石墨烯/功能核酸电化学传感器在重金属离子检测中的研究进展

郭玉晶，郑晓芳，韩玉洁

（1.山西大学 环境科学研究所，山西 太原 030006 2.山西大学 化学化工学院，山西 太原 030006）

0 引言

随着工业的发展和资源的开发，大量重金属离子进入河流和土壤，对环境造成严重污染［1-2］。重金属离子具有不可生物降解性和在食物链中不断积累的特性，严重威胁了人类健康和生态环境安全［3-4］。因此，建立快速、灵敏、可靠、低成本的重金属离子检测技术刻不容缓，对食品安全、生物医学防治以及环境保护有至关重要的意义。

检测重金属离子的方法主要有原子光谱法［5］、色谱法［6］、比色法［7］等，虽然这些方法精确度较高，但是由于样品前处理步骤复杂、检测时间较长，成本较高，需要专业人员操作等原因，制约了其现场实际的应用。电化学传感器作为一种快速的现场检测平台，具有灵敏度高、选择性好、响应快、成本低、易小型化和实现连续在线分析等特点，在环境和医学诊断等领域有很好的应用前景［8-9］。电化学传感器主要由敏感元件、信号转换系统、信息传输及处理系统几部分构成。电化学传感器是将目标物与敏感元件（具有电化学性质的分子或生物活性物质）发生的一些反应直接或者间接的通过信号转换系统转化为电信号，然后通过信息传输及处理系统将电化学信号进行处理，以此进行目标物定量或定性分析的检测装置。电化学生物传感器是集生物、电化学技术于一体的传感分析方法，其工作原理是在电化学传感器的基础上，将生物活性物质（包括酶、微生物、细胞、抗体、抗原、组织、核酸等）作为敏感元件，生物分子与目标物通过特异性结合，引起界面的电化学信号改变，实现对目标物的检测。电极材料作为电化学传感器的核心部分，对电化学传感器的性能有着至关重要的作用。纳米科学和纳米技术的快速发展为提高电化学传感器的灵敏度和选择性提供了新的途径。目前，大量的研究工作致力于开发设计具有优异物理和化学性能的电极材料来提高电化学传感器的检测性能［10-12］。石墨烯因其具有大的比表面积、超强的电子转移能力、优良的机械强度和生物相容性，已经成为电化学传感器理想的电极修饰材料，并且可以为生物分子的固定提供稳定的基底［13-14］。功能核酸是通过SELEX技术筛选和体外合成，作为新兴的识别元件，具有可媲美抗体的特异性识别作用，在生物传感设计方面引起了广泛兴趣［15-16］。石墨烯复合材料与功能核酸在电化学传感器上的应用为重金属离子的快速、高灵敏检测提供了新的思路。本文介绍了基于石墨烯复合材料/功能核酸的电化学传感器在重金属离子检测中的原理与研究进展，并对今后的发展前景进行了展望，以期为后续研究提供依据。

1 石墨烯复合材料与功能核酸的结合方式

石墨烯是碳原子以sp2轨道杂化形成二维蜂巢状结构，相连碳原子剩余的p轨道形成大π键，使石墨烯具有特殊的电学、光学性质。但是层与层之间的π-π共轭作用易使石墨烯发生不可逆转的团聚和聚沉。为了充分发挥其优良性质，并改善其成型加工性（如提高溶解性、在基体中的分散性等），必须对石墨烯进行有效的功能化。通过引入特定的官能团，还可以赋予石墨烯新的性质，进一步拓展其应用范围。例如：我们利用环糊精（CDs）功能化石墨烯（GNs）形成复合物（CDs-GNs），该复合物结合了GNs（高电导率和大的比表面积）和CDs（主客体识别和富集能力）的优点，并且表现出良好的分散性和稳定性［17-21］。另外，通过π-π相互作用合成了血红素（hemin）功能化石墨烯纳米片（H-GNs），附着在石墨烯表面的血红素不仅可以提高石墨烯的稳定性而且可以用做原位电化学探针，实现免标记电化学检测［22-24］。石墨烯复合材料的特殊结构为功能核酸的固定提供了平台，功能核酸的引入也提高了电化学传感器对目标物检测的选择性。石墨烯复合材料和功能核酸主要是通过以下方式结合：

