BDD 电极修饰及其在生物传感器中的应用进展

刘立娜，马雪姣，韩严和，徐 晗，王楠楠

（北京石油化工学院环境工程系，北京 102617）

随着社会的进步和工业化的快速发展，各种天然和人工合成的化学品已大量渗入全球水循环的各个环节，水污染进一步加剧水资源短缺，严重威胁水的生态循环〔1-2〕。一些痕量持久性有机污染物和重金属严重危害人体健康，因此，快速、准确、定量地对有毒物质进行原位痕量检测具有十分重要的意义〔3〕。目前，生物传感器已被广泛用作快速检测痕量物质的工具，其通常由敏感的生物特征元件、传感器和信号分析系统组成〔4-5〕。敏感元件识别并结合被分析物，传感器捕捉敏感材料和被分析物之间的相互作用，并将其转换成可识别的电信号，最后通过信号分析系统进一步计算出被分析物的量〔6〕。生物传感器结合了微处理器的计算能力和生物系统的敏感性、特异性，具有效率高、成本低、特异性强、检测速度快、操作简单以及能够于在线分析的同时输出结果等优势，在基因检测〔7〕、环境检测〔8〕、食品安全检测〔9〕和生化分析〔10〕等领域的应用越来越广泛。

生物传感器对被分析物的检测灵敏性主要取决于生物传感器的材料，选取优异的电极材料可以大大提高传感器的检测灵敏性〔11-12〕。BDD 电极具有宽窗口电势、低背景电流、高催化活性、高析氧电位、高稳定性和良好的导电性等优点，且由于硼原子半径较小，易进入金刚石晶格中填补金刚石的晶体缺陷，增加结构致密性，因此BDD 电极比传统电极（如石墨电极、Pt 电极、IrO2电极、RuO2电极）有更优异的电化学特性〔13〕。表1对BDD 电极与传统电极的特性进行了对比，由表1 可知，相比于传统电极，BDD 电极的析氧电位最高，可以产生更多氧化活性中间体，能够快速、高效地进行有机物的分析与检测，通常展现出较低的检测限和较高的灵敏度。BDD 电极优异的物化性质弥补了传统电极材料（如石墨电极、Pt 电极）容易钝化的缺点，在化学、电极材料、微量有机物检测等领域展示出巨大的应用前景〔14〕。但BDD 薄膜高昂的成本限制了其大规模的应用，所以降低BDD 成本或提高其电化学性能十分有必要，而对BDD 电极表面进行化学修饰是提高其电化学性能的一种重要途径。

表1 BDD 电极和传统电极的对比Table 1 Comparison of BDD electrode with traditional electrodes

化学修饰是通过将活性较强的离子、分子、官能团、聚合物以及DNA 分子修饰在电极表面，以提高电极活性，达到增强电极选择性和灵敏度的目的。如图1 所示，通常采用吸附法〔19〕、共价键结合法和电沉积法3 种方法对BDD 电极进行修饰，其中吸附法主要通过化学吸附和自组装技术对BDD 电极进行修饰，共价键结合法主要通过酯化反应〔20〕、化学接枝〔21〕和芳基重氮盐接枝〔22〕3 种方法对BDD 电极进行修饰，而电沉积法主要通过氧化还原反应将离子沉积到BDD 电极表面进行电极修饰。此外，还可采用电极表面活化等辅助措施对BDD 电极修饰过程进行强化以提高修饰物的利用率和BDD 电极的电化学性能。

图1 BDD 电极修饰方法Fig. 1 BDD electrode modification methods

笔者系统论述了吸附法、共价键结合法和电沉积法3 种当前主流的BDD 基底化学修饰方法，总结了BDD 修饰电极在生物传感器中的应用研究进展，并进一步展望了BDD 电极作为基底材料在生物传感器领域存在的问题及未来的重点发展方向，以期为BDD 电极的实际应用提供参考。

1 吸附修饰法

1.1 吸附机理

吸附法修饰电极是利用基体电极的吸附作用将修饰物固定在电极上的一种电极改性方法，吸附质分子通过与固体表面原子（或分子）发生电子转移、交换，形成化学吸附键〔19〕。由于吸附是一个动态平衡过程，因此吸附材料与电极表面的结合力较弱。

