碳纳米管在电化学生物传感器中的应用

徐潮飞

(南开大学化学学院 天津 300071)

1 前言

生物传感器(biosensor)是利用生物特异性识别过程来实现检测的传感器件，通常以生物活性单元(如酶、抗原、抗体、核酸、细胞器、细胞膜、细胞、组织等)作为敏感基元，与被分析物产生高度选择性生物亲和或生物催化反应产生的各种物理、化学变化被转换元件捕获，进而实现将生物学信息转换为可识别和测量的电信号［1］。根据不同的基础传感器件，生物传感器可分为6大类型［2］:电化学生物传感器、介体生物传感器、热生物传感器、压电晶体生物传感器、半导体生物传感器和光生物传感器。其中，电化学生物传感器占有重要的位置。

20世纪90年代前，石墨是传感器领域应用较广泛的电极材料，但是在石墨电极上难以直接固定生物分子，而且石墨电极的电子传递效率不高。自从1991年日本的Iijima教授在高分辨率透射电镜下发现碳纳米管(CNT)以来［3］，由于其特殊的结构和独特的物理、化学特性以及潜在的应用前景而倍受人们关注。近年来，随着研究的深入，CNT越来越多地被应用于传感器领域，其作为一种新型的电极材料，取得了理想的效果。

2 CNT的结构和特性

CNT又名巴基管，是由单层或多层石墨绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，其中碳以sp2轨道杂化方式成键。根据石墨管壁的层数，CNT可分为2类:单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。SWNT是由单层碳原子绕合而成，具有较好的对称性和单一性［4］;而MWNT由多层碳原子绕合而成，在开始形成时，层与层之间很容易成为陷阱中心而形成缺陷［5］。但无论是SWNT还是MWNT，径向尺寸均为纳米量级，而轴向尺寸为微米量级，即具有很大的长径比［6－8］，可以认为是具有特殊结构的一维量子材料。CNT的尺寸处在原子、分子为代表的微观物体和宏观物体交界的过渡区域，使它既非典型的微观系统也非典型的宏观系统，因而具有表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应等4大效应。

作为一维纳米材料，CNT重量轻，六边形结构连接完美，具有独特的力学性质、优异的电学性能和稳定的化学物理特性，将其用于修饰电极，可以降低化学物质氧化还原反应的过电位，改善生物分子氧化还原可逆性。CNT具有特殊的管状结构，体积极小，作为高效传质单元能够容易地穿过细胞壁，因此将其应用于生物传感器具有极大优势。CNT比表面积大，既有利于酶的固定化，促进酶活性中心与电极表面的电子传递，还易于吸附有机分子，用它去修饰电极，可以提高对H+等的选择性，制成电化学传感器。利用CNT的导电性及其对气体吸附的选择性，可制成气体传感器。不同温度下吸附微量氧气能改变CNT的导电性，可在金属和半导体之间转换。在CNT内局部填充碱金属可以形成p－n结。在CNT内填充光敏、湿敏、压敏等材料，可以制成纳米级的各种功能传感器。

3 CNT在生物传感器方面的应用

CNT在制备和纯化过程中表面产生的缺陷和基团，通过共价或非共价的方法使CNT的某些性质发生改变，尤其突出的是分散性，使其更适于研究和应用。对CNT功能化修饰的研究可以使人们能够按照特定的目的来改造CNT的固有特性，从而将大大扩展CNT的应用前景。

CNT作为电极材料具备几大优点:①低电阻，即导电性好;②优良的化学稳定性;③低质量密度;④原子结构和大的长径比决定了大的比表面积;⑤特殊的电极/电解质界面对溶液有良好的浸润性，电极反应的灵敏度和再现性好。这些优点使得CNT在电分析化学领域有较大的研究潜力和发展空间。而CNT的弯曲结构使得电子在其中的传播速度比石墨更快，具有高速电子传递效率。CNT可作为优良的催化剂载体，用于电化学传感器，可以促进生物分子与电极的电子传递作用［9－11］，增大电化学信号，提高传感器的灵敏度。因此，可将CNT用于改善生物分子的氧化还原可逆性，或应用于酶传感器、气体传感器、DNA传感器等生物传感器。

3.1 利用CNT改善生物分子的氧化还原可逆性

将MWNT悬浊液滴加于处理后的玻碳电极表面，待溶剂挥发后形成MWNT修饰电极。在pH=6.3的磷酸缓冲液中对该电极进行循环伏安扫描，通过分析扫描结果可发现，电极反应来自于CNT表面羧基的氧化还原，并且是一个4电子、4质子的电极反应过程。其电极反应式表示如下:

