石墨烯量子点在生物传感器中的应用研究进展

郑梅琼，聂 彤，许炜璇，赖婷婷，朱彩君，杨剑萍

(广东第二师范学院化学系，广东 广州 510303)

石墨烯由于优良的导电性、生物相容性、低毒性和巨大的比表面积而成为构建高灵敏生物传感器的理想候选材料[1]。Yang等[2]采用电化学法和水热法成功制备了石墨烯纳米薄片，用于制备高灵敏的葡萄糖传感器。石墨烯量子点(GQDs)是指单层、双层或多层的微型石墨烯片[3-5]，其厚度小于10 nm，横向尺寸小于100 nm。石墨烯量子点不仅具备石墨烯的性质，而且具备独特的尺寸结构、量子限制效应和边界效应，使其表现出一些特殊光学性质和电化学性质[6-11]，比如稳定的光致发光、荧光、电化学发光等，已被广泛应用于生物环境安全评估、监测和分析等领域，在临床分析和疾病诊断等方面具有巨大的应用潜力。

1 石墨烯量子点的制备

目前，制备石墨烯量子点的方法大致可以分为两种：第一种是尺寸调控，包括自上而下和自下而上两种方法，其中自上而下是将石墨烯、碳纤维、碳纳米管等含大量石墨烯结构的碳物质通过物理方法、化学方法或电化学方法进行分割得到石墨烯量子点[12-16]。该方法的优点是工艺流程相对简单，原料易得；缺点是难以精确调控石墨烯量子点的尺寸和结构。如Zhang等[17]通过热解法制备了石墨烯量子点，用于构建灵敏的荧光传感器。而自下而上是将有机小分子碳物质通过热解缩合等化学手段直接制备石墨烯量子点。该方法的优点是可精确调控石墨烯量子点的尺寸和结构，缺点是操作步骤复杂。第二种是表面化学反应，即在石墨烯量子点表面修饰羟基、羰基和羧基等基团或掺杂氮、硫、硼等杂原子，以改变石墨烯量子点的性质[18-23]。Bayoumy等[24]通过壳聚糖生物高聚物功能化石墨烯量子点以提高其机械性能，用于制备生物传感器。以上两种制备方法各有优缺点，可根据所需石墨烯量子点的性质要求来选择合适的制备方法。

2 石墨烯量子点在生物传感器中的应用

2.1 石墨烯量子点荧光传感器

石墨烯量子点荧光传感器是通过待测物和识别基团的特定作用使得石墨烯量子点的荧光强度、荧光寿命和荧光发射波长等荧光性质发生变化，以定量或定性分析待测物的一种装置。基于石墨烯量子点的荧光传感器主要用于检测Fe3+、Cu2+、Al3+和有毒离子Hg2+、Ni2+、Cr6+等[25-29]。荣杰峰等[30]通过Cr6+和二苯碳酰二肼反应生成对石墨烯量子点具有猝灭作用的络合物，建立了一种基于石墨烯量子点荧光信号猝灭特异性检测实际地表水样中Cr6+含量的方法。

石墨烯量子点由于小横向尺寸、边缘有富氧官能团和良好的体内稳定性而成为构建疏水抗癌药物的理想载体[31-34]。Ding等[35]通过在石墨烯量子点表面装载抗癌药物阿霉素(DOX)和荧光染料Cy5.5(Cy)，研制出一种新型的荧光传感器(图1)，用于追踪抗癌药物的传递、释放以及抗癌药物诱导癌细胞的凋亡，有助于建立个性化癌症治疗。由此可见，基于石墨烯量子点的荧光传感器成为可以在不需要额外荧光标记的情况下将化疗药物追踪递送至癌细胞的一个理想平台。

2.2 石墨烯量子点电化学传感器

图1 基于石墨烯量子点的荧光传感器治疗诊断平台示意图Fig.1 Schematic of theranostic platform for graphene quantum dots-based fluorescent sensor

Hasanzadeh等[41]在玻碳电极上通过电沉积Fe3O4磁性纳米颗粒和石墨烯量子点高灵敏检测氨基酸；Hou等[42]用石墨烯量子点和金纳米颗粒修饰玻碳电极构建电化学传感器以检测孔雀石绿；Zhang等[43]制备了一种基于T7核酸外切酶辅助循环扩增和DNA介导的银纳米颗粒的电化学发光生物传感器用于分析microRNA(图2)。由此可知，电极表面修饰石墨烯量子点可以缩短电子传输距离，提高电化学发光效率。

图2 基于石墨烯量子点的电化学传感器示意图Fig.2 Schematic of graphene quantum dots-based electrochemical sensor

2.3 石墨烯量子点免疫传感器

石墨烯量子点免疫传感器是通过抗原与抗体特异性识别作用来改变检测信号的传感平台。Bhardwaj等[44]通过合成金纳米颗粒和石墨烯量子点的复合物，将抗黄曲霉素修饰在电极表面以构建高灵敏特异性的免疫传感器；Zhao等[45]通过石墨烯和石墨烯量子点的相互作用，设计了一种灵敏检测人免疫球蛋白G的荧光免疫分析方法，通过石墨烯和石墨烯量子点之间的π-π叠加相互作用以及石墨烯表面与小鼠抗体的非特异性结合相互作用[46-47]，使得发光共振能量转移(LRET)，导致石墨烯量子点的发光被猝灭。

2.4 石墨烯量子点适体传感器

石墨烯量子点适体传感器是通过体外筛选能特异性结合寡核苷酸的传感平台，对特定的配体显示出高亲和力和高特异性，配体的存在会诱导构象变化[48]。Lu等[49]用SiO2纳米微球、石墨烯量子点和ssDNA2组成的混合纳米复合物修饰电极，构建了一种基于发射蓝光的石墨烯量子点适体传感器来检测三磷酸腺苷。Shekari等[50]用石墨烯量子点、N-掺杂的石墨烯和金纳米颗粒修饰玻碳电极，通过形成血红素-G四链体构建适体传感器以特异性检测癌胚抗原。基于石墨烯量子点的适体传感器，不仅可以用于癌症诊断，也可用于病原体或小分子的检测，在生物临床方面具有巨大的应用潜能。

3 展望

石墨烯量子点生物传感器在分析化学和生物医学研究领域具有巨大的发展潜力。目前，基于石墨烯量子点的生物传感器仍面临以下挑战：(1) 石墨烯量子点的量子产率仍然较低，从而导致光致发光传感器的灵敏度下降；(2) 基于石墨烯量子点的生物传感机制需要进一步完善；(3)难以精确获取良好尺寸、结构、层数或表面官能团的高质量石墨烯量子点；(4)现有的制备方法还不能大规模制备石墨烯量子点，而且，制备的石墨烯量子点粒径分布广，荧光效率低。因此，设计不同的制备路线，使石墨烯量子点具备不同的激发和发射波长、不同的直径和横向尺寸，有利于进一步探索和拓宽石墨烯量子点的应用领域。