基于石墨烯的复合纳米材料在生物传感器中的应用

基于石墨烯的复合纳米材料在生物传感器中的应用
摘要：石墨烯作为新型材料在化学、材料等科学领域得到了极大的关注。

因其优良的导电性和生物相容性，被广泛的运用到生物传感器的研究中。

由于纳米级的石墨烯在水溶液中极易聚沉，所以在使用石墨烯时就需要对其修饰。

对石墨烯的修饰包括共价键修饰、非共价键修饰和金属颗粒及金属离子修饰。

添加各种修饰过后的石墨烯能增加的灵敏度和降低传感器的检测线。

关键词：石墨烯修饰生物传感器
1、引言
最近，石墨已成为一个迅速崛起的明星在材料科学领域。

它的问世引起了全世界的研究热潮。

自2004年英国曼彻斯特大学Geim团队首次从石墨中剥离出石墨烯以来，人们便对这种具有独特物化性质的纳米材料寄予厚望。

此后关于石墨烯的研究不断出现重要进展，并在材料、化学、微电子、量子物理及生物等众多领域表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景，已成为当前研究热点之一。

石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。

石墨烯是一个二维（平面）晶体，组成单层碳原子排列在蜂巢网络与六元环，为二维碳结构。

在概念上石墨烯可以看作是一无限延长二维芳香族大分子。

石墨烯在原子尺度上结构非常特殊。

石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。

这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。

而且石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。

由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。

[1,2]
因此, 石墨烯奇特的物理、化学性质, 也激起了物理、化学、材料等领域科学家极大的兴趣。

这篇论文主要介绍了基于石墨烯的纳米材料在电化学生物传感器中的运用。

2、石墨烯的修饰
然而，正如其它的同素异形体的新发现如碳富勒烯和碳纳米管（CNTs），材料可用性和加工一直是限制着石墨烯的应用。

对于石墨烯，最关键的挑战，在材料合成与加工的中克服石墨层之间强的π-π型层堆叠剥离能，这种高凝聚力范德
华能高达5.9 kJ mol-1碳。

直到现在，一些物理和化学方法被提出来生产石墨烯单体或化学改性石墨，例如，石墨机械剥脱，碳化硅（SiC）晶片中升华硅，和通过化学气相沉积法（CVD）在金属基底上烃类物质的外延生长，等等。

[3]但实验证明将石墨烯直接应用在传感器中，由于纳米级石墨烯容易聚沉，所以并没有达到预期的效果，所以对石墨烯的修饰就显得尤为重要。

对石墨烯的修饰分为：共价键修饰、非共价键修饰和金属颗粒及金属离子修饰。

共价键修饰通过氧化—分散—还原得到的石墨烯通常其边缘含有羧基, 共价键修饰可以羧基为活性基团, 与胺或氨基酸等反应。

用硅烷化的石墨烯制备高灵敏度高选择性的多巴胺生物传感器。

报道了一种合成硅烷修饰的石墨烯并说明他在制备电化学装置中的潜在应用。

这种硅烷修饰的新石墨烯是利用硅烷化将EDTA的官能团（N-（三甲氧基硅烷-丙基）乙二胺三乙酸钠盐）连接到石墨烯表面。

（如图）
硅烷化的石墨烯在水溶液中表现出极好的溶解度和良好的导电性。

而且，nafion和EDTA-石墨烯混合在玻碳电极上形成了一层稳定的，分散的，致密的膜。

EDTA基团的存在不仅为多巴胺的氧化提供了活性催化环境，而且降低在检测多巴胺时抗坏血酸带来的干扰。

实验证明，这种多巴胺电化学检测器在检测多巴胺时不被高出两个数量级浓度的抗坏血酸干扰。

不仅如此，该组装的电极与传统电极相比，有更高的重现性，稳定性，灵敏度和更低的检测线。

[4]
非共价键修饰石墨烯具有大的π共轭体系,因而可与具有共轭体系的小分子或高分子通过ππ相互作用增强其溶解性能或者是分散到溶液体系。

QinWei等人，用还原的氧化石墨烯和聚吡咯接枝共聚物（聚苯乙磺酸-g-吡咯）通过π-π非共价键作用组装电催化生物传感器。

制得的纳米复合物以3.0mgml-1的浓度可以在水里很好的分散。

修饰在铂电极得到对过氧化氢的氧化有很高的电化学催化活性。

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将水溶液石墨粉和多功能聚乙烯吡咯烷酮超声处理得到水溶液。

不用通过氧化或者破坏碳核的sp2构型，高聚物来保护石墨烯的单层结构。

聚乙烯吡咯烷酮（PVP），一非离子和无毒高分子，也可以直接通过超声从石墨水溶液中分离出石墨烯，得到在水溶液中稳定分散的聚合物涂层的单层石墨烯，而且这些石墨烯没有被氧化或者结构破坏。