1.2 吸附修饰法的研究进展及应用

1.2.1 化学吸附法

化学吸附法主要利用非共价键作用将修饰物固定到电极表面，是一种简单直接的电极修饰方法。Rong GENG等〔23〕通过原位沉积法将SiO2沉积在BDD电极上，再通过吸附作用将细胞色素c（Cyt c）固定在SiO2薄膜上，最后再沉积一层SiO2薄膜，构建了一种用于检测亚硝酸盐的具有新型三明治结构的SiO2/Cyt c/SiO2/BDD生物传感器；在操作电压0.7 V 条件下，该生物传感器对亚硝酸盐浓度的检测范围为1.00×10-6~1.00×10-3mol/L，检测限为5.00×10-7mol/L，灵敏度为1.70×102μA·L/（mmol·cm2）；具有三明治结构的SiO2/Cyt c/SiO2/BDD 生物传感器保证了固定化的Cyt c 保持高稳定性及良好的电化学和生物催化反应活性，在极高或极低pH 条件下，Cyt c 的生物活性依然得到很好的保护，并通过两步电化学氧化将溶液中的NO2-氧化成NO3-，对于亚硝酸盐的检测具有较高的灵敏度和较低的检测限。

1.2.2 自组装法

自组装技术是BDD 晶体与不同纳米颗粒之间产生静电吸附力，并将纳米颗粒吸附在功能化修饰的BDD 薄膜表面，形成排列规则的纳米颗粒单层膜，从而制备纳米颗粒/BDD 复合材料的一种技术，是一种修饰BDD 电极的重要方法。

对BDD 电极表面进行特定化学组分修饰，可以提高其电化学特性，有助于改善生物传感器的检测性能。在检测活性剂十六烷基吡啶溴化铵（CPB）时，BDD电极无法直接进行对CPB的特异性测定，Yuning WANG 等〔24〕首先采用电沉积法将Au 沉积在BDD电极表面，随后将辛硫醇（OT）自组装到Au/BDD 表面，制备得到的OT/Au/BDD 生物传感器可以对CPB进行特异性测定，CPB 浓度检测范围为5.00×10-7~1.00×10-4mol/L，检测限为2.00×10-7mol/L。在大多数情况下，AuNPs 在BDD 电极表面可形成自组装单层，由于一维或二维阵列的AuNPs 层吸附容量低、比表面积小，在检测多巴胺（DA）时，抗坏血酸（AA）会阻碍电极与DA 的相互作用，难以有效检DA。Min WEI 等〔25〕采用自组装法将带有负电荷的AuNPs和聚电解质（PE）交替组装在聚苯乙烯（PS）胶体上形成三维Au/PE/PS 多层微球，之后对BDD 进行修饰，研究表明，通过逐层自组装技术制备的Au/PE/PS/BDD生物传感器对DA 的氧化具有较高的电催化活性，能抑制AA 的电化学反应，可以有效测定AA 存在下的DA 浓度，对DA 浓度的检测范围为5.00×10-6~1.00×10-4mol/L，检测限为8.00×10-5mol/L。除AuNPs 外，将具有较大比表面积和高电子转移效率的碳纳米管（CNTs）修饰在BDD 电极表面后，可以与BDD 电极宽电势窗口的特性产生协同作用，有助于提高BDD电极的电化学性能。S. K. LEE 等〔26〕通过静电自组装法在BDD 电极上选择性直接生长多壁碳纳米管（MWCNTs）制备出BDD/MWCNTs生物传感器，大幅提高了BDD 电极对葡萄糖的检测性能；与BDD 相比，BDD/MWCNTs 生物传感器对葡萄糖浓度的检测限从4.24×10-7mol/L 降低至6.96×10-8mol/L，灵敏度从0.35 μA·L/（mmol·cm2）提高到7.2 μA·L/（mmol·cm2），这是由于CNTs 可以为葡萄糖检测提供几何结构和电子通道，提高BDD 电极的比表面积和电子传输能力，进而提升其对葡萄糖的检测性能。S. K. LEE等〔27〕还以网状CNTs 为核心，通过静电自组装技术合成了具有多孔三维纳米结构的CNTs/BDD 生物传感器，该传感器对葡萄糖浓度的检测范围为6.54×10-10~8.38×10-8mol/L，检测限为4.00×10-11mol/L，灵敏度高达4.09×103μA·L/（mmol·cm2），与BDD 相比，灵敏度提高了656 倍；CNTs/BDD 生物传感器性能的提高可能是与CNTs 提供的几何形状和电子路径以及BDD 和CNTs 的协同作用有关。

吸附法是较为简单的BDD 修饰方法，通常情况下，只需要在修饰之前活化电极表面。相比于电沉积法修饰BDD 电极，吸附法修饰BDD 电极能够得到尺寸和形状均匀的纳米颗粒。然而吸附法修饰过程是通过分子间的吸引力完成的，存在电极稳定性差、修饰剂易流失、灵敏度不高和兼容性不佳等问题，对此，可以通过共价键结合法将修饰物共价结合至电极表面，这是因为共价键结合法属于化学修饰方法，而化学修饰电极通常比化学吸附法得到的电极稳定得多。

