中石墨烯還有其他“缺陷”。

1.2 氧化石墨烯

氧化石墨烯(graphene oxide, GO)是以石墨為原料，在強氧化劑條件下制備得到的，是石墨較為重要的一種衍生物，也被稱為功能化的石墨烯。氧化石墨烯與石墨烯的結構較為相似，都是二維層狀結構，其片層與片層之間存在氫鍵等作用力。只是由于氧化劑的作用，使得氧化石墨烯表面含有大量的含氧活性基團，表面元素分析(XPS)、高分辨率的固態(13C-NMR)、紅外光譜(FT-IR)等測試結果顯示，這些含氧官能團主要是羥基、羧基、環氧基團以及羰基，其中氧化石墨烯的基面上存在羥基和環氧官能團，而氧化石墨烯邊緣上則有很多羧基、羰基[4]，因此GO 表現出較強的親水性并能均勻分散在水中，此外，氧化石墨烯片層均帶負電荷，容易產生靜電排斥，也是分散性良好的一個重要因素。其氧化程度決定了這兩部分的相對數目，由于一些基團(苯環、雙鍵、環氧基團)的存在決定了氧化石墨烯的平面“網狀”結構，由于羥基官能團中的碳原子會發生角度轉換成為四面體結構，導致GO 表面出現了部分褶皺。

1.3 還原氧化石墨烯

在還原的過程中，氧化石墨烯(GO)的微觀結構和性能都會發生變化，這些變化成為如何判定氧化石墨烯還原程度的依據。還原性的氧化石墨烯(reduced graphene oxide, rGO)，由于表面電荷載流子濃度和電子移動速率都得到了提高，所以增大了對入射光的反射，因此，rGO 膜往往會有一定的金屬光澤。在還原氧化石墨烯的過程中，棕色的GO 溶液轉變為褐色或者黑色的rGO，這往往被看作是還原反應的一個本征變化，尤其是在溶液中進行的反應，歸因于氧化石墨烯的含氧活性基團因還原而被消除[5]，得到的rGO 疏水性提高。由于在還原過程中形成了CO 和CO2，基平面上出現了“空洞”[6]。氧化石墨烯本身基本屬于絕緣體，也喪失了石墨烯本身具有的良好導電性，所以，還原氧化石墨烯的另一個重要目的，就是恢復石墨烯的本征特性，提高其導電率。那么，電導率的提高也成為氧化石墨烯被還原的一個有力的證據。

2 石墨烯基電化學生物傳感器在醫學檢測中的應用

石墨烯獨特的物理結構，以及化學和電學特性，使其非常適合用于傳感器技術。在過去的幾年里，石墨烯及其聚合物/ 金屬粒子復合材料被用于固定生物分子，如：抗體、DNA 和酶，以創建高靈敏度和選擇性的生物傳感器。基于石墨烯的化學結構，人們將生物分子附著在石墨烯表面，主要方法包括共價鍵，反應偶聯，以及物理吸附，采用操作簡單、快速靈敏的電化學方法，能夠檢測和識別各種疾病、病原體和與疾病相關的生物分子和病毒。

2.1 葡萄糖檢測

葡萄糖在人體產生三磷酸腺苷(ATP)的代謝途徑中發揮著重要作用。然而，體液中葡萄糖的異常(過高)會導致一些嚴重的并發癥，如失明、心臟病、高血壓和腎衰竭。因此，檢測生物體液中葡萄糖的含量，在預防和控制糖尿病的生物醫學研究中具有重要意義。鑒于此，葡萄糖氧化酶已被用于開發各種分析方法，包括基于量子點的熒光、電化學、光學、化學發光傳感器和表面等離子體共振[7]，用于生物樣品中的葡萄糖檢測。其中，電化學傳感器在各種樣品中葡萄糖檢測方面具有較高的靈敏度、快速性、成本效益和選擇性等顯著優點。

Yuan 等[8]以6-(二茂鐵基)己硫醇(Fc-C6H12-SH)為電子轉移介質，在化學氣相沉積(CVD) 產生的單層石墨烯上濺射金納米顆粒得到金納米粒子修飾的單層石墨烯(Au/SLG)，將葡萄糖氧化酶(GOD)固定在(Au/SLG)修飾的玻璃碳電極上，制備了葡萄糖生物傳感器(GOD/Fc/Au/SLG/GCE)。該工藝避免了石墨烯復雜的聚合物轉移過程，為AuNP 提供了良好的分散性和清潔的表面，促進了GOD 的固定，由于CVD生成的石墨烯表面干凈，背景電流較低，使得GOD/Fc/Au/SLG/GCE 適用于低濃度葡萄糖的超靈敏檢測。該傳感器與電子介質協同作用，促進了電子傳遞過程，提高了電化學性能，檢測限為0.1 nM(S/N=3)，選擇性好。

