石墨烯基纳米结构新材料在非酶电化学生物传感器中的应用综述*

张建斌， 左国防， 王 鹏， 雷新有

(1.甘肃省高校新型分子材料设计与功能省级重点实验室,甘肃 天水 741000；2.天水师范学院 化学工程与技术学院,甘肃 天水 741000)

0 引 言

石墨烯及其衍生物是电化学生物传感器理想的电极材料，在生物传感领域表现出巨大的应用潜力。化学还原氧化石墨烯(reduced grapheme oxide,RGO)制备过程中表面及边缘的含氧基团增强了亲水性，易于吸附检测物分子。化学掺杂和表面功能化使其具有更好的表面性能，提高了其在介质中的分散性。金属纳米粒子、金属氧化物或导电性聚合物的介入，使石墨烯基复合材料在生物传感技术中具有更好的催化和电化学活性[1]。

基于石墨烯特殊的结构和良好的电化学活性，以及可以通过π-π堆积或静电相互作用吸附各种芳环分子的能力，实现生物活性酶的有效固定，可用于葡萄糖，过氧化氢(H2O2)、多巴胺(DA)、抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)、烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)，以及脱氧核糖核酸(DNA)、核糖核酸(RNA)等生物分子的高选择性和高灵敏检测[1,2]。但固定化酶的活性很容易受到诸如pH值、温度、化学毒性等因素的影响。此外，高成本，有限寿命，也限制了酶电化学生物传感器的实际应用。而非酶电化学传感器在解决这些问题方面均表现出良好的特性。

本文结合作者在此领域的工作，探讨了石墨烯基质材料在非酶电化学生物传感领域中的最新应用，以期为国内开展相关研究提供文献参考。

1 非酶电化学生物传感器

非酶电化学生物传感器的应用分为2种类型：特定酶检测，如葡萄糖和H2O2的检测；用于检测类似分析物的电化学特性，如DA，AA，UA和NADH等。石墨烯优异的电催化活性和导电性能，可以阻止金属纳米材料在传感区域聚集，已广泛用于构建各种生物小分子检测的非酶电化学生物传感器。

1.1 葡萄糖检测应用

过渡金属/金属氧化物/氢氧化物，以及各种贵金属纳米粒子，对葡萄糖的电化学检测表现出优良的催化性能。羟基氧化镍(NiOH)在碱性环境中，是一种很好的葡萄糖氧化催化剂，其催化表现是基于Ni(Ⅲ)/Ni(Ⅱ)的氧化还原电对。Zhan B等人[3]通过简单的水热过程沉积Ni(OH)于化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)生长的3D—石墨烯泡沫上(3D—GF)，作为非酶葡萄糖电化学检测电极，具有很高的灵敏度(～2.65 mA/((mmol/L)cm2))和优异的催化性能，这归于Ni(OH)2纳米片高导电性和3D—GF大的表面积协同作用的结果。Wang Z G等人[4]利用所制备的Ni-NP/石墨烯纳米复合物修饰电极检测葡萄糖，该电极对UA表现出良好的抗干扰性能。采用电化学还原合成和电沉积的RGO—铁氰化镍(RGO-NiNPs)复合材料，对葡萄糖的检测显示出比纯NiNPs更高的灵敏性和稳定性。传统石墨烯修饰电极对葡萄糖的催化氧化需要非常高的电位，而葡萄糖在NiO—石墨烯修饰的玻碳电极(NiO—石墨烯/GCE)界面氧化电位显著降低。Cu及其氧化物，基于良好的电化学活性，是非酶葡萄糖电化学检测常见的电极材料。Wang Q等人[5]采用电泳沉积(electrophoretic deposition,EPD)技术报道了同时还原/沉积RGO/CuNPs。制备的修饰电极对各种生化分子，如DA，UA，AA和碳水化合物的检测表现出良好的选择性。Luo L Q等人[6]采用两步电化学反应，制备的CuO/石墨烯纳米复合材料修饰电极对葡萄糖表现出更佳的检测性能，灵敏度达到1 360 μA/((mmol/L)cm2)，检测限为0.7 μmol/L。

此外，Ci S Q等人[7]通过超声波喷雾法设计了石墨烯负载氧化钴(CoO)修饰电极，制备的CoO/石墨烯纳米微球复合材料修饰电极对葡萄糖的氧化表现出响应快(小于3 s)，检测范围宽(0.83 μmol/L～8.61 mmol/L)，检测限低(0.46 μmol/L)等特点。Wang L等人[8]将3D树状Cu-Co纳米复合材料共电沉积于石墨烯—CHIT/GCE，构筑了高度敏感的非酶葡萄糖传感器(Cu-CoNPs/RGO-CHIT)。该方法提高了纳米复合材料的导电性，增加了复合材料比表面积，成功地应用于实际葡萄糖样品中的实时检测。Ci S Q等人[9]制备的CoNPs/N-G对葡萄糖的检测比CoO/石墨烯复合材料显示出更高的灵敏度，达到4 700 μA/((mmol/L)cm2)。