2 共价键结合修饰法

2.1 共价键结合修饰法机理

共价键结合法修饰过程是根据分子间功能基团发生的化学反应，将修饰剂与电极表面通过共价键结合。由于BDD 表面无功能基团，因此需对BDD 表面先进行预处理，经过预处理后的表面含有大量基团，如羧基（—COOH）、羟基（—OH）、氨基（—NH2）等，这些基团能够通过与修饰物形成共价键进而对BDD 电极进行修饰。图2 给出了典型的经预处理的BDD 表面常见的修饰方式，包括：1）BDD 被氧化后表面形成—OH，进而通过酯化反应引入带有—COOR（H）基团的化合物〔21〕；2）通过化学反应在BDD 电极表面引入活性端基，如—NH2，进而通过酰胺化等化学反应接枝合适的修饰基团〔21〕；3）通过电化学还原芳基重氮盐将栓系芳基衍生物接枝到BDD 表面，进而将生物分子附着到BDD表面栓系芳基衍生物上〔22〕。

图2 共价键结合法修饰BDD 电极Fig. 2 Modification of BDD electrode by covalent bond binding

2.2 共价键结合修饰法的研究进展及应用

BDD 具有生物功能化基体和电极的双重特性，在生物传感器中有广阔的应用前景，在光反应探针与聚合涂层主干或侧基上的C—H 键和生物分子（如蛋白质、寡核苷酸和酶）之间的光诱导反应中，生物分子在基体表面的固定化是包括诊断分析和生物电子传感在内的许多生物分析的关键步骤。采用共价键结合法对BDD 表面进行修饰，有望开发各种生物传感器和生物传感技术。

BDD 电极表面的—OH 可以通过酯化反应与有机分子形成共价连接进而将其固定。L. MARCON等〔20〕通过酯化反应将光反应性二苯甲酮共价接枝到BDD 电极表面，实现了BDD 电极表面对DNA、肽及蛋白质的固定，并利用掩膜将多肽直接固定在二苯甲酮修饰的BDD 上，进一步加强了生物活性的保存，为生物传感器的应用开发提供了基础。Jing WU等〔28〕将—COOH 引入BDD 电极表面，戊二醛与葡糖氧化酶（GOD）通过与—COOH 共价交联固定到BDD电极上，制备出用于检测葡萄糖的生物传感器，该生物传感器具有较高的酶活性和对葡萄糖的高亲和力，对葡萄糖浓度的检测范围为6.67×10-5~2.00×10-3mol/L，检测限为2.31×10-5mol/L；在没有电子介质的情况下，电子可直接在电极表面和GOD之间转移，且O2对电子转移没有影响，电极具有较高的稳定性。

光化学接枝以及电化学接枝也是常用的BDD电极修饰方法。Y. COFFINIER 等〔21〕在室温下通过NH3等离子体处理氢封端的BDD 表面来获得胺封端的BDD 表面，之后通过氨基脲对乙醛基多肽进行固定化，再脱除末端的Emoc 基团可得到氨基脲封端的BDD 电极表面。A. HÄRTL 等〔29〕采用光化学对BDD表面进行氨基化修饰后，通过共价键结合将H2O2酶结合到经氨基化修饰的BDD 电极上，制备出用于检测H2O2的生物传感器，该传感器对H2O2浓度的检测范围为3.00×10-4~1.50×10-1mol/L，灵敏度为7×104μA·L/（mmol·cm2）。申凤婷〔30〕首先利用光化学反应对BDD 电极进行氨基化修饰，再采用共价键结合和交联法将AA 氧化酶修饰到经氨基化修饰的BDD 电极上，制备出用于检测AA 的生物传感器；该生物传感器保留了BDD 电极的优异性质，修饰的酶可降低AA 的活化过电位，加快电子传递，并具有较好的稳定性；在pH 为6 的条件下，该传感器对AA 浓度的检测范围为1.00×10-9~1.00×10-4mol/L，检测限为1.00×10-10mol/L，在AA 浓度1×10-4mol/L、pH 为6、温度为37 ℃的条件下进行50 次重复测定，相对标准偏差为1.7%。T. N. ANNISA 等〔31〕在BDD 电极表面引入氮形成N 封端的BDD（N-BDD），采用AuNPs 和血红蛋白（Hb）对N-BDD 进行共价修饰，制备出用于检测丙烯酰胺的Hb/AuNPS/N-BDD 生物传感器，该生物传感器对丙烯酰胺浓度的检测范围为0~3.00×10-5mol/L，检测限为1.31×10-5mol/L，与Hb-Au 电极相比，检测限降低了2.51×10-5mol/L，表明Hb/AuNPS/N-BDD生物传感器具有良好的灵敏度。R. MANAI等〔32〕以氨基乙酸（NTA）为螯合剂，将6 His 标记的小鼠M71（6 His-M71）通过NTA-Ni共价接枝到BDD表面，制备出用于检测苯乙酮气味的M71-6His-Ni-NTA/BDD生物传感器，该生物传感器对M71 配体苯乙酮具有良好的选择性；之后通过在BDD 上共价键合己酸基团，经EDC/NHS 处理2 h 后，进行OR7D4 嗅觉受体的接枝，制备出用于对配体雄烯酮具有良好选择性的OR7D4-EDC/NHS/BDD 生物传感器。戴玮〔33〕采用共价键结合法将壳聚糖接枝到BDD 电极表面，用于对亚硝酸根（NO2-）的检测，研究表明，壳聚糖修饰的BDD 电极对NO2-浓度的检测范围为5.00×10-7~2.00×10-3mol/L，检测限可达1.00×10-7mol/L。壳聚糖是具有氨基的多糖，在紫外线辐射的条件下为共价键和反应提供能量，壳聚糖的氨基能够与BDD 电极表面的—COOH 脱水缩合形成肽键，使壳聚糖能够稳定地附着在电极表面，提高电极的选择性和灵敏度。