（1）非共价作用。功能核酸与石墨烯复合材料通过π-π作用或静电作用结合［25］。这种作用方法比较简单，石墨烯复合材料的性质没有发生改变，但是结合力较弱，功能核酸在石墨烯复合材料表面的排列有序性差且分布不均匀。

（2）共价作用。该方法是将一端经过化学修饰的功能核酸通过共价结合的方式与石墨烯复合材料结合，例如金-硫键［26］、酰胺键［27］等。如Zhang等利用Michael加成反应将5′端氨基修饰的功能核酸（NH2-ssDNA）通过酰胺键连接到还原的氧化石墨烯（rGO）表面，实现汞离子（Hg2+）的检测［28］。此外，金纳米粒子可以和巯基（―SH）修饰的功能核酸形成金―硫键（Au―S），可以稳定有序固定适配体，是一种应用广泛的结合方式［29］。虽然这种结合方式操作比较繁琐，但是较非共价键结合更加牢固。

2 功能核酸电化学传感器检测重金属离子的原理及研究进展

目前，应用于重金属离子检测的功能核酸主要有四类：金属离子特异性DNA、DNA酶（DNAzyme）、富含鸟嘌呤（G）的寡核苷酸和适配体。在重金属离子检测中，功能核酸识别重金属离子的经典化学结构如图1所示［30］，检测原理如下：

图1 功能核酸传感器的经典化学结构，包括（a）T-Hg2+-T；（b）C-Ag+-C；（c）G-四链体；（d）DNA酶和（e）适配体［30］。图片转载自参考文献［30］，得到英国皇家化学学会的许可Fig.1 The classical chemical structures of function nucleic acids sensors including(a)T-Hg2+-T,(b)C-Ag+-C,(c)G-quadruplex,(d)DNAzyme and(e)Aptamer[30].Reproduced from ref.[30]with permission from Royal Society of Chemistry

（1）重金属离子与特异性DNA结合形成稳定的DNA双链体（或发夹结构）

某些功能核酸的碱基对特定重金属离子具有选择性识别作用，可以形成稳定的双链结构或发夹结构。例如：Ono和Togashi首次报道了一种能够选择测定Hg2+的功能核酸［31］。随后Miyake等对加入Hg2+的双链体进行1H NMR光谱分析，得出Hg2+与富含胸腺嘧啶（T）的特异性DNA形成T-Hg2+-T双链结构，这种双链结构比天然DNA中的Watson-Crick型碱基对（AT）更稳定［32］。与上述原理相似，银离子（Ag+）可以与富含胞嘧啶（C）的特异性DNA选择性结合并形成稳定的C-Ag+-C双链结构［33-34］。因此，可以利用重金属离子与特异性DNA选择性结合形成稳定的T-Hg2+-T或C-Ag+-C双链结构设计不同的电化学传感策略检测重金属离子。

（2）重金属离子与富含鸟嘌呤（G）的寡核苷酸结合形成稳定的G-四链体

G-四链体结构是由富含G碱基的DNA所形成，4个G碱基通过Hoogsteen氢键相互作用形成G平面，两个以上G平面堆积形成特异的G-四链体结构（G-quadruplex）［35-37］。金属阳离子（如 Pb2+［38］、K+［39］、Na+［40］和 Sr2+［41］）插入G-四链体之间的孔中，从而得到稳定的G-四链体结构。基于此，可以构建检测Pb2+的电化学传感器。