还原过程:MWNT－COOH+4e+4H+→ WMNT－CH2－OH+H2O

氧化过程:WMNT－CH2－OH+H2O–4e→MWNT－COOH+4H+

将CNT修饰电极和玻碳电极分别在0.1mol的亚铁氰化钾溶液中作循环伏安扫描。亚铁氰化钾/铁氰化钾电对是接近理想状态的准可逆电对，对于一个具有理想表面状态的电极来说，它的峰电位差(ΔE)接近59mV(25℃)。经过仔细处理后的玻碳电极的ΔE为87 mV，而CNT修饰电极的ΔE仅为64mV，表明CNT修饰电极的表面结构更接近于理想状态［12］。

Britto等人［13］报道了利用溴仿作固定剂的CNT修饰电极，将多巴胺电化学反应的峰电位差由67mV改善到了30mV。陈朝平等人［14］利用MWNT修饰电极将对苯二酚的峰电位差从285mV降低到了38mV，同时峰电流显著增大。王建秀等［15］将SWNT修饰在玻碳电极和金电极上，SWNT修饰的玻碳电极对去甲肾上腺素的电化学氧化具有明显的电催化作用。Wang等人［16］报道了 Nafino溶解SWNT和MWNT制备修饰电极对过氧化氢和儿茶酚胺类神经递质具有优良的电催化性能。这些都体现了CNT对生物分子的电催化作用，显示了其作为生物传感器的应用潜能。

3.2 CNT在酶生物传感器中的应用

酶生物传感器的作用机理是在化学电极的表面组装固定化酶膜，当酶膜上发生酶促反应时产生电极活性物质，电极对之响应。由于响应信号与底物的浓度之间存在一定的线性关系，因而可以测得被检测物的浓度。以葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase，GOD)传感器为例，其电催化工作原理为:

酶层:glucose+GOD2FAD→gluconolactone+GOD2FADH2

GOD2FADH2+O2→GOD2FAD+H2O2

电极:H2O2→2H++O2+2e

氧在电极上的氧化还原反应产生响应电流，电流大小与氧在溶液中的浓度以及传质速度有关。若要消除氧浓度变化而引起的检测误差，可以检测酶反应所产生的过氧化氢［17］。

研究发现，CNT修饰电极对过氧化氢的还原表现出优异的电催化效果［18，19］，这就有可能将CNT修饰电极用于开发酶生物传感器。CNT作为酶的固定材料，同时也作为基础电极的修饰材料制成传感器即成为新型的CNT修饰酶传感器［20］。该类传感器的优点主要有以下3点［20］:(1)CNT良好的电学性质使得它作为一种修饰材料，在电化学反应中能够有效地促进电子传输，提高酶传感器的检测速度，降低过电位，提高检测的灵敏度;(2)CNT大的比表面积能够提高酶的负载量，从而改善传感器的灵敏度;(3)CNT良好的生物相容性，有利于保持酶的活性，因而有利于提高酶传感器的稳定性和使用寿命。

Azamian等［21］采用吸附的方法将SWNT固定在玻碳电极上，制成GOD－SWNT修饰的玻碳电极。实验结果表明，在相同的底物浓度下，用 GODSWNT修饰的玻碳电极的伏安电流是裸玻碳电极的10倍，证实SWNT能极大地促进电子传输，显示出CNT在酶负载量和能量转换上都具有较好的效果。Lim等［22］将GOD和纳米粒子同时沉积在Nafion增溶的CNT膜中，通过检测葡萄糖在酶作用下生成的过氧化氢，制备出快速响应的GOD生物传感器，使用的电极为玻碳电极，附加的Nafion膜可以防止抗坏血酸和尿酸对葡萄糖检测的干扰。该传感器的线性范围可达12mmol/L，检测下限为0.15mmol/L。Li等［23］也利用GOD共价修饰MWNT制作出葡萄糖生物传感器。经过混酸处理的MWNT在SOCl2和乙二胺的作用下形成氨基终端的MWNT，然后与高碘酸盐氧化的GOD产物上的羟基反应，如图1所示。将GOD共价结合在MWNT上，保持了GOD很强的生物活性。

与其他分析方法相比，CNT修饰酶传感器具有便携、成本低、灵敏度高、稳定性良好等优点。并且酶催化与一般的化学催化相比，具有应用范围广、催化效率高、选择性专一、反应条件温和等优点。酶是高活性、高选择性、低能耗的生物催化剂，再加上CNT本身的催化和增敏效应，使得基于CNT修饰酶传感器具有广阔的应用前景。