采用芳基重氮盐接枝法对BDD 进行功能化修饰可以将蛋白质或酶通过共价键固定在BDD 表面以制备酶生物传感器。Jian WANG 等〔22〕通过芳基重氮盐的电化学还原将氨基苯基官能团接枝到超纳米金刚石（UNCD）表面，部分氨基与丁二酸酐反应时丁二酸开环并形成酰胺键，之后以生成的游离—COOH 作为活性位点，将生物分子GOD 通过酰胺键固定到UNCD 薄膜上，制备出用于葡萄糖检测的生物传感器；该传感器在电压1.1 V条件下对葡萄糖浓度的线性响应达到1.10×10-2mol/L左右，检测限为1.00×10-4mol/L；固定在UNCD薄膜上的GOD 可以保持生物催化活性，避免了第一代和第二代酶生物传感器在使用分子氧作为电子受体过程中形成的H2O2对电极材料表面微观结构进行破坏造成电极性能不稳定的问题。Meichuan LIU 等〔34〕将一步电化学还原的4-羧基苯基（4-CP）重氮离子共价接枝到BDD 表面，使BDD 表面具有活性—COOH，然后Cyt c 通过自身—NH2端基团与4-CP 的—COOH 基团共价结合制备出用于检测H2O2的Cyt c/4-CP/BDD 生物传感器，共价接枝的4-CP 有助于Cyt c 的电子直接转移，使生物传感器具有良好的生物相容性和良好的生物电催化亲和性，对H2O2浓度的检测范围为4.00×10-6~3.60×10-5mol/L，检测限为6.10×10-7mol/L。N.ZEHANI 等〔35〕将酪氨酸酶固定在MWCNTs 修饰的重氮离子功能化BDD电极上，制备出用于检测双酚A（BPA）的生物传感器，该传感器对BPA浓度的检测范围为1.00×10-11~1.00×10-7mol/L，检测限为1.00×10-11mol/L，具有良好的重现性、选择性和稳定性。

共价键结合法修饰BDD 电极具有修饰剂负载牢固、不易脱落等优点，但是共价键结合法修饰电极步骤繁琐、费时且修饰密度不高，未来为克服共价键结合法修饰BDD 电极的缺点应进行提高修饰效率的研究。

3 电沉积修饰法

3.1 电沉积修饰法机理

电沉积是指金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中进行电化学沉积的过程，其机理示意见图3〔36〕。

图3 电沉积法修饰BDD 电极的机理Fig. 3 Mechanism of electrodeposition method for modifying BDD electrode

电沉积法可以弥补共价键结合法修饰BDD 电极的不足，修饰反应不限制在单分子层的聚合，且电沉积法操作简单、沉积速率高、易于制备不同组成的多层膜，此外与其他修饰BDD 电极方法相比，电沉积法成本较低。目前电沉积修饰BDD 电极主要有直流电沉积和脉冲电沉积两种方式。在直流电沉积中，由于金属离子趋近于阴极不断被沉积，造成浓差极化，导致电流密度降低与电能消耗；而脉冲电沉积在电流导通时，靠近阴极的金属离子被充分沉积，当电流关闭时，阴极周围的放电离子又重新恢复到初始浓度〔37〕。研究表明，在相同电流下，相较于直流电沉积，脉冲电沉积所得到的镀层表面晶粒密度有较大提高，这是由于脉冲电沉积在电流关闭时会发生重结晶、吸脱附等现象。重结晶作用是使沉积矿物由非晶质向隐晶质、晶质体变化，颗粒由小变大的过程，而晶粒越大越稳定，因此与直流电沉积比，脉冲电沉积能够降低浓差极化，提高阴极电流密度和效率，获得致密的、低电阻率的金属沉积层〔38〕。