（3）DNA酶对重金属离子特异性识别

DNA酶（DNAzyme）是一种由体外筛选得到的、具有催化和识别作用的功能核酸。理论上，任何DNA酶都有可能用于电化学传感器的构建。目前，大多数基于DNA酶的传感器集中在RNA切割型DNA酶。这可能是因为RNA切割型DNA酶通常具有催化作用［42-44］，用这些DNA酶设计的传感器的响应时间相对较短。此外，RNA切割型DNA酶将含有RNA的底物链切割成两部分，为设计信号输出模块提供了方便的方法。特定结构的DNA酶在金属离子或氨基酸等辅助因子存在的情况下具有一定催化活性，可以催化酶链切割底物链，因此可以设计传感平台用于检测重金属离子。

（4）适配体对重金属离子特异性识别

适配体指的是通过SELEX技术筛选得到的一段DNA或RNA链，它具有高的亲和力，特异性和选择性。除了上述介绍的用于重金属离子检测的功能核酸外，适配体也是一种功能核酸，可以与特定重金属离子结合，对重金属离子进行检测。用适配体检测的重金属离子有砷（As3+）［45］、镉（Cd2+）［46］等。

2.1 基于石墨烯复合材料/DNA双链体（或发夹结构）检测重金属离子

在痕量检测时，电化学活性分子产生的信号变化不足以指示重金属离子的含量，特别是在背景噪声较强的情况下，其灵敏度有限。为了构建高灵敏Hg2+电化学传感器，多种信号放大的电化学策略被设计和开发。基于石墨烯纳米复合材料大的比表面积、优异的电子传递能力、以及良好的生物相容性等优点，研究人员将石墨烯纳米复合材料与多种信号放大策略结合，设计电化学传感器用于检测重金属离子。

2.1.1 基于T-Hg2+-T配位结构检测Hg2+

用于检测Hg2+的功能核酸大多是富T的特异性DNA，在Hg2+存在的条件下，富T的特异性DNA构象发生改变，形成双链结构或发夹结构，引起响应信号的改变。在检测过程中，通过强π-π堆积或非共价电荷转移吸附作用与石墨烯结合，引入一些电化学活性分子，如：二茂铁（Fc）［47］、亚 甲 基 蓝（MB）［48］、硫 瑾（Th）［49］等，从而获得检测的信号。在此以Hg2+的检测为例，简介基于构象转变原理的两种不同的电化学传感策略：信号减弱型和信号增强型。

2.1.1.1 信号减弱型

信号减弱策略是在Hg2+存在的情况下，特异性DNA的构象改变会使电化学活性分子远离电极表面，从而使电信号减弱。Zhang等［50］利用标记二茂铁（Fc）的单链DNA（ss-DNA）探针检测Hg2+。由于带负电荷的DNA磷酸骨架与石墨烯之间的静电排斥作用以及DNA双链体的空间效应，ss-DNA与石墨烯的π-π相互作用比双链DNA（ds-DNA）强。在未加入Hg2+时，Fc标记的ss-DNA会吸附在石墨烯表面产生较强的电信号。如图2所示，当检测Hg2+时，Hg2+与ss-DNA形成T-Hg2+-T双链结构，由于石墨烯对ss-DNA的吸附能力强于ds-DNA，所以Fc会远离石墨烯修饰的电极表面而使信号降低。该传感器的线性范围为 25 pmol·L-1～10 μmol·L-1，检出限为 5.0 pmol·L-1。Yu 等［51］将石墨烯修饰在电极表面，然后将亚甲基蓝（MB）标记的ss-DNA（MBD）滴加到电极表面，此时MBD吸附在石墨烯表面，MB发生电子转移，产生较强的电信号。当Hg2+存在时，Hg2+与MBD形成发夹结构而使MBD远离石墨烯修饰的电极表面，导致MB氧化还原电流减弱，进而对Hg2+进行检测。Hg2+检测的线性范围是 1.00 fmol·L-1～100 nmol·L-1，检出限为 0.16 fmol·L-1。