不同与是刚才所说的静电吸附阴离子稳得到的稳定性，此时通过非离子的亲水聚合物很大程度上提高水溶液中胶体稳定。

[6]
金属颗粒及金属离子修饰还原后得到的石墨烯片由于范德华力的作用很容易发生不可逆的聚沉甚至从新变成石墨。

为了得到独立片状的石墨烯，在石墨烯片上吸附一些分子或者聚合物可以有效地防止聚沉。

当石墨烯吸附的是无机颗粒而不是有机材料时，不仅可以防止石墨烯在化学还原过程中聚沉，而且得到新的石墨烯复合材料。

Tessy Theres Baby等用铂，金纳米颗粒修饰石墨烯,铂，金作为阻隔基团,可降低石墨烯层间ππ的堆积作用, 得到的独立分散的石墨烯。

这种纳米金属修饰的石墨烯可以作为超级电容器或燃料电池电极。

[7]
3石墨烯在传感器中的应用实例
基于石墨烯的种种优良特性，在生物传感器领域中得到了广泛的应用。

3．1过氧化氢酶传感器[8]
基于单层石墨烯纳米材料和酶的复合膜的过氧化氢生物传感器中，使用了一种芳香性物质—1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐(TPA),可以高效的将石墨剥落成单层片状的石墨烯。

通过简单的混合，就可以组装出油单层石墨烯和酶的复合膜的电极，这里选用的是辣根过氧化物酶（HRP）作为分析试样。

由于单层石墨烯可以为酶的固载提供一个良好的生物相容性的微环境和酶活性中心及电极表面之间的一个合适的电子传递间隔，使得酶有良好的的直接电子传递。

此外，良好的电催化还原H2O2的能力表明，该复合膜可以提供一个是以直接电化学为基础的生物传感器发展的可行的方法。

总之，以直接电化学为基础，用单层纳米级片状石墨烯/酶制备复合膜的新型过氧化氢生物传感器表现出很好的性能。

由于单层石墨烯纳米片具有优良的生物相容性，超电导率和高灵敏度使复合膜不仅可以增强之间的电子传递，而且还提供具有良好的性能，如响应快，高灵敏度的第三代生物传感器。

它提供了制作没有传递物的生物传感器新的方向。

3．2葡萄糖氧化酶传感器[9]
基于石墨烯/壳聚糖/纳米金的复合物固载葡萄糖氧化酶的金电极的新型葡萄糖生物传感器。

在这里，构建了一种新的酶固载基质，旨在结合石墨烯、纳米金、壳聚糖的优点，加强的生物传感性能。

由此产生的石墨，纳米金壳聚糖复合材料表明对过氧化氢与氧气明显的电催化作用。

此外，当葡萄糖氧化酶（GOD）固载到石墨烯/纳米金/壳聚糖复合膜中，由此产生的电极对葡萄糖表现出良好的线性响应。

石墨和纳米金的协同效应可以促进对过氧化氢电催化。

这样修饰的电极成功地组装成有实用性的葡萄糖生物传感器，而它具有高灵敏度和好的稳定性，这也可能扩大到其他一些生物大分子的固载。

3．3免疫生物传感器[10]
这项研究中，一个基于石墨烯片和硫堇（TH）的纳米复合材料新的免疫传感平台用于制作无标记的电化学免疫传感器。

由于石墨烯有打的表面积可以增加Ab1的吸附量，同时其良好的导电性还可以增强硫堇的电活性。

用甲胎蛋白作为模型，利用修饰硫堇后抗原抗体作用时峰电流的变化来检测。

这种免疫传感方法简单和容易，这可能会成为超灵敏检测不同肿瘤标志物的潜在的应用。

Mao等构建了石墨烯片－亚甲基蓝－壳聚糖为原料的纳米复合材料作为电化学免疫传感器来检测前列腺癌（PSA），方法检测PSA 的检出限为13pg•mL-1，该传感器还可以应用于血样中PSA的分析；杜璋璋等研究了在磷酸盐缓冲介质中，一种检测癌胚抗原的新型免标记电化学免疫传感器的制备及应用，石墨烯与甲苯胺蓝复合物修饰于玻碳电极表面，试验结果可知：该方法的检出限为0.1μg•L-1，该传感器具有良好的重现性、选择性和稳定性，用于人血清样品的测定，获得满意结果；Wei等建立高铁血红素修饰石墨烯纳米片（HGN）作为电化学免疫传感器测定Ｌ－络氨酸，该免疫传感器的检出限7.5×10-8mol•L-1，线性范围为5×10-7~2×10-5mol•L-1。

吴秀玲等研究了在磷酸盐缓冲介质中，一种检测癌胚抗原的新型免标记免疫电化学传感器的制备，将石墨烯、二茂铁的高效催化及壳聚糖的优良生物兼容性和成膜性、离子液体的导电性等优势充分结合构建了电化学免疫传感器。