电沉积系统一般由3 个电极组成，制备的电极作为工作电极，铂电极作为对电极，Ag/AgCl 电极作为参比电极，通过改变电极电位和电流密度可控制所沉积金属薄膜的厚度。电沉积是应用于半导体工业中最为广泛的沉积技术之一，在各种金属薄膜〔39〕、金属有机骨架〔40-41〕、超级电容器材料〔42〕和纳米磁性材料〔43〕的制备中应用广泛。

3.2 电沉积修饰法的研究进展及应用

3.2.1 电沉积金属纳米颗粒

在纳米尺寸下，材料可能表现出某些在宏观材料中无法观察到的特性，如改善催化活性、具有金属纳米颗粒间的相互作用和更大的比表面积。S. NANTAPHOL等〔44〕通过在BDD 电极表面电沉积AgNPs，并与纸基分析装置（PAD）耦合，制备了AgNPs/BDD 生物传感器，其对胆固醇浓度的检测范围为1.00×10-5~7.00×10-3mol/L，检测限为6.00×10-6mol/L，灵敏度为49.6 μA·L/（mmol·cm2），该胆固醇传感器具有成本低、携带方便和检测时间短等优点。K. PUNGJUNUN等〔45〕通过在BDD 电极表面电沉积AuNPs 制备出测定总无机砷（As）的多步纸基分析装置（mPAD），该装置对As 浓度的检测范围为1.30×10-6~2.00×10-5mol/L，检测限为2.70×10-7mol/L，具有成本低、稳定性和重现性好等优点，但该电极重复使用性较差，需进一步改进。K. UMAM 等〔46〕采用电沉积法将AuNPs 沉积到BDD 电极上，再以Hb 修饰BDD 电极，制备出用于检测丙烯酰胺的Hb-AuNPs/BDD 生物传感器，该生物传感器对丙烯酰胺浓度的检测范围为5.00×10-6~5.00×10-5mol/L，检测限为5.14×10-6mol/L。M. J. SONG 等〔47〕采用电沉积法制备了用于检测葡萄糖的Pt/BDD 生物传感器，结果表明，PtNPs/BDD 生物传感器对葡萄糖浓度的检测范围为1.77×10-4~8.90×10-3mol/L，检测限为7.73×10-5mol/L，灵敏度为3.21 μA·L/（mmol·cm2）；相比于BDD 生物传感器，该生物传感器灵敏度大幅提高，这是由于PtNPs和BDD 电极的协同使得生物分子容易固定在BDD 电极上，此外，还显著增加了BDD 电极电活性表面积和有效的直接电子转移速率，进而提高了生物传感器对葡萄糖的检测灵敏度。