图2 用二茂铁作为电化学活性分子检测Hg2+传感原理［50］。图片转载自参考文献［50］，得到爱思唯尔的许可Fig.2 Scheme of Hg2+detection by using ferrocene as an electrochemically active indicator［50］.Reproduced from ref.［50］with permission from Elsevier

2.1.1.2 信号增强型

信号增强策略是当重金属离子存在时，特异性DNA构象改变（即单链的特异性DNA转化为发夹结构或与靶标链形成刚性的双链结构）会使电化学活性分子靠近电极，从而使响应信号增强。Jin等［52］制备了金纳米棒功能化还原的氧化石墨烯，并在功能化的石墨烯上修饰链霉亲和素（SA）、硫瑾（Th）等形成具有电化学信号的复合物rGO@AuNR-Th-SA。然后在金电极上固定富含T碱基的特异性DNA（S1），在Hg2+存在条件下，一端修饰了生物素的特异性DNA（S2）与S1结合形成T-Hg2+-T双链体，由于链霉亲和素与生物素之间存在极强的亲和力使rGO@AuNR-Th-SA靠近金电极表面，增强了Th的电化学信号。该传感器检测Hg2+的线性范围为 1.00 nmol·L-1～200 nmol·L-1，检出限为 0.24 nmol·L-1（图3）。

图3 基于rGO@AuNR-Th-SA复合材料检测Hg2+的传感机理［52］Fig.3 The sensing mechanism for Hg2+detection based on rGO@AuNR-Th-SAcomposites[52]

Zhang等［53］结合 T-Hg2+-T 配位结构和电化学活性分子易于修饰的特点，设计了基于三条ss-DNA的Hg2+传感平台。首先将充当电子介体的石墨烯-金纳米材料电沉积在玻碳电极（GCE）表面，显著提高了电极的导电性。然后将富含T碱基的DNA探针（P1）自组装到电极表面，此时，金纳米可以吸附富含G碱基的DNA探针（P3）并引入MB，用于进一步增强响应信号。Hg2+存在时，P2和P1通过形成THg2+-T配位结构结合到电极表面，金纳米载体上负载的多条P3末端与P2通过碱基配对相结合，随后，利用方波伏安法（SWV）检测其电信号。如图4所示，金纳米载体可以在有限的反应位点提供更多的响应信号源，实现超低检出限。He等［54］提出了一种用于Hg2+检测的双信号放大电化学传感器。该传感器以石墨烯和金纳米粒子修饰电极固定链霉亲和素，同时将一个3′端标记生物素的发夹探针DNA和另一个标记MB的DNA修饰金纳米粒子形成DNA功能化的金纳米粒子（DFNP）。当Hg2+存在时，由于T-Hg2+-T配位作用，3′端标记生物素的发夹探针DNA打开，与辅助DNA（HD）相结合形成刚性ds-DNA，导致MB修饰的DFNP连接到电极表面，此时，MB的信号增强。通过石墨烯纳米复合材料和MB修饰的DNA功能化的金纳米粒子的双重放大效应，该电化学传感器实现了对Hg2+的灵敏检测。其检测线性范围为0.35 pmol·L-1～3 500 pmol·L-1，检 出 限 为 0.21 pmol·L-1。

图4 基于T-Hg2+-T结构和石墨烯复合材料对Hg2+检测的传感原理［53］。图片转载自参考文献［53］，得到美国化学学会的许可Fig.4 Schematic illustration of Hg2+detection of based on graphene composites and T-Hg2+-T structure[53].Reproduced from ref.[53]with permission fromAmerican Chemical Society

Luo等［55］以硫瑾标记的Fe3O4/rGO纳米复合材料作为信号放大器，在柔性电极上原位定向合成铂纳米管阵列（PtNAs）用于痕量测定Hg2+，在Fe3O4/rGO纳米复合材料和PtNAs的协同放大作用下，其检测的线性范围为 0.1 nmol·L-1～100 nmol·L-1，检出限为30 pmol·L-1。