图1 通过共价键形成的GOD－MWNT传感器

3.3 CNT在生物气体传感器中的应用

CNT具有特殊的一维中空结构，大的比表面积以及较石墨(0.335nm)略大的层间距(0.343nm)，能够吸附许多物质，填充其中。由于吸附的气体分子与CNT发生相互作用，改变其费米能级，引发其宏观电阻发生较大改变。因此CNT可应用于气敏传感器，通过测量其表观电阻的变化来检测气体成分。

Collins等［24］研究了SWNT表面对分子氧的吸附。真空环境下分子氧的吸附可以增加CNT的电导。同样的环境下高温加热CNT可以彻底解吸附。Kong等［25］发现，用SWNT制成的微小化学探针，室温下对低浓度的NO2和NH3分子能产生快速的吸附，灵敏度很高。

CNT气体传感器和普通气体传感器相比具有尺寸小、反应快、灵敏度高、表面积大、能在室温或更高温度下操作等诸多优点，并可将SWNT置于新环境或者通过加热后重新使用。CNT可制得最小的生物医学分子级气敏元件，其响应时间比目前使用的同类金属氧化物或聚合物传感器至少快一个数量级。CNT气体传感器用于病人呼吸监控、检测等方面，将取得一般传感器难以达到的效果。

3.4 CNT在DNA生物传感器中的应用

CNT也被广泛应用在DNA生物传感器研究中。Cai等［26］报道了应用CNT制作DNA电化学生物传感器检测特殊DNA序列。Cheng［27］构建CNT掺杂壳聚糖DNA传感器检测大马哈鱼精DNA，亚甲基蓝作为DNA指示剂。实验证明，CNT将电极有效面积提高3倍，且有效提高亚甲基蓝与电极之间电子传递速度。该传感器检测限达到0.252nmol/L，当干扰剂人血清白蛋白浓度达到5μg/mL时，选择性仍很高。Kerman等［28］将 MWNT制作的纳米线与DNA作用后直接吸附到碳糊电极(CPE)上，循环伏安测量的结果表明:用结合有DNA分子的MWNT修饰的CPE电极的伏安信号比仅仅用MWNT修饰的CPE电极或裸CPE电极的伏安信号强得多。DNA链与cDNA链的杂交或与有错配DNA的杂交前后的信号都能被检测到，说明DNA修饰MWNT电极具有极强的分子识别功能、选择性好、灵敏度高、响应快等优点，用于电化学检测是极好的电极材料。Zhang等［29］用CNT修饰玻碳电极作为检测DNA和DNA碱基的传感器。该传感器具有良好的稳定性、重现性和高的灵敏度，在检测DNA序列和DNA碱基方面具有较大的应用前景。

目前，基于CNT的DNA生物传感器的研究主要集中在将DNA探针固定在CNT上制备杂交传感器，以及研究DNA上电活性部分在CNT或CNT修饰电极上的直接电化学行为。随着CNT制备工艺的改进和前处理技术的进一步提高，基于CNT的DNA生物传感器的性能将得到更大提高。

4 展望

纵观当前的研究，CNT生物传感器电极的研究基本都是采用无序的CNT固定或镶嵌在基础电极表面上的方法，其CNT随意弯曲、互相缠绕，对其性质研究和实际应用都造成了很大的影响。而定向排列的CNT阵列电极，其取向高度一致、管径均匀、CNT阵列不含杂质，有利于电活性物质在其表面的快速反应，使传感器的性能得到很大的提高。因此，制作高灵敏性CNT阵列传感器是一个重点的研究方向。

国内外对CNT在生物传感器中的应用研究主要集中于CNT修饰生物传感器对基底物质检测性能和电化学性能的变化。尽管目前CNT生物传感器的研究工作已取得较大进展，但仍然存在实验结果重复性较差、生物分子易失活、固定效率低、制备工艺较繁琐、难以规模化生产等问题，且多数传感器检测对象只限于一种目标物。因此，CNT在生物传感器中的应用研究主要还是集中在实验室的基础上，距离实际应用还有一段很漫长的过程。但是随着各种新技术的出现及电极的微型化发展，其用于在线活体分析的条件已经日趋成熟。

［1］ Tumer P F.Biosensors － sense and sensitivity［J］.Science，2000，290(5495):1315.

［2］ Townsend D W，Beyer T，Kinahan PE，et a1.The SMARTscanner:a combined PET/(CT tomograph for clinical oncology［R］.IEEE Trans Nuclear Science Symposium，1998，2:1170.

［3］ Iijima S.Helical microtubes of graphitic carbon［J］.Nature，1991，354:56－58.

［4］ Withers J C，Loutfy R O，Lowe T P.Fullerene commercial vision［J］.Fullerene Sci Technol，1997，5:1 －31.

［5］ Ebbesen T W.Carbon nanotubes［J］.Phys Today，1996，49:26－32.