1.2 H2O2检测应用

非酶H2O2检测的主要问题是存在其他电活性物质的干扰，导致其过电位过高。因此，发展H2O2非酶电化学传感器的关键是降低其还原电位。功能化石墨烯和石墨烯基纳米复合材料在这方面显示出巨大的应用潜力。

Chen C W等人[10]报道了在电解质溶液中超声电化学还原合成石墨烯，降低了Hummer方法化学还原GO产生的化学缺陷(RGNCM)，而更多物理缺陷的RGNSECM比RGNCM表现出更好的催化性能。该非酶H2O2传感器可应用于牛奶样品中H2O2的检测。Jia L P等人[11]研究了功能化石墨烯对H2O2电还原的催化活性。聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)功能化的石墨烯与纯石墨烯相比，修饰电极显著增加了电流响应，显示了PDDA在分散性和石墨烯电催化方面发挥了重要作用。

Ag，Au，Pt和Pd等贵金属纳米结构，具有优异的催化性能，被认为是另一类有前景的制备非酶H2O2电化学传感器材料。Wang Q等人[12]介绍了AgNP/PIL—石墨烯基电极对H2O2的检测。将AgNP引入功能化石墨烯薄膜增强了H2O2检测的灵敏性，电流信号增强了10倍。随后，Zhong L J等人[13]采用双脉冲电化学方法获得了Ag纳米晶(AgNCs)—石墨烯结构，与Wang等人提出的AgNPs/石墨烯电极相比，该石墨烯—AgNPL复合材料对H2O2表现出更高的检测灵敏度，达到183.5 μA/((mmol/L)cm2)。Golsheikh A M等人[14]通过简单的超声波作用合成了AgNPs-RGO修饰电极，与裸电极相比，对H2O2的检测表现出优良的电催化活性并显著增加了电子转移速率。Tian Y等人[15]制备的AgNPs/N-G对H2O2的电化学还原显示出比石墨烯/AgNPs更好的性能。电子转移速率的提高主要由于石墨烯的N元素掺杂。Maji S K等人[16]研究了H2O2在介孔硅包覆(RGO@AuNPs)电极上的电化学行为，发现所制备的复合材料催化了H2O2的还原。RGO-PMS@AuNPs无毒，可以在纳摩尔水平下灵敏检测活肿瘤细胞释放的痕量H2O2。此外，N掺杂石墨烯—AuNPs(AuNPs-N-GQDs)复合材料，在检测人宫颈癌细胞中释放的H2O2也取得了满意的结果。AuNPs-N-GQDs增强的电催化性能主要归于AuNPs暴露的(111)面，对H2O2的—OH提供了大量的吸附位点，促进N-GQDs-Au到GC电极表面的电子转移。PdNP—石墨烯纳米片(PdNP-GN)修饰GCE以及PtNP—石墨烯/CNT修饰电极在检测H2O2也显示出良好的催化性能[17]。

催化活性高、成本低的过渡金属常用于替代贵金属纳米材料的非酶H2O2传感研究。Bai J等人[18]研究了CuS/石墨烯纳米复合材料的H2O2生物传感器。CuS/石墨烯纳米复合材料修饰电极在检测人血清和尿液样品，以及从宫颈癌细胞释放的H2O2，均获得了满意的结果。不同形貌Cu2O/石墨烯纳米复合材料被用于非酶H2O2生物传感器的制备。其中，物理吸附的Cu2O/石墨烯纳米复合材料对H2O2的电化学还原具有最佳的催化性能，Cu2O晶体结构的完整性对催化效率有着重要的影响。除了形态和金属氧化物自身的结构，金属与GO和石墨烯的协同作用对于提高生物传感器的性能也产生重要影响。如，Fe2O3/RGO复合材料对H2O2催化还原产生了显著的响应，峰值电流产生于 -0.22 V vs Ag/AgCl电极，而孤立的Fe2O3与石墨烯在相同条件下还原H2O2催化活性非常低[19]。Gao W等人[20]利用CNT修饰石墨烯提高的表面积和电导率，制备了Ni(OH)2/电还原氧化石墨烯(electrically reduced graphene oxide,ERGO)-SWCNT纳米复合材料，用于H2O2和葡萄糖的电化学检测。MWCNT作为石墨烯片间的桥梁提高了电子转移速率。研究者也制备了MnO2/石墨烯纳米复合材料，用于H2O2检测。石墨烯骨架支持的MnO2纳米片突出了电催化活性，对中性环境中H2O2的还原表现出良好性能[21]。