在金属纳米材料中，单金属催化剂难以附着在BDD 电极表面，容易脱落，而具有协同效应的双金属催化剂具有更高的催化活性和更高的稳定性。M. J. SONG 等〔48〕先在BDD 电极上直接合成氧化聚苯胺（PANIox）层，再通过电化学沉积将AuNPs 分散在纳米结构的PANIox的表面上，制备出用于检测DA的AuNPs/PANIox/BDD 生物传感器，该生物传感器在0.1 mol/L AA 存在下，对DA 浓度的检测范围为1.50×10-7~5.00×10-4mol/L，检测限为3.00×10-8mol/L，灵敏度为1.31×102μA·L/（mmol·cm2），与N，N-二甲基苯胺（DMA）/BDD 生物传感器相比，检测限降低了，灵敏度提高了；这是由于AuNPs 分散在含有PANI 聚合物的BDD 电极表面使其具有较大的有效表面积和高效的电子转移能力，因此AuNPs/PANIox/BDD 生物传感器具有灵敏度高、线性范围宽、检测限低和选择性良好等优点。Ruitong ZHU 等〔49〕通过在BDD 电极表面共电沉积PtNPs 和NiNPs 制备了Pt-NiNPs/BDD 传感器，该传感器对葡萄糖浓度的检测范围为2.00×10-3~1.20×10-2mol/L，检测限为5.00×10-7mol/L，灵敏度为1.104×103μA·L/（mmol·cm2），与Pt/BDD 相比，检测限大幅降低，灵敏度大幅提高；这是由于Ni 进入到Pt 晶格中，增加了电极表面的电子密度，从而降低了氧化物和阴离子在电极表面的吸附强度，增加了电解质与活性位点的接触面积，提高了BDD 电极的灵敏度，并减少了Ni 纳米材料的脱落。S. NANTAPHOL 等〔50〕采用电沉积法将双金属Pt/Au 沉积到BDD 电极表面，制备出用于检测非酶葡萄糖的Pt-Au/BDD 传感器，该传感器对非酶葡萄糖浓度的检测范围为1.00×10-5~7.50×10-3mol/L，检测限为7.00×10-6mol/L；Au 和Pt 之间的协同作用增加了电极活性面积，提高了电极的催化活性，因而与Au/BDD、Pt/BDD 传感器相比，该生物传感器对非酶葡萄糖的检测限大幅降低。M.J. SONG 等〔51〕制备了一种纳米结构的PtNPs-聚苯胺（PANI）复合材料，通过电化学沉积将PtNPs-PANI 沉积在BDD 电极上，而后将葡萄糖氧化酶（GOX）吸附固定在修饰后的BDD 电极上，制备了用于检测葡萄糖的GOX-PtNPs-PANI/BDD 生物传感器，该生物传感器具有较大的有效表面积，其金属纳米粒子通过吸附固定酶，对反应产生H2O2具有良好的电催化活性，因此具有灵敏度高、线性范围宽、检出限低、重现性好等特点，对葡萄糖浓度的检测范围为5.90×10-6~5.10×10-4mol/L，检测限为1.00×10-7mol/L，灵敏度为5.5 μA·L/（mmol·cm2）。由于Pt具有一定毒性，为增强BDD 的中毒耐性，可将其与Cu进行共电沉积，Cu不仅能够增加活性位点数量，提高电极的电导率和长期稳定性，还能够减少其他物质在Pt 表面的吸附，从而增强Pt 纳米材料的长期稳定性和中毒耐性。S. TRAIPOP 等〔52〕通过在BDD 电极上电沉积Cu-PtNPs，构建了测定甲醇的Cu-PtNPs/BDD 新型传感器，该传感器对甲醇浓度的检测范围为1.00×10-4~1.00 mol/L，检测限为8.30×10-5mol/L。在双金属体系中，Cu-Ni 双金属体系因其低成本、高电催化活性和高稳定性而成为首选催化材料。Zhenzhi GONG 等〔53〕通过在BDD 电极表面沉积Ni、Cu合金制备出用于检测葡萄糖的Ni/Cu/BDD 生物传感器，其对葡萄糖浓度的检测范围为2.20×10-5~1.83×10-2mol/L，检测限为5.70×10-6mol/L，灵敏度为1.01×103μA·L/（mmol·cm2）；与Ni/BDD相比，灵敏度提高了2.22×102μA·L/（mmol·cm2），检测限降低了1.50×10-6mol/L，这是由于Ni与Cu的协同作用提高了Ni/Cu/BDD生物传感器的催化性能，Ni/CuNPs 很好地嵌入BDD表面，避免了检测过程中Ni/CuNPs 的脱落，提高了BDD 生物传感器的长期稳定性。

金属纳米粒子修饰电极具有许多优异特性，对已有的部分金属纳米粒子修饰BDD 电极的研究进行总结，结果见表2。

表2 金属纳米粒子电沉积修饰BDD 电极Table 2 BDD electrode modified by metal nanoparticles electrodeposition

由表2 可以看出，不同金属纳米粒子修饰BDD电极后对同一分析物有不同的检测范围、检测限和灵敏度，表明了不同金属纳米粒子修饰BDD 电极可以不同程度地提高BDD 电极的电化学性能。

综上，金属纳米颗粒和BDD 电极的复合可以对生物传感器的性能产生积极的协同作用。引入分散在导电聚合物层中的金属纳米粒子，易于对BDD 薄膜进行表面改性，增大其有效表面积和电子转移速率，提高生物传感器的选择性和灵敏度。

