石墨烯荧光生物传感器

姬丁坤　贺晓鹏　陈国荣

关键词：氧化石墨烯 荧光 生物传感器 核酸 多肽 糖类 细胞

材料科学的飞速发展使得由碳、氢、氧等元素组成的“碳素材料”成为未来“绿色有机材料”的重要组成部分。其中，以石墨烯为代表的新材料，由于其优异的光学、力学、热学及化学性质而在生命科学领域具有巨大的应用前景。

21世纪以来，材料科学的飞速发展使包括化学、生物学、医学、物理学及电子科学在内的诸多学科发生了翻天覆地的变化。传统意义上的材料一般由无机化合物组成（如金属等），然而考虑到部分重金属无机物投入大規模生产后可能带来的环境污染与对人类健康的损害，科学家开始注重发展“绿色有机材料”。其中，由碳、氢、氧这些人体必备元素所组成的“碳素材料”成为近年来学术界的研究热点，并被证明它们在电子器件、先进功能材料。尤其是可对生物分子活动产生识别信号的生物传感材料或器件的构建中广泛适用。

石墨烯的发现

2004年，英国曼彻斯特大学的海姆（A.Geim）研究组采用微机械力处理石墨，从层状石墨中成功剥离出单原子层石墨，即石墨烯（graphene）。石墨烯的出现很快在物理学界引起轰动并激发了各学科领域的极大兴趣，被国内外研究人员寄予“引领传感器新时代前进步伐”的殷切厚望。自此，这种“二维”碳晶体犹如聚光灯下的一颗闪亮新星活跃在自然科学各个领域，并获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种由许多单个sp²杂化碳原子组成、呈蜂窝状六方晶格的二维平面结构，是迄今为止最薄、最硬的材料，它是形成零维（如富勒烯）和一维（如碳纳米管）碳素材料的基础。其优异的光学、力学、热学及化学性质使其在生命科学领域具有巨大的应用前景。

氧化石墨烯是石墨烯的一种重要衍生物。主要通过化学法剥离氧化石墨获得，即使用浓硫酸处理石墨鳞片，将硫酸分子插于石墨烯层间并用高锰酸钾对其氧化，最后用过氧化氢除去未反应的高锰酸钾得到边缘含有羧基和羟基、层间含有环氧和羰基等含氧基团的氧化石墨，氧化石墨在溶剂中通过超声剥离即可得到单层氧化态石墨烯。

起初，氧化石墨烯仅被用作化学法制备石墨烯的一种中间体，然而随着研究的深入，其自身的独特性质越发受到关注。相比纯净的石墨烯。氧化石墨烯不但拥有一定的平面结构，而且含有较多的氧官能团（如环氧基、羟基、羧基）。这使得氧化石墨烯更容易在水中扩散，极大拓展了其在生物传感领域中的应用范围。

基于氧化石墨烯的生物传感器构建

氧化石墨烯具有良好的荧光猝灭能力，即可使得荧光染料的荧光减弱乃至消失，因此它在荧光生物传感器的构建中被广泛应用为一类荧光猝灭平台。氧化石墨烯的荧光猝灭性质主要依赖于“荧光共振能量转移”效应。这种效应是指在两个不同的荧光基团之间，当一个荧光基团（供体）的发射光谱与另一个基团（受体）的吸收光谱有一定重叠且分子间距离小于10纳米的情况下，供体分子自身的荧光将比独立存在时明显减弱，而受体分子的荧光发射明显增强。此外，如受体分子的荧光可忽略不计，则仅发生供体分子的荧光猝灭现象。

相比其他材质，氧化石墨烯在利用荧光共振能量转移效应构建生物传感器方面有如下优点。

首先，对比碳纳米管、金纳米颗粒、碳纤维等，由于氧化石墨烯具有更大的分子吸附平面与空间，使其成为卓越的能量受体，从而具备更高的荧光猝灭效率。其次，得益于其特殊的结构性质，氧化石墨烯可猝灭一系列不同发射波长的荧光分子，是一种普遍适用的荧光猝灭剂。第三，由于氧化石墨烯较大的比表面积，它可同时吸附多种不同的荧光分子，从而实现多样化的生物检测。第四，氧化石墨烯表面和边缘同时含有大量氧官能团。不仅使氧化石墨烯具备了很好的水溶性和生物相容性。也为其进一步的结构修饰提供了可能。

