基于碳材料-纳米金的生物传感器研究进展

唐星星，程圣远，王坚坚

基于碳材料-纳米金的生物传感器研究进展

唐星星1，程圣远2，王坚坚2

（1. 浙江工贸职业技术学院 光电制造学院，浙江 温州 325003；2. 浙江重氏环境资源有限公司，浙江 温州 325036）

碳材料具有独特的力、磁、电等物理化学性质，尤以石墨烯、碳纳米管为代表。纳米金是一种具有优良生物相容性的纳米材料。将碳材料与纳米金复合构筑的生物传感器具有灵敏度高、特异性强的特点。因此，该复合材料被广泛应用于各种生物传感器中。分别对石墨烯/纳米金和碳纳米管/纳米金在电化学生物传感器方面的应用进行了综述。

碳材料；纳米金；生物传感

纳米金是指尺寸范围在1～100 nm左右的金的微小颗粒，其具有优良的电、磁、光等物理化学特性，并能与生物大分子结合，表现出优良的生物相容性[1]。通过氯金酸还原法制备纳米金是其主要的制备工艺，通过控制工艺参数可制备出不同形貌和粒径的纳米金。

1 纳米金的特性

纳米金粒子由于具有纳米尺度因而表现出纳米材料的特有性质。纳米金具有量子效应、小尺寸效应、表面效应和优良的生物相容性，这些特性会随其形貌、尺寸大小及环境而调整。基于纳米金在光、电、磁及生物相容性方面较其他材料具有特殊的优势，且其能维持生物分子的活性，并为氧化还原反应提供了稳定条件，故其常被用来和其他材料结合制成具有特殊生物传感功能的复合材料及器件，具有广泛的实用价值。利用纳米金开发新型传感器，使得生物检测的灵敏性及特异性大为改善，为核酸、蛋白质等生物分子的检测提供了一种快速有效的 方式。

2 纳米金的制备

纳米金的制备主要是基于1973年FRENS[2]提出的氯金酸还原法，该方法操作简单，稳定性高，产物质量好，分散性高，并能根据工艺参数灵活控制纳米金的形貌和尺寸。将氯金酸溶液加热煮沸，然后迅速加入柠檬酸三钠溶液，搅拌，直至溶液颜色由深紫色变成透明的酒红色。

3 碳材料-纳米金生物传感器

碳材料是近几十年来逐步发展起来的明星材料，由于具有独特的力学、磁学、电学性质，在很多方面得到了广泛的应用，其中将碳材料与纳米金复合构筑具有生物传感性能的器件应用于分析检测领域是近年来的研究热点。当前碳材料-纳米金复合物生物传感器主要集中在石墨烯/纳米金复合材料和碳纳米管/纳米金复合材料。

3.1 石墨烯/纳米金生物传感器

石墨烯是一种导电性强（1.5×104cm2·V-1·S-1）、比表面积大（2 600 m2·g-1）、力学性质稳定 （1.06×103GPa）的二维纳米材料[3]。由于这些独特的特性使它被广泛应用于生物医学、物理、化学等领域，其中将石墨烯和纳米金复合构筑高灵敏生物传感器用于生物分子检测便是一个应用的热点。

GANASH[4]等采用水热合成法，合成制备出聚苯胺-邻-茴香胺/石墨烯纳米复合材料，在该材料表面涂以纳米金颗粒，制备出基于石墨烯/纳米金复合物（AuNPs/PANI-co-PoAN/GO）的生物传感器。用此传感器修饰的玻碳电极检测多巴胺，稳定性、灵敏性和选择性均较好，检测限0. 0334 μmol·L-1，在5～100 μmol·L-1的浓度范围内表现出线性关系。

贾飞等[5]采用电化学沉积法将经巯基修饰的纳米金与石墨烯/碳纳米管结合，修饰在电极表面并制成工作电极。使用该传感器对目标菌进行定量检测，检出限4 CFU·mL-1，检测范围10～106CFU·mL-1。

WU[6]等通过电沉积和自组装，将聚吡咯/石墨烯和纳米金复合并修饰在玻碳电极上，将此传感器用于对葡萄糖的电催化活性检测。传感器检测限 5.6 μmol·L-1，灵敏度 0.89 μA·mmol-1·L·cm-2，线性范围0.2～8 mmol·L-1。