2.1.2 基于T-Hg2+-T结构/核酸酶裂解技术的信号放大策略检测Hg2+

核酸外切酶 III（Exonuclease III，Exo-III）和脱氧核糖核酸酶I（DNase I）的辅助靶循环技术也可应用于电化学传感器的信号放大。Shi等［56］利用石墨烯和AuNPs的协同作用，以合成的三维石墨烯/金（3D G/Au）为基底，采用Exo-III辅助靶循环策略来放大电化学信号，完成了Hg2+的检测，该传感器的线性范围为100 amol·L-1～100 nmol·L-1，检 出 限 为 50 amol·L-1（图5（a））。而DNase I是一种可以剪切单链或双链DNA产生单脱氧核苷酸或单链寡脱氧核苷酸的核酸内切酶。Lu等［57］设计了一种基于DNase I循环原理的电化学传感平台，在T-Hg2+-T配位结构的基础上，通过DNase I辅助靶循环扩增技术，将电信号放大，对Hg2+进行定量检测，检出限为0.12nmol·L-1（图 5（b））。

图5 （a）基于3D G/Au薄膜的电化学传感器与Exo-III辅助循环策略放大信号对Hg2+检测示意图［56］；（b）基于T-Hg2+-T配位结构，结合DNase I触发靶循环信号放大对Hg2+检测示意图［57］Fig.5 (a)Schematic illustration of Hg2+detection by electrochemical sensor based on 3D G/Au film and amplification signal by Exo-III assisted cycling strategy[56],(b)Schematic illustration of Hg2+detection based on T-Hg2+-T coordination structure combined with DNase I triggered target cycle signal amplification[57]

2.1.3 基于T-Hg2+-T结构/金属有机骨架（MOF）类酶催化的信号放大策略检测Hg2+

Zhang等［58］设计了一种基于MOF类酶催化的信号放大策略。如图6所示，该策略首先将GO@Au固定在GCE表面，为巯基化互补DNA（cDNA）的连接建立一个高导电平台。利用Cu-MOFs作为载单链DNA（sDNA）的载体设计信号探针，在Hg2+存在的条件下，以Cu-MOFs作为类酶催化剂，sDNA作为识别元件，通过T-Hg2+-T配位结构以及MOF催化葡萄糖发生氧化反应，产生可检测的电化学信号，用于检测Hg2+。结果表明，MOF材料对葡萄糖氧化显示出优异的催化活性来放大电化学信号。此方法检测范围在 0.10 amol·L-1～100 nmol·L-1，检出限为 0.001 amol·L-1。

图6 以铜基金属有机骨架作为类酶催化剂，用于Hg2+检测的传感机理［58］Fig.6 The sensing mechanism of Hg2+detection using copperanchored metal-organic framework as enzyme-like catalyst[58]

2.1.4 基于C-Ag+-C配位结构检测Ag+

与检测Hg2+相比，基于石墨烯复合材料/金属离子特异性DNA电化学检测Ag+的报道相对较少。目前，这种技术逐渐受到关注。Yang等［34］用Fe3O4修饰三维氧化石墨烯（3D-GO）形成纳米复合材料Fe3O4@3D-GO，并将其用作电极修饰材料检测Ag+。Fe3O4@3D-GO不仅增加了电极的导电性，还可以提供足够的活性位点来捕获更多的DNA。当Ag+存在时，Ag+可以和富含C碱基的DNA形成稳定的C-Ag+-C双链结构，从而影响电极表面的电子传递能力。加入的Ag+的浓度与电极的电化学阻抗（EIS）信号的范围直接相关，因此通过这种策略制成了一种新的Ag+检测方法。这种方法线性范围为0.01 nmol·L-1～100 nmol·L-1，检出限为 2.0 pmol·L-1。