1.3 DA的检测应用

DA,AA和UA氧化峰电位非常相近，直接电化学检测存在很大困难。尤其是DA在人体中的浓度约为0.01～ 1 μmol/L，远低于共存的AA和UA浓度。因此，准确检测DA就要求传感器具有更高的灵敏度和选择性。

通过石墨烯制备过程中的结构控制可以实现AA共存下DA检测，所制备的石墨烯具有更大的感测区和更活跃的位点吸附目标分子。石墨烯的化学掺杂是另一种改进碳基材料催化活性有效的方法。Li M J等人[22]通过固态反应合成了噻吩硫均相掺杂石墨烯，在S掺杂的石墨烯表面形成了丰富的微孔，有效提高了DA氧化反应的电催化活性。Yu B等人[23]使用PSS为模板获得3D多孔结构RGO(3D-RGO)，对DA检测灵敏度高达24 400 μA/(mmol/L cm2)。研究者[24]也通过化学气相沉积法建立了一种具有独立3D网状结构的N掺杂石墨烯DA电化学生物传感器，比非掺杂石墨烯具有更高电化学活性。

提高石墨烯电化学生物传感性能的方法还包括等离子体处理、电荷作用，或引入其他功能分子的表面修饰等。Keekly等人[25]以简单的氧等离子体处理石墨烯，提高了多层石墨烯薄膜表面的含氧基团，促进了电子转移，并首次对化学气相沉积生长功能化多层石墨烯的电化学性能进行了研究。石墨烯表面电子转移行为表明，处理过的多层石墨烯可以替代商品化热解石墨(BPPG)电极用于电化学分析，特别是对电极表面氧功能基团敏感的分析物，如DA，NADH，AA，UA的检测。此外，石墨烯以两亲功能分子柱芳烃(AP5)[5]和AuNPs(RGO—AP5—AuNPs)修饰，显示出超分子选择性识别和富集DA分子的能力[26]。以二乙三胺五乙酸修饰的石墨烯螯合Tb离子(RGO—DTPA—Tb)传感器，由于其良好的协同作用，以及与金属纳米颗粒、金属氧化物，或导电性聚合物通过静电作用的有效结合，可用于DA高度敏感识别的光学、电化学双探头，促进了石墨烯基材料在生物医学检测中的应用[27]。

RGO—金属氧化物纳米复合材料，对DA的氧化也显示出较高的电催化活性。Yang A K等人[28]利用烷基磺酸钠功能化石墨烯纳米片和SnO2纳米粒子构建了DA传感器。Salamon J和Zhang W X等人[29,30]分别报道了基于Fe3O4—石墨烯纳米复合材料的DA电化学检测系统，所制备的石墨烯复合材料修饰电极比堆叠石墨烯—Au显示出更高的电化学响应，这归因于其更大的活性形态区。

基于导电聚合物和石墨烯或GO纳米结构材料高的电导率，长期稳定性，优良的电化学性能和生物相容性，聚吡咯(PPy)—石墨烯为基础的复合材料已被用于DA的检测。Au@PPy/RGO纳米复合材料修饰电极，对DA检测表现出显著的性能，线性范围为0.1～5 000 nmol/L，检测限低至18.29 pmol/L[31]。Rodthongkum N等人[32]利用石墨烯/PANI/PS高度敏感的纳米纤维结构发展了DA电化学检测系统。石墨烯/PANI/PS纳米纤维修饰电极产生的响应电流，高于PANI/PS修饰电极约4倍，表明石墨烯基纳米纤维可以有效促进电子传递。PEDOT掺杂GO被用于研究其表面DA,AA和UA的电化学氧化行为。GO/PEDOT和DA间静电相互作用促进了DA 的选择性检测，能够在AA共存下选择出DA信号。Wang W T等人[33]所报道的PEDOT/RGO纳米复合材料对DA的检测显示出比PEDOT/GO更好的电化学性能。本文制备的石墨烯—水溶性磺酸基卟啉纳米复合材料修饰电极在AA共存下，也实现了DA的高灵敏检测[34]。

1.4 AA和UA的检测应用

AA是一种重要的保护人类免受氧化应激的抗氧化剂。Song J等人[35]发展了AuNPs/GO纳米复合材料应用于人血清和药物中AA检测的电化学生物传感器。Liu B D等人[36]使用NiO/石墨烯纳米复合膜修饰电极，结合Ni(Ⅱ)的催化性能选择性地检测AA的氧化。Fe2O3/石墨烯纳米复合材料修饰电极在UA的存在下用于检测AA。与纯Fe2O3和纯石墨烯材料相比，复合材料修饰电极对AA的氧化显示出高催化活性。Ma Y等人[37]制备的3D石墨烯泡沫/花状纳米CuO修饰电极直接用于AA的检测，灵敏度达到2 060 μA/(mmol/L cm2)，响应时间小于3 s。3D石墨烯泡沫结构有利于收集电流、传输物质和负载生物活性化合物。花状CuO纳米结构进一步增加了传感活性区，催化了AA的氧化。此外，基于石墨烯/CuPc/PANI纳米复合材料的AA电化学传感平台在较低的电位下也显示对AA优异选择性的催化氧化[38]。