3.2.2 电沉积金属氧化物/氢氧化物纳米颗粒

在BDD 电极材料上电沉积金属氧化物/氢氧化物是一种非常便捷和有吸引力的电极修饰技术，需要很少甚至不需要昂贵或精细的先进设备，方法简单、快速，具有可重复性。电沉积金属氧化物/氢氧化物纳米颗粒的反应可以在室温下进行，通过改变沉积参数，如沉积时间、沉积电位、金属离子浓度和沉积过程，对产品参数进行调节。Wei DAI 等〔71〕采用电沉积法合成多晶Ni 和半纳米管镍氧化物复合材料（Ni-NiO），再将其电沉积到BDD 薄膜上制备出用于检测L-丝氨酸的Ni-NiO HNTs/BDD 生物传感器，其对L-丝氨酸浓度的检测范围为2.00×10-7~6.54×10-6mol/L，检测限为1.00×10-7mol/L，检测灵敏度为3.3×102μA·L/（mmol·cm2）；由于Ni-NiO HNTs 具有比表面积大、易于电子传输、电催化活性高等优点，与高稳定性、低背景电流的BDD 电极结合后的协同催化作用使得Ni-NiO HNTs/BDD 生物传感器具有优异的传感性能。Ni和Ni氧化物对BDD 电极的修饰起到积极的作用，而以Ni（OH）2作为敏感层的传感器也在葡萄糖检测中表现出优越的性能，邹奇〔72〕采用恒电位电沉积法将具有催化活性的Ni（OH）2电沉积在BDD电极表面，制备出用于检测葡萄糖的Ni（OH）2/BDD生物传感器，该传感器对葡萄糖浓度的检测范围为5.00×10-6~5.00×10-3mol/L，检测限为4.58×10-6mol/L，灵敏度为7.04×102μA·L/（mmol·cm2）。为进一步提高检测性能，该课题组对BDD进行了高温金属催化腐蚀以提高其比表面积，通过恒电位电沉积制备出Ni（OH）2/E-BDD传感器，该传感器对葡萄糖浓度的检测范围为5.00×10-6~5.00×10-3mol/L，检测限为2.23×10-6mol/L，灵敏度为1.45×103μA·L/（mmol·cm2），与Ni（OH）2/BDD 传感器相比，灵敏度提高了7.46×102μA·L/（mmol·cm2）。马传军等〔73〕采用电沉积法将PbO2沉积到BDD 电极表面制备出用于检测COD 的PbO2/BDD 传感器，由于BDD 和PbO2优异的电化学氧化特性，在BDD 和PbO2的协同作用下，COD 检测取得良好效果，其检测范围为1.78×10-4~5.83×10-2mol/L，检测限为1.00×10-4mol/L。Zhiqing SHAO 等〔74〕将ZrOCl2和KCl 溶于水中，采用CV 法制备出氧化锆多孔薄膜修饰的BDD 电极用于DNA 生物传感器，由于DNA 的磷酸基与ZrO2薄膜的结合以及BDD 薄膜优异的生物相容性，使得DNA 探针可很好地附着在ZrO2/BDD 电极上。

此外，金属氧化物半导体作为催化剂在高级氧化法中发挥着重要作用，在修饰BDD 电极的过程中，不仅可以形成p-n 异质结，还可以通过与BDD 电极之间发生协同作用进而提高其电化学性能。Min WEI 等〔68〕制备了Au/TiO2纳米棒复合材料用于修饰BDD 电极，修饰后电极对邻苯二酚的检测灵敏度可以达到5.16×104μA·L/（mmol·cm2），检测范围为5.00×10-6~2.00×10-4mol/L，检测限为1.40×10-6mol/L；与BDD 电极相比，Au-TiO2/BDD 峰值电流有所增加，从46.72 μA 增加到57.13 μA，这是由于TiO2纳米棒通过形成单核和双核结构的双齿基团，促进了邻苯二酚在电极表面的吸附与富集，而具有良好导电性的AuNPs 可以在TiO2与BDD 电极之间进行电通信，从而有效促进电子转移，提高催化活性；需要注意的是，过高浓度的TiO2纳米棒会阻碍电子的转移，从而降低电流响应强度。n 型ZnO 和p 型金刚石异质结的结合在生物传感器电极制备方面应用越来越广泛〔75〕。Jianwen ZHAO 等〔76〕将ZnO 纳米棒微阵列电沉积到硼掺杂纳米颗粒（BDND）薄膜电极上，再通过共价结合将酪氨酸酶固定在ZnO 纳米棒表面，制备出用于检测酚类化合物的酪氨酸酶生物传感器，该生物传感器对甲酚浓度的检测范围为1.00×10-6~1.75×10-4mol/L，检测限为1.00×10-4mol/L，灵敏度为5.76×102μA·L/（mmol·cm2）；对4-氯酚浓度的检测范围为1.00×10-6~1.50×10-4mol/L，检测限为2.50×10-4mol/L，灵敏度为3.39×102μA·L/（mmol·cm2）；对苯酚浓度的检测范围为1.00×10-6~1.50×10-4mol/L，检测限为2.00×10-4mol/L，灵敏度为2.87×102μA·L/（mmol·cm2）。该酶生物传感器具有较高的灵敏度和稳定性，可用于安培法检测酚类化合物，也可用于对其他酶和生物分子的检测。

