基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展_高原

DOI ：10．3724/SP．J．1096．2013．20747基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展

高原

1李艳2苏星光*2（电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室1，吉林大学化学学院2，长春130012）摘要近年来，随着石墨烯研究热潮的兴起，将石墨烯用于生物及化学检测的工作也日益增多。本文着重介绍了基于石墨烯及氧化石墨烯（GO ）的光学生物传感器，特别是基于石墨烯的荧光共振能量转移（FRET ）

传感器以及比色法传感器的设计思想和传感特性。

关键词石墨烯；氧化石墨烯；生物传感器；荧光共振能量转移；评述

2012-07-17收稿；2012-09-30接受

本文系国家自然科学基金（Nos．2127506，

21075050）资助项目*E-mail ：suxg@jlu．edu．cn

1引言

石墨烯是一种由纯碳原子的六元环平面结构构成的二维材料

［1］，是零维的富勒烯、一维的碳纳米管（CNTs ）以及三维石墨结构的构筑基元［2］。它具有非常大的理论比表面积、很高的杨氏模量［3］、超高的光学透过率、优良的导热性［4］和导电性，并能够通过电子转移实现荧光猝灭。目前，人们已将基于石

墨烯的材料广泛应用于诸多领域，如吸附剂

［5］、催化剂［6］、药物载体［7］等。石墨烯具有的奇特性质，使

得其能够满足高灵敏性传感器设计的需求，并已用于构建光学［8］、电化学［9］及场效应传感器［10，11］、细胞标记［12］及实时监测［13］等。本文介绍了基于石墨烯材料的光学生物传感器的研究进展，重点评述了基于石墨烯基的荧光共振能量转移（FRET ）以及比色法传感器。

2基于石墨烯的荧光共振能量转移传感器

荧光共振能量转移（FRET ）是能量由供体荧光团经无辐射途径转移给受体荧光团，并引起供体荧

光猝灭和受体荧光增强的光学现象，

是测量活体及体外纳米尺度距离及变化的有效手段。近年来，人们致力于开发基于石墨烯材料的FRET 传感器，

将其用于生物及化学检测。FRET 传感器主要由3部分构成：供体、受体（猝灭剂）及供受体之间的桥联媒介。在基于石墨烯的FRET 传感器中，石墨烯及其衍生物既可以作为供体，又可作为受体。一方面，石墨烯由于其结构特点，能够同时猝灭发射波长或结构不同的多种荧光团的荧光，是一种通用的猝灭剂；另一方面，石墨烯及其衍生物经过一定的化学处理，可以产生荧光信号，可作为荧光供体。基于石墨烯的FRET 生物传感器依托于一些生物分子构建的桥联基，

用于调节供体荧光团和受体之间的距离，从而引起荧光的变化。其中，DNA 、蛋白质、多肽等生物分子均

可以作为桥联基。

2．1以石墨烯作为猝灭剂

在报道的基于石墨烯材料的FRET 传感器中，以石墨烯材料作为猝灭剂的居多。氧化石墨烯（GO ）是石墨烯的一种重要衍生物，是化学还原法制备石墨烯的前驱体，在石墨烯片层结构的边缘和表面带有

多种含氧基团，

如羧基、羟基、环氧基等。正是由于这些含氧基团的存在，使其较石墨烯具有更好的水溶性，可以应用于生物体系中。石墨烯及GO 由于其大面积的共轭结构，可以作为能量受体猝灭多种有机染料及量子点的荧光，是一种广适性的荧光猝灭剂。与传统的猝灭剂相比，石墨烯材料具有更高的猝灭

效率，使FRET 传感器具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点

［14 16］。2．1．1基于DNA 联接研究表明，石墨烯能区分多种DNA 分子结构，包括ssDNA ，dsDNA 以及茎环

结构等［17，18］。石墨烯及GO 由于其结构特点，对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附能力。第41卷

2013年2月分析化学（FENXI HUAXUE ）特约来稿Chinese Journal of Analytical Chemistry

第2期174 180

DNA 中的碱基包含六元环结构，石墨烯会与裸露的碱基发生强烈的π-π相互作用、疏水作用等，从而吸附DNA 。但是石墨烯与不同分子结构的DNA 的结合能力明显不同。对于相同碱基数量的单链DNA （ssDNA ）和双链DNA （dsDNA ），石墨烯能够稳定吸附ssDNA ，而对dsDNA 的吸附能力则较弱。其原因是由于DNA 杂交后空间结构发生改变，磷酸盐骨架将碱基有效屏蔽在其中，使石墨烯无法与碱基接触，从而造成结合能力的减弱。DNA 一级结构的差异也会导致与石墨烯的结合能力不同，碱基数量越多的ssDNA 与石墨烯材料的结合能力越强。正是基于石墨烯对不同结构的DNA 的吸附能力有所区别，研究者们构建了一系列以DNA 联接的石墨烯基FRET 传感器。