基于氧化石墨烯的荧光生物传感器主要有三部分组成：探头分子、荧光染料与氧化石墨烯。探头部分可由不同生物分子如核酸、多肽和糖类等组成，用以靶向识别生物靶标分子（如癌细胞特有的疾病相关蛋白）。而荧光染料和氧化石墨烯协同为探头分子与生物靶标间的识别提供了信号输出。此类新型生物传感器的构建简易、高效且成本低廉，有望发展成为新一代经济型的疾病探测新技术。

基于氧化石墨烯的生物传感器应用

基于多肽与氧化石墨烯复合材料的生物传感器

肽是氨基酸以酰胺键连接而成的多聚物，由三个或三个以上氨基酸分子脱水缩合而成的化合物即可称为多肽。利用化学和生物学的手段研究多肽与其识别蛋白之间的相互作用有利于对人体健康与疾病问题的深入理解。随着科技的进步，多肽合成手段愈发成熟，且越来越多的多肽结构被鉴定为疾病相关蛋白的特殊配体（即可与相应蛋白质高选择性地牢固结合）。于是，多肽作为探头部分被广泛应用于氧化石墨烯荧光生物传感器的构建，并主要扮演“识别”与疾病相关蛋白或水解酶的角色。

此类传感器的工作原理在于以荧光标记的多肽作为探头，通过与氧化石墨烯表面的吸附使荧光猝灭。当加入可与多肽特异性结合的蛋白时，目标蛋白通过与多肽的竞争性结合，使探头脱离氧化石墨烯表面同时恢复荧光。此类传感器易于构建，且高效、经济，仅需改变多肽探头的种类即可实现对不同疾病蛋白的检测。

自20世纪以来，癌症持续威胁着人类的生命健康，对癌症的早期诊断和监控至关重要。对血清中肿瘤标志物的检测是现有癌症化验中创伤最小的一种方法，不但规避了对病人的辐射式（超声、磁共振等）与侵入式（活检取样）体检，还有利于癌症的早期发现。前列腺特异性抗原（PSA）是一种前列腺癌细胞分泌的蛋白酶，它是诊断前列腺癌的重要肿瘤标志物。血清中分布有活性与惰性PSA，研究表明，活性PSA可作为更有效的肿瘤标志物来预警恶性肿瘤。研究人员合成了可被活性PSA分解的荧光多肽探头并与氧化石墨烯结合形成PSA复合材料生物传感器，通过与PSA的酶切作用可游离出传感器荧光。此项研究还可以对尿液中活性PSA作定量检测，为前列腺癌的诊断和治疗提供了新技术。

艾滋病是一种由感染人类免疫缺陷病毒（HIV）引起的危害性极大的传染病，可通过攻击人体免疫系统的细胞使人体丧失免疫功能。至今世界范围内已有1200万人死于艾滋病，并有超过3000万人受艾滋病毒感染。寻找可快速灵敏诊断HIV的方法成为学术界的研究热点。gp120蛋白是艾滋病病毒颗粒表面一种特有糖蛋白，在病毒入侵中发挥了关键作用。利用这一特点，研究人员设计了一种对gp120具有高度结合能力的多肽并标记上荧光团，继而构建出与氧化石墨烯复合的生物传感器，最终实现对抗gp120蛋白抗体的高灵敏检测，为艾滋病诊断提供了新途径和新方法。此外，运用此类传感器平台也可实现对血清内凝血酶，细胞内半胱天冬酶，酪蛋白激酶等一系列多肽特异性识别蛋白的检测。

基于核酸与氧化石墨烯复合材料的生物传感器

脱氧核糖核酸是染色体的主要化学成分，四种碱基根据互补原则排列成一定的序列，从而指导蛋白质的合成。基于碱基互补配对原则，核酸的单链间结合具有很强的特异性，因此核酸单链可作为一种探头。用以定向检测可与其相互作用的生物靶标（如蛋白酶）。由于双链核酸和单链核酸与氧化石墨烯具有不同的结合能力，单链核酸可强有力地吸附于氧化石墨烯表面，而双链核酸由于其结构特征与氧化石墨烯的结合力相对较弱。基于这一特性，科学家发展了一系列基于核酸与氧化石墨烯复合的荧光生物传感器。

重症急性呼吸综合征（SARS）是一种由SARS冠状病毒（SCV）引起的急性呼吸道传染病，曾在世界范围内引起恐慌并严重威胁人类生命健康。寻找能够抑制SARS冠状病毒活力的药物是治愈疾病的關键策略。SCV解旋酶可以水解冠状病毒的相关基因，被认为是抗SCV病毒药物的潜在重要靶标。研究人员发展了基于核酸与氧化石墨烯复合的SCV生物传感器，并实现了对于这种解旋酶的荧光定量分析。相比传统检测手段，该平台可以根据荧光变化对酶活性进行实时监测，且更为经济、稳定。