在最优条件下，癌胚抗原的质量浓度在0.2~50.0μg•L-1范围内与峰电流呈线性关系，线性回归方程为Δi＝0.38~1.31ρ，相关系数为0.9967，检出限为0.06μg•L-1，该传感器可用于人血清样品的测定。

王玲玲等将石墨烯和壳聚糖的复合物滴涂到玻碳电极表面，利用壳聚糖对纳米金的吸附将其修饰到上述电极，以纳米金对抗体的良好亲和力将酪蛋白抗体修饰到电极表面制成免疫传感器，复合膜中的石墨烯、壳聚糖和纳米金具有较好的生物兼容性，有效地提高了传感器的稳定性，在优化条件下，响应电流与酪蛋白质量浓度的对数在10~10 000g•L-1范围内呈线性关系，检出限为2g•L-1。

3．4生物小分子传感器
多巴胺（DA）属儿茶酚类物质，是一种重要的神经递质。

精神分裂症和帕
金症的重要原因之一即由脑内多巴胺神经功能失调引起的。

近年来，基于石墨纳米材料修饰电极对DA电化学行为的研究也引起了科学家的广泛兴趣。

Chen等将石墨纳米片－Nafion修饰电极用于对DA的检测，灵敏度为3.695μA•μmol •L-1•cm-2，并且实现了对DA的高选择性检测。

石墨烯修饰电极用于DA传感器的研究已有报道。

Wang等运用石墨烯修饰的玻碳电极选择性检测DA，和多壁碳纳米管相比，石墨烯对DA 检测具有线性范围宽、灵敏度高等优点。

Wang等将石墨烯修饰电极用于对DA的选择性检测，其检测范围扩大为5~200μmol•L-1，这对DA的实际检测具有重要的意义。

扑热息痛（APAP）作为一种治疗感冒的药物，具有解热镇痛等功效，然而过多的服用会引起多器官功能衰竭、使胎儿畸形等毒副作用，因而，建立一种简单、快速、高灵敏、准确的检测方法，对其在药剂和人血液中含量的检测是非常重要的。

Kang等用石墨烯修饰电极对扑热息痛进行检测，Guo等用环糊精修饰的石墨烯制备电极对APAP进行测定，其灵敏度为18.7mA•mmol•L-1•cm-2，新型石墨纳米材料石墨烯的引入，为APAP的高灵敏、精确检测开拓了新的空间。

此外，抗坏血酸、尿酸、酪氨酸和色氨酸等生物小分子在生物体内都起着至关重要的作用，在临床和诊断中对其检测也提出了很高的要求。

4、石墨烯研究前景
石墨烯可以应用于晶体管、触摸屏、基因测序等领域，同时有望帮助物理学家在量子物理学研究领域取得新突破。

石墨烯这种材料很独特，因其厚度只有单个原子，因此是严格意义上的二维材料。

不同于普通的三维材料，因为受到维度上的控制，石墨烯会显示出限制效应，尤其是量子的限制效应，这就导致很多新的物理现象的出现。

这种二维材料带来了很多新的意义，无论是物理学、化学，还是信息领域、能源领域和器件制造等方面，都是非常有前景的材料。

在信息领域，石墨烯被认为可以作为替代传统半导体材料的新材料，科学家们也已经着手研究。

石墨烯在信息领域的另一个应用是成为信息载体。

因为石墨烯是具有自旋量子效应的特殊材料，与高温超导体、磁性材料相比，更容易获得和使用。

石墨烯中有很多较为独特的量子效应，比如量子霍尔效应在其他材料体系中要得到，需要非常苛刻和极端的环境条件，而石墨烯在普通环境下就可以有量子霍尔效应，是很完美的一种材料。

[1,2,11]
在能源领域，石墨烯还可以用作电极材料。

石墨烯是理论上最薄的材料，可用作透明导电膜的制造。

石墨烯材料光的透过率在可见波段大于97%，导电性能也非常好。

这样一来，石墨烯就可以与稀有且昂贵的氧化铟锡(ITO)相竞争，而氧化铟锡普遍用于有机LED(OLED)显示器透明电极中。

美国斯坦福大学研究人员曾表示，石墨烯可以提供成本更低、更薄、速度更快
的替代方案，与ITO相比，石墨烯的电子迁移率较高，能把电极做得更薄、更透明，导电性也更好。

这些优势大大有利于超薄柔性OLED显示器的开发。

此外，石墨烯用来做传感器也是很重要的一个产业方向，就是用石墨烯来做传感器，不同于一般材料，石墨烯的原子都在表层上，信号的灵敏度可以提高几个数量级。

并且由于碳原子的键长是自然界最短的键长，因此结构非常稳定。

石墨烯是做化学、生物传感器非常好的材料。

不可否认，石墨烯是未来非常有潜力的材料。

但是，石墨烯走向市场，要考虑的因素还有很多，还需要时间。

石墨烯未来的应用，需要科学家和工程技术人员不断往前推进。

参考文献
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