［6］ Peigney A，Laurent C，Dobigeon F，et al.Carbon nanotubes grown in － situ by a novel catalytic method［J］.J Mater Res，1997，12:613－615.

［7］ Ugarte D，Stockli T，Bonard JM，et a1.Filling carbon nanotubes［J］.Appl Phys A，1998，67:101－105.

［8］ Hernadik K，Fonseca A，Nagy JB，et a1.Catalytic synthesis and purification of carbon nanotubes［J］.Synthetic Metals，1996，77:31－34.

［9］ Davis J J，Coles R J，Hill H A Q.Protein Electrochemistry at Carbon Nanotube Electrode［J］.J Electroanal Chem，1997，440:279－282.

［10］ Nugent J M，Santhanam K S V，Rubio A，et a1.Fast electron transfer kinetics on multi－walled carbon nanotube microbundle electrodes［J］.NanoLett，2001，1(2):87 －91.

［11］ Camphell JK，Sun L，Crooks R M.Electrochemistry using single carbon nanotubes［J］.JAm Chem Soc，1999，121:3779 －3780.

［12］ 廖静敏，李光，马念章.碳纳米管在生物传感器中的应用［J］.传感技术学报，2004，3:467－471.

［13］ Britto P J，Santhanam K SV，Ayajan PM.Bioelectrochem［J］.Bioenerg，1996，41:121.

［14］ 陈朝平，刘文霞，何晓英，等.多壁碳纳米管修饰电极对对苯二酚的催化作用［J］.四川师范学院学报(自然科学版)，2003，24(2):177－180.

［15］ Wang JX，Li M X，Shi Z J，et al.Electrocatalytic oxidation of norepinephrine at a glassy carbon electrode modified with single－ wall carbon nanotubes［J］.Electroanalysis，2002，14(3):225－230.

［16］ Wang J，Musameh M.Carbon nanotube/teflon composite electrochemical sensors and biosensors［J］.Anal Chem，2003，75(9):2075－2079.

［17］ 罗立新，王红娟，彭峰.碳纳米管修饰酶传感器的评述［J］.材料科学与工程学报，2006，24(5):732－735.

［18］ 朱玉奴，彭图治，李建平.碳纳米管负载纳米铂修饰电极及电催化氧化H202的研究［J］.高等学校化学学报，2004，25(9):1637－1641.

［19］ 张凌燕，袁若，柴雅琴，等.基于辣根过氧化物酶/纳米金/辣根过氧化物酶/多壁纳米碳管修饰的过氧化氢生物传感器的研究［J］.化学学报，2006，64(16):1711－1715.

［20］ Wang SG，Zhang Q，Wang R L，et a1.A Novel multi－walled carbon nanotube － based biosensor for glucose detection［J］.Biochem Biophys Res Commun，2003，311(3):572－576.

［21］ Azamian B R，Davis J J，Coleman K S，et al.Bioelectrochemical single － walled carbon nanotubes［J］.J Am Chem Soc，2002，124(43):12664.

［22］ Lim SH，Wei J，Lin J，et al.A glucose biosensor based on electrode position of palladium nanoparticles and glucose oxidase onto nafion － solubilized carbon nanotube electrode［J］.Biosens Bioelectron，2005，(20):2341.

［23］ Li Jian，Wang Yuebo，Qiu Jianding，et al.Biocomposites of covalently linked glucose oxidase on carbon nanotubes for glucose biosensor［J］.An Bioanal Chem，2005，383(6):918.

［24］ Collins PG，Bradley K，Ishigami M，et a1.Extreme oxygen sensitivity of electronic properties of carton nanotubes［J］.Science，2000(287):1801－1804.

［25］ Kong J，Franklin N R，Zhou C，et a1.Nanotube molecular wires as chemical sensor［J］.Science，2000，287(5453):622－625.

［26］ Cai H，Cao X，Jiang Y，et al.Carbon nanotube－enhanced electrochemical DNA biosensor for DNA hybridization detection［J］.An Bioanal Chem，2003，375:287.

［27］ Cheng Guifang，Zhao Jie，Tu Yonghua，et al.A sensitive DNA electrochemical biosensor based on magnetite with a glassy carbon electrode modified by multi－walled carbon nanotubes in polypyrrole［J］.Analytica Chimica Acta，2005，533:11.

［28］ Kagan Kermnan，Yasutaka Morita，Yuzuru Takamura，et al.DNA－directed attachment of carbon nanotubes for enhanced label－ free electrochemical detection of DNA hybridization［J］.E-lectroanalysis，2004，16(20):1667.

［29］ Zhang R Y，et a1.Electroanalysis，2007，19(15):1623－1627.