3.2.3 电沉积非金属

常用于修饰生物传感器电极的非金属材料主要有石墨烯（BG）、多孔碳球（CSs）等。BG/金刚石复合纳米薄膜材料不仅拥有金刚石和BG 的综合性质，具有优异机械性质、宽电势窗口、低背景电流、高电化学活性等特点，还拥有调控物理化学性质的能力，能够构建高性能的生物传感器。M. J. SONG 等〔77〕将BG 和PtNPs 先后沉积在BDD 电极表面，制备出用于检测葡萄糖的PtNPs/BG/BDD 生物传感器，该生物传感器对葡萄糖浓度的检测范围为1.98×10-6~1.95×10-3mol/L，检测限为1.40×10-7mol/L，灵敏度为17.1 μA·L/（mmol·cm2）；由于BG、PtNPs 和BDD 电极的协同作用使电活性表面积显著增加，电子直接转移效率显著提高，因此，该生物传感器对葡萄糖的检测具有很高的潜力。Hongji LI 等〔55〕首先采用化学气相沉积法制备垂直生长石墨烯（VBG）/BDD 复合薄膜，再通过电沉积法沉积AuNPs，制备出用于检测CEA 的AuNPs-VBG/BDD 生物传感器；BG 纳米片垂直生长在BDD 晶体的暴露面上，BDD 中的sp3C—C 键直接转化为BG 中的sp2C—C 键，使得VBG/BDD 具有较大的比表面积和较高的电催化活性，实验表明AuNPs-VBG/BDD 生物传感器对CEA 质量浓度的检测范围为5.00×10-10~1.00×10-7g/L，检测限为1.50×10-10g/L，对癌抗原125（CA125）检测范围为5.00×10-1~1.00×102U/L，检测限为0.09 U/L，因此该生物传感器适用于对人体体液中CEA、CA125 等肿瘤标志物的实际检测，可实现对癌症的早期诊断。赵凤娟等〔78〕采用电沉积法将CSs 和乙酰胆碱酯酶（AChE）固定在BDD 电极表面，制备出用于检测甲基对硫磷的AChE/CSs/BDD 生物传感器，检测原理是有机磷农药与AChE 酶的活性中心结合后，导致酶的活性降低，通过计算AChE 酶的抑制率，进而进行有机磷的测定；CSs 修饰BDD 电极能够增大反应表面、加快反应速率，并且固定更多的酶并保持其活性，提高电极灵敏度，研究表明，该生物传感器对甲基对硫磷质量浓度的检测范围为1.00×10-10~1.00×10-7g/L，抑制率为10%时，检测限为3.02×10-12g/L。Min WEI 等〔79〕将蜂窝状多孔碳、AuNPs 和离子液体作为固定化基质制备了AChE/〔BSmim〕H2SO4-AuNPs/BDD 生物传感器，该生物传感器具有较高的表面积，可以改善对AChE 的吸附，提高传感器的性能，对乙酰硫代胆碱的水解产物硫代胆碱的峰电流比在AChE/BDD 电极上高4.5 倍以上，为AChE 的固定化提供了高效途径，可应用于对有机磷模型化合物敌敌畏的检测。

电沉积是在外场电压下，电解质溶液中阴阳离子定向移动至电极表面，通过得到或失去电子生成相应产物的过程。与其他化学方法相比，利用电沉积技术修饰BDD 电极具有简单高效、易于调控纳米尺寸、成本低等优点，但其仍有一些问题需要解决，如纳米薄膜的耐磨、耐腐蚀问题，此外，对纳米条件下电化学沉积机理以及电沉积电解液、电沉积参数和添加剂作用机理的深入研究将有助于提高电极的电化学性能。

4 结语

化学修饰BDD 电极的生物传感器在检测中表现出灵敏度高、响应速度快和抗干扰性强等优势，有着良好的应用前景。不同的化学修饰方法具有各自的优缺点。吸附法方法简单，修饰后的电极表面粒子附着均匀，但修饰后的电极稳定性较差，限制了其进一步发展。而共价键结合法可以提高电极的稳定性，但操作过程较为繁琐、费时。电沉积法作为近年来应用最为广泛的BDD 电极修饰方法之一，具有步骤简单、成本较低等优势，但在电沉积过程中电解液的配比、电流/电位、溶液pH 等操作条件对所得电极的表面形貌和化学特性影响较大，因此，如何基于优化电极性能合理调控电沉积条件，通常是使用该方法时应着重考虑的问题。

为推进BDD 修饰电极在生物传感器中的实际应用，未来可以从以下两个方面展开深入研究：1）对电极-溶液界面的微观反应机制、电极结构效应的作用机理进行深入研究，以明晰提升BDD 基电极选择性和稳定性的机理和关键因素；2）结合量子化学计算方法研究BDD 基电极的修饰和反应机理，针对性指导特定活性组分的选择和BDD 基底的修饰优化，提升其在生物传感器中的传感性能，对BDD 基电极日后的潜在扩大化应用具有重要意义。