除DA和AA外，灵敏、可靠的UA低浓度检测在临床研究中也非常重要。近期，研究者没有使用任何胶试剂，仅以ERGO作为电极材料修饰ITO电极检测了UA。研究表明，即使在AA大量存在下，ERGO/ITO电极也可以稳定选择性地测定UA[39]。Zhang Z P等人[40]采用易控制的电还原技术制备了含有各种氧功能基团的ERGO膜，研究了ERGO修饰电极上氧功能化的电化学性质，揭示了UA氧化的电催化机理。研究显示，ERGO电极膜上含氧基团的量对UA氧化电流响应是一个重要的决定因素。Yan H L等人[41]利用商品羧基化石墨烯(CG)通过阴极电化学还原制备了电还原ERCG，将电化学合成的PSA修饰于ERCG表面。PSA/ERCG/GCE电极成功应用于尿样中异烟肼和UA的同时检测。石墨烯的表面修饰不仅限于含氧官能团的变化，也涉及表面电荷的调整。将阳离子聚合物PDDA引入到石墨烯表面，对石墨烯的电催化反应发挥了非常重要作用。正电荷的PDDA—石墨烯克服了纳米片的聚集，增强了UA的响应电流。

1.5 NADH的检测应用

NADH是代谢过程必不可少的辅酶，NAD+/NADH氧化还原电对参与了生物系统数百个酶促反应，并作为辅助因子在300多个脱氢酶的每一个细胞电子传递链中发挥着重要作用。然而，NADH的氧化在常规电极上过电位较高，直接氧化要求在+0.6 V(SCE)。此外，NADH的电化学氧化是不可逆的，常常导致电极反应滞后。石墨烯基电极材料在解决这些问题上表现出巨大的应用潜力，实现了NADH在低过电位下的电化学检测。Govindhan M等人[42]报道了无任何氧化还原媒介和酶援助的快速、高选择性和稳定的β—腺嘌呤二核苷酸电化学传感平台，常见的干扰物，如谷胱甘肽、葡萄糖、AA几乎可以忽略。Tabrizi M A等人[43]以NADH为还原剂，经温和的水热过程环境友好一锅法还原合成了RGO。电化学实验表明RGO/GCE对NADH的氧化在+0.35 V表现出良好的电催化活性。通过循环伏安法将ERGO/聚硫堇(polysulfide cordierite)沉积于GC电极上，制备的安培型生物传感器，在+0.4 V对NADH的氧化表现出优异的性能。Li Z L等人[44]设计了石墨烯—DNA—多面体Au纳米复合材料修饰Au电极，应用于NADH高灵敏检测，电位降至+0.28 V(Ag/AgCl)，检测限低至1 fmol/L。

石墨烯基电极材料除了在酶和非酶生物传感器领域表现出巨大的应用潜力，在其他类型的生物传感器，包括以DNA和RNA链间反应为基础的核酸生物传感器，以及基于抗原和抗体特异性结合为基础的免疫传感领域均发挥了重要作用。石墨烯为基础的电化学传感器也用于检测其它分析物，如气体(NO,NH3)、环境污染物(对苯二酚、邻苯二酚、肼、重金属离子等)、药物(尼莫地平、芦丁、对乙酰氨基酚等)，以及甲醇、乙醇、TNT和农药等。限于篇幅，本文不再赘述。

2 结束语

基于石墨烯基纳米复合材料大的比表面积，高的导电性，优良的电催化活性以及良好的生物相容性，作为生物传感器材料已广泛用于葡萄糖,H2O2，DA，AA，UA，NADH，DNA，RNA以及抗原等生物分子的检测。通过结构控制、表面功能化以及杂原子的化学掺杂等，赋予了石墨烯基电极材料更好的性能。此外，通过引入金属纳米粒子、金属氧化物以及导电聚合物，进一步拓展了其在生物传感领域中的应用。本文简要介绍了石墨烯基纳米复合材料在非酶电化学传感领域中的最新应用进展。以石墨烯为基础的非酶电化学生物传感器在生物活性物质检测中表现出令人满意的生物相容性，以及灵敏性高、线性范围宽、检测限低、长期稳定性好等显著性能。