樊雪梅[7]等将石墨烯、纳米金和Nafion复合后修饰玻碳电极并应用于尿酸检测。在尿酸浓度范围2.0×10-7～2.0×10-5mol·L-1内与其氧化峰电流成较好的线性关系，检出限1.0×10-8mol·L-1。实际检测时，回收率96.8%～103.2%，为2.7%～3.3%。

CHAANDINI[8]等通过电沉积法合成石墨烯/纳米金复合材料，在葡萄糖的电化学检测中，传感器灵敏度达245 μA·mmol-1·L·cm-2，电流响应成线性关系。

WANG[9]等用血红素封端的金纳米颗粒、石墨烯和壳聚糖复合，组成新型电极，将该传感器用于活细胞中的H2O2的检测。传感器检测限可达 9.3 nmol·L-1，线性范围0.05～1.0 μmol·L-1、1.0～1 000 μmol·L-1。

汤洪波[10]等采用电化学还原法，沉积制备出一种石墨烯/纳米金复合材料修饰的电极，该电极对多巴胺的测定表现出良好的催化活性。复合电极的响应在1×10-5～9×10-4mol·L-1范围内成线性关系，检测下限1×10-8mol·L-1。此外，该传感器在潜在干扰电活性物质的影响下表现出灵敏度高、选择性好、稳定性强等特性。

FANI[11]等利用微分脉冲伏安法研制了一种用于检测人类T淋巴细胞嗜性病毒（HTLV-1）的电化学DNA生物传感器。DNA探针固定在聚吡咯、纳米金和石墨烯（rGO-PPy-AuNPs）复合物修饰的印刷碳电极上，以蒽醌-2-磺酸钠一水合物( AQMS）为指示剂，检测T淋巴细胞病毒。该生物传感器对T淋巴细胞病毒检测限达 4×10-15mol·L-1，线性范围1×10-15～1×10-7mol·L-1之间，此外通过重复性和再现性测试，表明具有良好的可重用性和稳定性。

WEI[12]等利用壳聚糖的还原性和稳定性，制备出石墨烯-纳米金复合材料，并以此发明了一种无标记的电化学传感器。该传感器对神经元特异性烯醇化酶的检测限达0.05 ng·mL-1，在浓度范围 0.1～2 000 ng·mL-1内成线性关系。

REEZI[13]等设计了一种电化学DNA生物传感器用于目标DNA检测。该传感器采用石墨烯/纳米金的复合材料修饰铅笔石墨电极( PGE )，传感元件由检测目标的单链DNA 与巯基金纳米颗粒( GNPs )结合而成。结果表明，检测限为0.87×10-13mol·L-1，线性范围1.0×10-13～1.0×10-9mol·L-1，检测快速、简便、高效，具有较高的重现性和稳定性。

FAHIMEH[14]等采用电沉积法，在施加电势下得到用纳米金石墨烯修饰电极的DNA传感器，用此传感器检测水溶液中的达沙替尼，检测浓度范围可达0.03～5.5 μmol·L-1。

THU[15]等开发了一种基于石墨烯、PEDOT:PSS聚合物和纳米金的均匀混合膜，检测水环境中乙酰氨基酚。在高度均匀的AuNPs/rGO-PEDOT:PSS杂化膜上，电子转移速率显著提高，基于该杂化膜的生物传感器用作低浓度乙酰氨基酚检测，检测限低至532 nmol·L-1。

ALARFAJ[16]等采用水热合成法，制备出石墨 烯/芳基重氮盐类/纳米金复合材料，采用二茂铁-氧化石墨烯分子修饰传感器表面，用于检测肿瘤标志物降钙素（CTN）。该传感器检测限达0. 7 pg·L-1，动态线性范围0.001～1.0 ng·mL-1，输出峰值电流漂移与降钙素浓度成正比。

NIU[17]等采用石墨烯和纳米金复合修饰电极构筑的DNA 生物传感器检测李斯特菌基因序列，用亚甲基蓝作指示剂，目标DNA检测限为 3.17×10-14mol·L-1，浓度范围10-13～10-6mol·L-1。

GULER[18]等制备了一种检测多巴胺生物传感器，该传感器以聚[2,2′:5′,2″]-叔噻吩-3′-碳醛/石墨 烯/纳米金修饰玻碳电极为电极，具有宽的电活性表面和选择性。传感器的线性测定范围为 0.02～232 μmol·L-1，灵敏度315 µA·mmol-1·L·cm-2，检测限11.5 nmol·L-1。