2.2 基于石墨烯复合材料/G-四链体检测重金属离子

据报道，一些生物探针，如ss-DNA、抗体和芳香族化合物可通过π-π相互作用或范德华力吸附在石墨烯表面［59-61］，而G-四链体空间结构复杂，不易固定在电极表面。Gao等［62］以Th为信号分子，石墨烯复合材料为信号增强平台，构建了检测Pb2+的电化学传感器。在Pb2+存在时，传感器上的功能核酸从单链DNA形式变为G-四链体结构，从而导致修饰Th的石墨烯复合材料从电极表面释放到溶液中，使得Th的电化学信号大大降低。该方法对Pb2+的检出限为3.2×10-14mol·L-1（图 7）。Yu 等［63］报道了一种基于G-四链体和电化学还原氧化石墨烯检测Pb2+离子的简单策略。首先，通过循环伏安法在玻碳电极上还原氧化石墨烯形成还原氧化石墨烯修饰的玻碳电极（ERGO/GCE）。随后，MB标记的富含鸟嘌呤G的功能核酸通过π-π相互作用附着在ERGO/GCE表面，形成功能核酸修饰的电极。Pb2+的存在可以使功能核酸折叠成G-四链体，导致功能核酸远离ERGO/GCE表面，MB的电信号发生改变。该传感器对Pb2+具有优异的灵敏度，线性范围为10-15mol·L-1～10-9mol·L-1，检出限为 0.51 fmol·L-1。

图7 以硫瑾（Th）为信号分子，石墨烯为信号增强平台检测Pb2+的原理图［62］Fig.7 Schematic diagram of detecting Pb2+by using thionine（Th）as signal molecule and graphene as signal enhancement platform［62］

2.3 基于石墨烯复合材料/DNA酶检测重金属离子

在构建检测重金属离子的电化学传感器时，可以选择DNA酶为识别元件，根据DNA酶对特定金属离子的识别来实现选择性检测。在构建检测Pb2+的电化学传感平台时，在Pb2+存在的条件下，特异性识别Pb2+的DNA酶以Pb2+为辅酶因子，催化DNA酶链水解底物链，使底物链发生断裂，DNA酶链从底物链上释放出来，使得信号分子与电极之间的距离发生变化，从而改变电信号，达到检测Pb2+的目的。

为了进一步提高检测方法的灵敏度，许多酶如辣根过氧化物酶、葡萄糖氧化酶等被广泛用于电化学传感器的信号放大［64-65］。然而，这种基于酶的放大策略因为固定化过程复杂、长期稳定性不足和成本高而受到限制［66］。因此，各种具有电催化活性的纳米材料被引入作为酶的替代品来构建敏感的电化学传感器［67］。Xue等［68］基于DNA酶对Pb2+的特异性识别作用，使用花状二氧化锰和中空金钯功能化血红素还原氧化石墨烯的纳米复合材料（hAuPd-fMnO2-hemin@rGO）作为探针和电催化剂，制备了一种新型的检测Pb2+的电化学传感器，其传感原理如图8（a）所示。在Pb2+存在下，DNA酶特异性识别Pb2+，并在Pb2+的作用下切割底物链，底物链发生断裂，DNA酶链从底物链上释放出来。此时，连接在电极表面的底物链捕获了固定在单链DNA上的hAuPd-fMnO2-hemin@rGO，通过hAuPd，fMnO2和hemin-rGO对H2O2的协同催化，电化学信号得到了明显的放大。其检测范围 为 0.1 pmol·L-1～200 nmol·L-1，检 出 限 为0.034 pmol·L-1。Yu 等［69］以羧基官能化石墨烯修饰电极，以8-17 DNAzyme为识别元件，金属有机骨架Fe-MIL-101催化H2O2为信号探针，设计了一种高灵敏检测Pb2+的电化学传感器。该电化学传感器具有良好的传感性能，线性范围 为 0.1 pmol·L-1～0.1 μmol·L-1，检 出 限 为17.4 fmol·L-1。