Miao 等[9]采用循環伏安法(CV)在鎳(Ni)表面，同時沉積了石墨烯-金納米雜化材料制備RGO/Au/Ni 電極，然后將葡萄糖氧化酶(GOD) 通過共價鍵固定在RGO/Au/Ni 電極上，得到酶生物傳感器。結果表明，AuNP 在“皺褶”的還原氧化石墨烯薄片上分布良好，該生物傳感器對葡萄糖的靈敏度高達32.83 μA·mM。

2.2 過氧化氫檢測

過氧化氫(H2O2)是一種非常簡單的化合物，但是是許多生物化學反應的重要物質，也是食品工業、臨床檢驗、制藥和環境分析中必不可少的介質。盡管在分析技術方面取得了許多進展，如光譜法、色譜儀、化學發光等，但是電化學方法具有靈敏度高、響應快、檢出限低等優點，被認為是一種比較理想的分析方法。

Zhao 等[10]在四氧化三鐵和還原氧化石墨烯(Fe3O4/rGO)納米復合材料改性的玻碳電極(GCE)上電沉積Pt 花，獲得了一種較靈敏的安培型H2O2生物傳感器。由于在Pt/Fe3O4/rGO 電極界面上有快速電子轉移，該生物傳感器對H2O2具有快速、線性的安培響應。此外，由于電極界面具有良好的生物相容性，所制備的生物傳感器還具有較好的抗干擾能力和長期穩定性，該傳感器將成為復雜環境中H2O2檢測和傳感的可靠、有效的工具。M. Baghayeri 等[11]同樣采用四氧化三鐵和氨基端聚(氨基胺)樹狀大分子功能化的磁性氧化石墨烯(GO-Fe3O4-PAMAM)，被鈀納米顆粒修飾(GO-Fe3O4-PAMAM-Pd)，用于過氧化氫(H2O2)的非酶電化學測定。研究發現，GO-Fe3O4-PAMAM 上均勻分散的鈀納米顆粒對電化學傳感器的電催化性能起著重要作用。在最佳條件下，該傳感器對H2O2還原表現出良好的電化學性能，良好的抗干擾性能和高靈敏度。

Huang 等[12]利用還原氧化石墨烯- 柿子單寧-鉑納米復合材料(RGO-PT-Pt) 開發了一種新型的無酶過氧化氫(H2O2)傳感器。以抗壞血酸為還原劑，采用還原法制備了RGO-PT-Pt 納米復合材料，利用Pt納米粒子電催化效率高、還原氧化石墨烯電導率高、比表面積大等特征，Pt 對金屬離子的顯著吸附能力及防止團聚作用更好的促進還原氧化石墨烯分散，RGO-PT-Pt 納米復合材料通過協同作用對H2O2的還原表現出優異的電催化活性。此外，該傳感器在人血清樣品中H2O2的定量測定表現出響應時間快、檢測限低、穩定性高、選擇性強等優點，在臨床診斷中具有潛在的應用價值。

2.3 多巴胺檢測

多巴胺(dopamine, DA)屬于苯乙胺和兒茶酚胺家族，是一種被廣泛研究的單胺能神經受體，在細胞間的突觸通訊中起化學信使的作用，在心血管調節、腎臟系統應激反應的控制和生物體內腦回路的各個方面發揮著重要作用。建立一種極其精確和超靈敏的DA 精確監測方法，對臨床診斷、病理分析和了解神經功能[13]非常重要。

Aziz 等[14]采用帶正電的NiAl 層狀雙氫氧化物(LDHs)納米片與帶負電的單層石墨烯(G)周期性疊加，通過控制系統優化參數，合成的NiAl-LDH/G LBL納米復合材料已實際應用于活細胞釋放多巴胺的敏感檢測，作為早期帕金森病(PD) 的診斷工具。由于導電性能極好的石墨烯與半導體LDHs 層直接相鄰，LDHs 的插入能力增強，以及具有眾多活性位點的巨大表面積，在異質組裝NiAl LDH/G LBL 材料中獲得了良好的協同效應，顯示了對DA 較強的電催化能力，特別是用Nafion 修飾電極后，有效地消除了UA 和AA 對電極的干擾。

3 結語

石墨烯及其衍生物因其巨大的有效表面積、高的電子轉移率、良好的導電性和固定化酶的能力，在生物傳感器方面表現出了豐富的潛力。本文報道了基于石墨烯復合材料的電化學生物傳感器，分析了每種傳感器的性能結果，并說明了它們在生物醫學領域的作用。例如，抗體可用于病毒的特定檢測或監測某些疾病。另一方面，酶生物電極在少量樣品檢測葡萄糖方面表現出了良好的應用前景。用于疾病診斷的生物傳感器的小型化和商業化是傳感器技術的迫切需要，因為這需要開發可靠、可復制和具有高準確性、靈敏度和特異性的傳感器。然而，為了達到安全性和可靠性并生產出能夠用于醫療領域的生物傳感器，仍需進行大量工作，以確保、保證和證實石墨烯基納米材料的生物相容性和無毒性，使其長期使用不會造成任何健康風險。