3.2 碳纳米管/纳米金生物传感器

碳纳米管（CNT）是由碳原子构成的直径为纳米级的管状结构材料，但其长度可达到微米甚至厘米级。碳纳米管具有极为出色的各种性能，如高强度、高硬度、独特的电学特性等。由于这些优异的性能，使得碳纳米管在电子材料和器件、纳米制造技术、复合材料等领域具有广阔的应用潜力。将碳纳米管和纳米金复合构筑高灵敏生物传感器件用于生物分子检测便是应用之一。

蒋疆[19]等制备了一种碳量子点（CQDs）/金纳米颗粒（AuNPs）@ 羟基化多壁碳纳米管（MWCNT-OHs）复合膜修饰电极用于鸟嘌呤（GA）和腺嘌呤（AE）的同时检测。该复合膜修饰电极能显著提高GA 和 AE的氧化峰电流及峰电位差，实现对 GA 和 AE 同时高灵敏检测。结果表明，在 0.2 mol·L-1PBS（pH=7. 0）中，GA 和 AE 的氧化峰电流与浓度分别在1～200 μmol·L-1和 2～80 μmol·L-1范围内成良好的线性关系，检测限分别达0. 9、1. 8 μmol·L-1。

黄迪惠[20]等用纳米金（AuNPs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）复合材料修饰电极，应用于硝基苯酚（PNP）检测。线性关系浓度范围为 4.0×10-5～4.0×10-4mol·L-1时，检出限达到1.6×10-6mol·L-1，对硝基苯酚检测表现出较高的稳定性和较好的重现性。

LUONG[21]等使用硫化单壁碳纳米管/纳米金修饰的金电极对HIV-1蛋白酶（HIV-1PR）进行检测，表现出极高的灵敏度，其检测下限达0.8 μmol·L-1。

SEONG[22]等采用电化学沉积法在柔性透明单壁碳纳米管（SWCNT）薄膜上制备了金纳米颗粒（AuNP）阵列，并将阵列的纳米管用作羟胺检测。在0.016～0.210 m mol·L-1浓度范围内观察到线性电响应，检测下限达到0.72 μmol·L-1，灵敏度为165.9 μA·mmol-1·L·cm-2。

WANG[23]等通过电化学沉积将水平阵列SWCNT表面沉积纳米金颗粒，同时实现了对乳头状瘤病毒（HPV）和乙型肝炎病毒（HBV）的高灵敏检测。对于1碱基错配的乙型肝炎单链DNA，检测限为0.1 pmol·L-1。

YOUNG[24]等制备了一种基于金属纳米颗粒修饰的单壁碳纳米管（SWCNT）网络制备化学电阻氢传感器。该传感器响应分别是镀铜和镀锡碳纳米管的3.6倍和18.5倍。采用Au/SWCNN/Au三明治结构，可使传感器的传感响应从16.1%提高到50%。

YU[25-26]等制备了一种基于纳米金（AuNPs）修饰的单壁碳纳米管（SWCNT）的生物传感器，用于检测目标DNA。信号转导依赖于微小的AuNPs的生长，传感发生在沿着SWCNT生长并连接成连续纳米线的微小AuNP上，导致电导响应。该生物传感装置可检测目标DNA，检测限为1 pmol·L-1，并能区分三重和五重碱基对错配。进一步优化该传感器发现调整电极间隙可获得了不同的检测限，0.25 μm电极间隙最佳。

董军[27]采用恒电位法在碳纳米管表面沉积纳米金微粒，再利用物理吸附将乙脑疫苗抗体固定在金微粒表面，并通过辣根过氧化氢酶封闭传感器上的非特异性活性位点，利用其对H2O2的反应增强电流信号，制得乙脑免疫传感器。实验结果表明该传感器灵敏度较高，线性范围较宽，稳定性和选择性较好，应用潜力较大。

毛勋[28]等合成了性能稳定的碳纳米管/纳米金复合纳米材料探针，并制得生物传感器用于肺癌标志物鳞状细胞癌抗原的可视化快速定量检测。该传感器利用复合纳米材料修饰抗体形成新型探针，具有抗干扰能力强的特点，检测限为5 ng·mL-1，线性范围5～5 000 ng·mL-1。