Wang等［70］以金修饰多孔还原氧化石墨烯（Au@p-rGO）修饰GCE、金纳米粒子修饰的氧化石墨烯（AuNPs@GO）为信号探针，制备了一种功能核酸电化学传感器对Pb2+进行检测，其检测原理如图8（b）所示。Au@p-rGO不仅提高了导电性，还具有较强的负载能力，有利于功能核酸在电极表面的连接。加入目标物Pb2+，会导致底物链断裂。通过AuNPs@GO对H2O2的催化信号，进而检测Pb2+。该策略提高了传感器的灵敏度，其检出限为1.67 pmol·L-1。Lai等［71］在 GO 表面上电沉积一层AuNPs形成复合物（RGO-AuNPs），利用 Au―S配位键更好地连接DNA酶。此外，在单链DNA酶的3′端用信号分子二茂铁（Fc-ssDNAzyme）修饰，提高了传感器的灵敏度。在Pb2+存在下，Fc-ssD⁃NAzyme被识别和切断，导致Fc标记的DNA片段远离电极表面，电极表面电信号发生变化，采用差分脉冲伏安法（DPV）检测这种变化，其检测范围为 0.05 μmol·L-1～400 μmol·L-1，最低检出限为 0.015 nmol·L-1。

图8 （a）检测Pb2+电化学传感器的制备原理图及信号放大策略［68］；（b）用于检测Pb2+电化学传感器的制备原理图［70］Fig.8 (a)The fabrication of electrochemical sensor for Pb2+detection and the signal amplification strategy[68],(b)Schematic dia‐gram of the fabrication of the electrochemical sensor for Pb2+detection[70]

除了特异性识别Pb2+的DNA酶外，还有特异性识别Cu2+，铀酰离子（UO22+）的DNA酶。基于此，研究人员构建了DNA酶特异性识别检测 Cu2+，UO22+的传感器。Tian等［72］报道了一种基于DNA酶的电化学传感器，该传感器将三维有序大孔壳聚糖-普鲁士蓝-单壁碳纳米管复合材料（3DOM CS-PB-SWCNTs）修饰在金电极上进行Cu2+的检测。修饰AuNPs的DNA用于提高DNA酶的固定量。将葡萄糖氧化酶（GOD）和 辣 根 过 氧 化 物 酶（HRP）与 GOAuNRs形成纳米复合物用于电催化还原葡萄糖。葡萄糖的电化学信号随着Cu2+浓度的增加而增加。该传感器具有较高的灵敏度和良好的选择性，其检出限为 10-19mol·L-1。Yun 等［73］基于特异性识别的DNA酶建立了一种超灵敏的UO22+电化学检测的方法。该方法检测UO22+的线性范围为 0.05 nmol·L-1～4 nmol·L-1，检出限为20 pmol·L-1，为现场实时监测UO22+提供了良好的策略。此外，基于DNA酶特异性识别重金属离子的传感器还应用于同时检测多种不同的重金属离子。Wang等［74］利用氨基修饰还原氧化石墨烯设计电化学传感器，将DNA⁃zyme、底物DNA和Pb2+、Hg2+结合，对两种离子进行同时检测，Pb2+和Hg2+的检出限分别低至7.8 pmol·L-1和 5.4 pmol·L-1。