内切酶是一类核酸水解酶。除参与核糖核酸转录后剪切、修饰和降解等过程外，还与人体的免疫、肿瘤发展及病毒复制等事件有关。DNA甲基转移酶可以通过对DNA链上的甲基转移来对核酸进行修饰，在细胞的生理学与病理学过程中扮演着重要的角色。因此对这两种酶的活性分析可指导疾病的临床诊断和新药物发现。利用核酸氧化石墨烯复合材料荧光传感器，研究人员实现了对内切酶和甲基转移酶活性的协同分析（即一种传感器同时检测两种酶的活性），为相关领域提供了快速、便捷的新技术。利用此类平台，还可以对核酸外切酶、脱氧核糖核苷酶以及核酸酶等一系列可识别核酸的蛋白酶检测，拓展了对丙肝病毒的检测。

基于糖类与氧化石墨烯复合材料的生物传感器

糖类最初被认为是生命体内的储能分子，然而随着学科的发展，发现细胞表面所覆盖的寡糖类物质可通过参与细胞间的糖一蛋白质识别作用而驾驭细胞的命运。这些识别在一系列生理和病理学过程中扮演着广泛而重要的角色，调控着如细胞黏附，病原体感染，植物与病原菌相互作用，细胞凋亡，受精，癌细胞异常增生、转移，免疫反应及细菌感染和病毒入侵等生物学过程。自然界中凡能与糖类特异性结合的非酶类和抗体类蛋白均可称为凝集素。近年来植物凝集素作为自然界中存在的一种糖识别蛋白，被广泛用作模型来研究糖与蛋白质的识别作用。

研究人员初步研究出荧光标记的糖类与氧化石墨烯的复合材料，实现了对选择性凝集素的荧光传感，可区分不具备选择性的一系列蛋白质。随后进一步发展出基于甘露糖（一种单糖）的氧化石墨烯复合传感器，通过简单易操作的荧光技术实现对大肠杆菌的检测，其传感原理取决于大肠杆菌表面所含甘露糖凝集素与复合材料上甘露糖探头的选择性识别，为细菌的荧光检测提供了新的技术手段。笔者在上述基础上发展了乙酰氨基半乳糖（另一种单糖）作为探头、罗丹明染料作为荧光团的氧化石墨烯复合材料传感器，可对一种含有乙酰氨基半乳糖凝集素的肝癌细胞进行专一的荧光检测，为癌细胞荧光检测提供了经济、快速的平台。

展望

基于氧化石墨烯良好的水溶性、高生物相容度与广泛的荧光猝灭能力等特质，氧化石墨烯复合材料荧光生物传感器的构建近年来得到了长足的发展，并被成功应用于一系列疾病蛋白、病原体及癌细胞的检测。同时，基于石墨烯的电化学传感器构建也在学术界引起极大的兴趣㈣。这些传感体系为疾病的诊断提供了新的经济型技术平台。然而，这类生物传感技术在理论与实践层面仍面临诸多挑战。

首先，氧化石墨烯可强有力地吸附各种化合物，但也造成一部分与传感无关的物质的非特异性吸附，降低了传感的灵敏度与选择性。因此在传感器构建中氧化石墨烯复合材料的稳固性及特异性的提升是一个挑战。其次，氧化石墨烯的制备工艺有待更进一步优化。目前所制备的氧化石墨烯结构不均一化现象较为严重，造成传感器潜在的标准化问题（批次与批次间的传感效果或存在差异），这一问题关系到此类材料的市场化前景。第三，氧化石墨烯的尺寸、形貌与结构（如含氧量）的改变是否会导致其传感活性改变，这一问题一直被学术界所忽略，而它的突破将有利于更好地制备出更精确完美的石墨烯复合材料。最后，无论应用于体外诊断还是体内靶向治疗，氧化石墨烯复合材料对人体的毒副作用应得到系统性的评价。

上述若干问题意味着基于氧化石墨烯的复合荧光传感器距离市场化应用还有不少差距，但不可否认氧化石墨烯已给包括化学、材料科学、生物学以及临床医学在内的多学科交叉领域带来了前所未有的机遇。期待第一例基于氧化石墨烯的经济型生物传感器早日问世。