贾晓波[29]利用碳纳米管/纳米金复合材料作探针，结合棉线装置构建即时检测生物传感器，开发出一种新型发夹结构DNA序列功能化的CNT/GNPs纳米复合探针，用于检测与基因疾病相关的DNA序列和肺癌生物标志物癌胚抗原。该装置较传统传感器灵敏度高，检测遗传性酪氨酸血症相关的DNA序列，检测限0.44 nmol·L-1，线性范围1～100 nmol·L-1。近一步优化后，检测癌胚抗原，检测限达2.32 ng·mL-1，灵敏度提高了2～3个数量级，满足临床检测灵敏、快速、经济、可视化的要求。

4 结束语

碳材料和纳米金由于各自本身独特的物理、化学性质，使它们成为生物传感领域理想的电极材料。基于石墨烯/纳米金复合材料和碳纳米管/纳米金复合材料的生物传感器正在被不断研究，并用于生物分子的检测。当前存在的问题主要有：真实环境或复杂环境的检测特异性不高；可检测的生物分子种类有限；部分生物分子检测灵敏度及检测限不高。相信随着技术的日益成熟，以该类材料为基础构筑的生物传感器将更多地应用于实际生活中。

[1] ZHANG H. One-step electrodeposition of gold-graphene nanocomposite for construction of cholesterol biosensor[J]., 2015, 4 ( 2) :114-119.

[2] JI X H, SONG X N, LI J, et al. Size control of gold nanocrystals in citrate reduction: the third role of citrate[J]., 2007, 129 (45): 13939-13948.

[3] 何明育，周亚平.基于石墨烯/金纳米材料的生物传感应用[J].广州化工，2021，49（13）：19-22.

[4] GANASH A A, ALQARNI S A, HUSSEIN M A. Poly (aniline-co-o- anisidine)/graphene oxide Au nanocomposites for dopamine electrochemical sensing application[J]., 2019, 49 ( 2) : 179-194.

[5] 贾飞，闫文杰，戴瑞彤，等.基于还原氧化石墨烯/碳纳米管-纳米金复合纳米材料的阻抗型电化学适配体传感器检测铜绿假单胞菌[J].食品科学，2021，42（18）：284-291.

[6] WU B,HOU S,XUE Y,et al. Electrodeposition-assisted assembled multilayer films of gold nanoparticles and glucose oxidase onto polypyrrole-reduced graphene oxide matrix and their electrocatalytic activity toward glucose[J].(),2018,8(12) : 13-20.

[7] 田欣雨，樊雪梅.Nafion-石墨烯-纳米金修饰电极测定尿酸[J].分析仪器，2022（1）：11-14.

[8] CHAANDINI J P,SUNEESH P,SATHEESH BABU T G,et al. Gold nanoparticle decorated reduced graphene oxide for the nonenzymatic electrochemical sensing of glucose in neutral medium[J].:,2020,14( 08) : 027-035.

[9] WANG W,TANG H,WU Y,et al. Highly electrocatalytic biosensor based on Hemin @ AuNPs/reduced graphene oxide /chitosan nanohybrids for non-enzymatic ultrasensitive detection of hydrogen peroxide in living cells[J].,2019,S0956-5663 (19) : 30153-30158.

[10] 李秋月，汤洪波，周健王，等.石墨烯/纳米金复合修饰电极的制备及电化学性能[J].炭素技术，2021，40（6）：56-59.

[11] FANI M,REZAYI M,MESHKAT Z,et al. A novel electrochemical DNA Biosensor based on a gold nanoparticles-reduced graphene oxide- polypyrrole nanocomposite to detect human T-Lymphotropic Virus-1 [J].,2020,176(99) : 1-8.

[12] WEI Z,ZHANG J,ZHANG A,et al. Electrochemical detecting lung cancer-associated antigen based on graphene-gold nanocomposite [J].,2017,22(3) : 23-28.

[13] REEZI S, VATANKHAH A, IZADI Z,et al. Development of an ultrasensitive electrochemical biosensor for detection of Agrobacterium tumefaciens in Rosa hybrida L[J].,2022,87,110320.

[14] FAHIMEH T J,MEHDI S N,HASSAN K M. Gold nanoparticles and reduced graphene oxide- amplified label-free DNA biosensor for dasatinib detection[J].,2018,42(10) : 39-47.