(1)利用DNA 互补序列2009年，Lu 等［17］首次报道了基于石墨烯的FRET 生物传感器。该传感

器是由标记了羧基荧光素（FAM ）的ssDNA 与GO 构成。在没有目标DNA 时，

FAM-ssDNA 会吸附到GO 表面，造成FAM 与GO 之间发生FRET ，使FAM 荧光团的荧光被迅速猝灭；而当FAM-

ssDNA 与目标DNA 杂交后，会改变DNA 的构型并且削弱了FAM-ssDNA 与GO 之间的相互作用，这就造成FAM-ssDNA 从GO 表面释放出来，增大FAM 与GO 之间的距离，阻碍FRET ，造成FAM 荧光恢复。从而建立了一种用于检测特定DNA 序列的高灵敏度及选择性的荧光恢复检测方法。该课题组还运用GO 作为

纳米猝灭剂构建了一种分子信标（MB ）探针［18］。传统的分子信标探针两端分别标记荧光团和猝灭团。

而这种新型的分子信标探针则只需在一端标记荧光团，而猝灭剂GO 则不需要标记。与传统的分子信标相比，该探针不需要复杂的合成步骤，同时猝灭更有效、灵敏度更高。更重要的是，由于发卡状的DNA 在GO 表面的构象约束大大提高了该探针对单碱基错配的选择性识别能力。其后相继出现了以量

子点（QDs ）

［19］或Ag 纳米簇［20］标记的ssDNA 探针作为信号报告基团，以GO 作为猝灭剂，以类似的模型构建FRET 传感器，用于特定DNA 序列的检测。GO 能够同时猝灭标记ssDNA 探针的不同颜色的荧

光，

可利用此性质识别多种与ssDNA 探针互补的特定DNA 序列，实现在同一溶液中检测多种特定DNA 序列［21］。Zhang 等［22］构建了免标记的石墨烯FRET 传感器，用于DNA 特定序列的检测。当体系中不存在

目标ssDNA 时，探针ssDNA 及所用的DNA 嵌插染料（SYBR Green I ，

SG ）都吸附在石墨烯表面；当引入目标ssDNA 时，

由于形成dsDNA ，并且SG 与dsDNA 内嵌结合，从而远离石墨烯表面，使荧光恢复。(2)利用DNA 错配DNA 在通常情况下遵循碱基互配的原则，即腺嘌呤-胸腺嘧啶（A-T ）、鸟嘌呤-

胞嘧啶（G-C ）配对。但是在某些离子存在情况下，会有错配发生，较为常见的有C-

Ag +-C ［23］和T-Hg 2+-T 错配［24］。将DNA 错配与石墨烯FRET 传感器结合，可以实现特定离子的检测。Wen 等［23］利用荧光

标记的富含C 的ssDNA 构建了Ag +的荧光传感器。Ag +的引入可以引起富含C 的ssDNA 构型的变化，

当体系中没有Ag +时，

DNA 为柔软的单链结构；当有Ag +存在时，C 与Ag +发生络合形成C-Ag +-C ，DNA 链形成刚性的发卡dsDNA 结构。DNA 结构的改变使DNA 与GO 的相互作用发生改变，从而引起体系

荧光改变。Liu 等［25］也构建了类似的平台，利用半胱氨酸（Cys ）与C-C 错配竞争结合Ag +，实现对Cys

的检测。他们首先用足量的Ag +使富含C 的ssDNA 发生折叠，形成dsDNA 结构，使体系具有荧光。Cys

的加入会夺取C-Ag +-C 中的Ag +，使dsDNA 结构恢复成ssDNA 结构，吸附在GO 表面，造成荧光猝灭，

其荧光猝灭的程度与Cys 的浓度成正比。Zhang 等［26］则选用一条标记了荧光且富含T 的ssDNA ，利用T-

Hg 2+-T 错配，使ssDNA 折叠成dsDNA 结构，所以Hg 2+的加入会使最初较低的荧光信号增强。而碘化物比

T-T 错配具有更高的与Hg 2+结合的能力，碘化物的加入会造成荧光信号的再次猝灭。从而利用GO 作

为信号变化器，以Hg 2+和碘化物作为激活剂构建了一个简单可靠的荧光DNA 逻辑门。

(3)利用核酸适配体核酸适配体是一种功能性核酸，它是一段筛选出来的ssDNA 序列，能够特异性结合蛋白质、小分子或者离子，可作为便利的传感元件使用。核酸适配体与其特异性目标物结合会使其构型发生改变，单链结构发生折叠，阻碍核酸序列中碱基与石墨烯接触，引起二者距离的改变。例如，

选用荧光标记的凝血酶核酸适配体构建FRET 传感器用于凝血酶的检测［27］。首先，荧光标记的凝血酶

核酸适配体与石墨烯以非共价键结合，发生能量转移，造成体系荧光猝灭；然后向体系中加入凝血酶，该核酸适配体会特异性结合凝血酶，形成四链体-凝血酶结构，该结构与石墨烯的作用力较弱，最终造成体系荧光恢复。这种石墨烯-核酸适配体传感器无论是在缓冲溶液还是血清中均表现出优异的灵敏度和

选择性。文献中报道了多种基于石墨烯的核酸适配体FRET 传感器，分别用于赭曲霉素A ［28］、三磷酸

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