2.4 基于石墨烯复合材料/适配体检测重金属离子

用于检测重金属离子的电化学适配体传感器也是一个备受关注的领域。目前基于石墨烯复合材料/适配体检测的重金属离子主要包括Cd2+、As3+等。

Wang等［75］基于适配体对Cd2+的特异性识别作用，使用还原氧化石墨烯/石墨氮化碳（rGO/g-C3N4）纳米复合材料作为电极修饰材料，制备了一种检测Cd2+的电化学传感器。在该传感策略中，不同的镉离子浓度范围与传感器有不同的反应机制。在低浓度时（1 nmol·L-1～1 000 nmol·L-1），适配体通过酰胺键与rGO/g-C3N4复合材料结合，并通过适配体对Cd2+特异性识别作用来检测Cd2+；而在高浓度时（1 mmol·L-1～1 000 mmol·L-1），Cd2+浓度响应主要是电极表面复合材料的层状或者缺陷结构使得Cd2+与材料的孔穴或位点的结合来捕获。该适配体传感器实现了对Cd2+的超灵敏检测。Lee等［46］人设计了一种信号增强型的适配体传感策略，用于Cd2+离子的检测。该方法将亚甲基蓝（MB）标记的适配体探针（Apt）及其部分互补DNA（cDNA）形成的双链结构（cDNA-Apt）固定在ERGO电极上。ERGO电极上cDNA-Apt的双链结构阻碍了MB的电子转移。当Cd2+存在时，使cDNA-Apt双链展开并释放出cDNA，MB靠近电极表面，导致电化学信号增强，实现Cd2+的超灵敏检测。该传感策略可检测线性范围为 1 fmol·L-1～1 nmol·L-1，检出限为 0.65 fmol·L-1。

Wen等［76］利用普鲁士蓝纳米粒子功能化氧化石墨烯（PBNPs@GO）作为电化学活性指示剂，制备了一种用于亚砷酸盐（As3+）检测的电化学适配体传感器。传感原理如下：首先通过Au−S键将适配体自组装在金电极表面。在没有As3+的情况下，大量的PBNPs@GO复合物可以吸附在电极表面，产生强的氧化还原信号。而在As3+存在的情况下，适配体与As3+结合形成卷曲结构，适配体构象变化使PBNPs@GO在电极表面的吸附量减少，导致氧化还原反应降低，从而实现对 As3+的检测。Ensafi［45］等基于三维还原氧化石墨烯修饰金纳米粒子（3D-rGO/AuNPs）制备了一种灵敏的适配传感器，用于检测As3+。在As3+存在的情况下，ss-DNA与As3+形成卷曲结构，阻碍电极表面电子转移。在最佳条件下，该传感器对As3+的检出限为1.4×10-7ng/mL。

3 结论和展望

重金属离子因为其致病浓度低，毒性大，对人类健康和环境造成了威胁。近年来，基于石墨烯复合材料/功能核酸的电化学传感器在重金属离子检测中取得了很大进展。本文介绍了在电化学传感器中石墨烯纳米材料与功能核酸的结合方式，以及其复合材料检测重金属离子的作用机理。功能核酸根据以下原理用作金属离子识别元件进行检测：（1）特异性DNA选择性结合重金属离子形成稳定的DNA双链，典型代表是形成T-Hg2+-T和C-Ag+-C双链体结构；（2）富含鸟嘌呤（G）的寡核苷酸可识别特定重金属离子形成稳定的G-四链体；（3）DNA酶对重金属离子有特异性识别作用，使其可用作重金属离子检测的识别元件；（4）适配体与重金属离子特异性结合，用于检测重金属离子。

目前基于石墨烯的功能核酸电化学传感器大多停留在实验室理论研究方面，商品化的实际应用较少。因此，功能核酸传感器在很多方面有待提高，比如基于石墨烯纳米材料的功能核酸电化学传感器由于功能核酸和重金属离子之间的特异性结合，检测的重金属离子主要集中在 Hg2+、Pb2+、Cd2+、Ag+、As3+等，因此可以设计更多的特异性功能核酸，拓展重金属离子的检测种类，或开发特异性更强的重金属离子功能核酸，提高灵敏度以满足重金属离子检测的需要。此外，目前的传感器大多选择性的检测单个的重金属离子，因此有必要开发可以同时检测多种重金属离子的电化学传感器。