[15] NHUNG V C, TIEN N N, NGA D T N,et al. Facile preparation of Highly uniform and stable AuNPs/rGO-PEDOT:PSS hybrid film for electrochemical detection of pharmaceutical residue in water[J]., 2022,24(2) : 34.

[16] ALARFAJ N A,EL-TOHAMY M. A label-free electrochemical immunosensor based on gold nanoparticles and graphene oxide for the detection of tumor marker calcitonin[J].,2017,21(10) : 39-45.

[17] NIU X,ZHENG W,YIN C,et al. Electrochemical DNA biosensor based on gold nanoparticles and partially reduced graphene oxide modified electrode for the detection of Listeria monocytogenes hly gene sequence[J].,2017,806: 116-122.

[18] GULER M, KAVAK E, KIVRAK A.Electrochemical dopamine sensor based on gold nanoparticles electrodeposited on a polymer/reduced graphene oxide-modified glassy carbon electrode[J]., 2021,55(7):1131-1148.

[19] 蒋疆，庄启钊，邓诗婷，等.碳量子点/纳米金@碳纳米管修饰电极同时检测鸟嘌呤和腺嘌呤[J].分析试验室，2021，40（12）：1419-1424.

[20] 黄迪惠，黄小洲，陈锦阳，等.纳米金/多壁碳纳米管修饰电极制备及其对对硝基苯酚的检测[J].宁德师范学院学报（自然科学版），2020，32（1）：1-8.

[21] MAHMOUD K A, HRAPOVIC S, LUONG J H T, Picomolar detection of protease using peptide/single walled carbon nanotube/gold nanoparticle-modified electrode[J]., 2008, 2(5): 1051- 1057.

[22] BUI M P N, PHAM X H, HAN K N, et al., Electrochemical sensing of hydroxylamine by gold nanoparticles on single-walled carbon nanotube films[J]., 2010, 12(2): 250-253.

[23] WANG S, LI L, JIN H, et al., Electrochemical detection of hepatitis B and papilloma virus DNAs using SWCNT array coated with gold nanoparticles[J]., 2013, 41: 205-210.

[24] GAO Y, CAO Y, YANG D, et al., Sensitivity and selectivity determination of bisphenol A using SWCNT-CD conjugate modified glassy carbon electrode[J].., 2012, 199-200: 111-118.

[25] YU Y, ZHU Q Y, XIANG F F, et al.,Applying AuNPs/SWCNT to fabricate electrical nanogap device for DNA hybridization detection[J].,2020, 157:40-46.

[26] YI K Y, YU Y, TAN S Y,et al.,A regulatable gap-electrical DNA sensor based on gold nanorods and single-walled carbon nanotubes[J]., 2022,179:107415.

[27] 董军.基于碳纳米管组装无电子媒介体电流型乙脑疫苗免疫传感器研究[J].川北医学院学报， 2019，34（2）：296-300.

[28] 毛勋，宋婷婷，刘燕，等.基于碳纳米管/纳米金复合材料信号探针的可视化棉线快速免疫层析分析装置的研究[J].化学传感器，2019，39（1）：58-63.

[29] 贾晓波.基于碳纳米管/纳米金复合材料的即时检测技术研究[D].西安：西北大学，2018.

Research Progress of Biosensor Based on Carbon Materials/GoldNanoparticles

1,2,2

(1. College of Optoelectronic Manufacturing, Zhejiang Industry & Trade Vocational College, Wenzhou Zhejiang 325003, China;2.Zhejiang Ricosmos Enviroment Resource Co., Ltd., Wenzhou Zhejiang 325036, China）

Carbon materials have unique physical and chemical properties such as force, magnetism and electricity, especially graphene and carbon nanotubes. Nano gold is a kind of nano material with excellent biocompatibility. The biosensor constructed by compounding carbon materials with nano gold has the characteristics of high sensitivity and strong specificity. Therefore, the composite is widely used in various biosensors. In this paper, the applications of graphene/nano gold and carbon nanotube/nano gold in electrochemical biosensors were reviewed.

Carbon materials; Gold nanoparticles; Biosensors

温州市基础性科研项目（项目编号：S20190012）。

2022-04-24

唐星星（1986-），男，湖北省荆州市人，浙江工贸职业技术学院教师，研究方向：纳米功能材料。

O657.1

A

1004-0935（2023）02-0251-04