石墨烯及其衍生物在电化学生物传感器中的应用

论文总字数：18983字

摘 要

近年来随着纳米技术的迅速发展，以石墨烯为主的碳基纳米材料由于其独特的性能在生物医药、催化、储能和传感器等领域显示出巨大的潜能。石墨烯因为其特别的结构和一系列优良的性能，在生物化学检测及电化学领域中的应用日趋增多。电化学传感器作为生命科学及医学测试研究方法之一，石墨烯及其复合材料越来越多地被应用到电化学生物传感器的构建中。本文对近几年石墨烯及其衍生物的制备方法及其在电化学生物传感器中的发展进行综述。

关键词：电化学传感器，石墨烯，碳基纳米材料

Abstract：With the rapid development of nanotechnology in recent years, carbon based nanomaterials based on graphene have shown great potential in the fields of biomedicine, catalysis, energy storage and sensors etc. because of their unique properties. Graphene is used in more and more fields of biochemical detection and electrochemistry because of its special structure and a series of excellent properties. As one of the research methods of life science and medical testing, grapheme and its composite materials have been applied more and more to the construction of electrochemical biosensors. In this paper, we overviewed the preparation methods of graphene and its derivatives and their development in electrochemical biosensors in recent years.

Keywords：electrochemical sensors, graphene, carbon based nanomaterials

1 前言

电化学检测技术在一些商业化应用中电化学生物传感器有着很重要的地位，一些研究成果已广泛应用于食品工业、生物技术、农业和环境分析等领域^[1-4]。将石墨烯进行功能化修饰，继而合成具有大的比表面积、良好的导电性、卓越的机械强度和优异的表面催化氧化性能的纳米复合材料，使其在传感领域对生物小分子、环境影响离子以及燃料电池等具有良好的选择性检测能力。

2 电化学传感器

2.1 电化学传感器的概述

传感技术，是科研人员的研究重点，是信息获取的重要来源，更是新兴学科发展的重大推动力。随着传感技术与半导体技术、生物电子学和生物工程技术的协同发展，电化学传感器、光化学传感器、声传感器、热传感器、半导体传感器等各类传感器蓬勃发展，并取得了巨大的进步^[1]。电化学传感器，是一种灵敏、快速、低能耗、成本低廉的检测装置，其能有效的将外界信息转化为电信号，继而进行信息的传输、处理和收集，在食品检测、临床医药和环境科学等方面有着广泛的应用，是一种活跃的分析手段^[2]。电化学传感器是把电化学分析方法与生物活性物质的特异性相结合的分析装置，通过生物分子和生物元素的氧化还原反应，产生化学信号，再经过信号转换器将化学信号转换成电流、电压、电容、电阻等电信号输出，通过表征参数的变化从而得到与生物分子相关的信息^[3]。

2.2 电化学传感器的分类

当前针对电化学传感器的分类方法有很多种。好比按照传感检测工具的分歧可分为生物传感器、气体传感器、离子传感器和湿度传感器；根据有无生物元素存在可分为酶传感器和无酶传感器^[4-6]。自1962年Clark首次提出葡萄糖酶传感器以来，酶传感器受到研究者的广泛研究，然而，酶活性的不稳定，pH/温度的敏感性，高昂的价格以及不可避免的干扰制约了其进一步发展，因此研究者们探寻综合性更强的无酶传感器，为了提高生物传感的性能，无酶传感器起到了深远影响。

2.2.1 酶电化学传感器

酶传感器是由酶与转换器组成的一种特殊的生物传感器，它是依靠酶作为生物敏感单元，准确地标记并与待测物质发生反应，继而通过转换器表达出来。酶传感器成长最先，也是今朝最成熟的一类生物传感器，是电化学生物传感器的主要组成部分，一样平常是由牢固化酶和电化学装配（电极）组合构建而成。酶电化学传感器的发展包括三个阶段：第一代酶传感器，是以氧分子为介质，建立在氧还原的基础上，第二代酶传感器是介体型酶电极，利用人为加入电子媒介体，一次解决传递电子的问题， 第三代酶传感器是直接电化学酶电极。电极的直接电化学可借助介孔质料、碳纳米管等润色质料来实现。

2.2.2 无酶电化学传感器

无酶电化学传感器的基体质料首要包括电子媒介体和纳米材料两种。然而垫子媒介体的性质不稳定，因此纳米材料修饰的无酶电化学传感器受到了广泛的研究。纳米材料是一种粒径相当小并且至少有一维处于纳米尺度范围的材料，是一种处于亚稳态的物质，会产生表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等多种特殊的效应，基于纳米材料的无酶传感器在环境监测、食品分析和生物分子等领域^[7]的选择性检测表现出较好的电催化氧化性能，展现令人期待的前景。

2.3 基于纳米材料修饰的无酶电化学传感器在现实中的应用

2.3.1 环境监测

随着经济的快速增长，环境污染问题日趋严重并且不断给人们敲响了警钟，GDP增长的背后是重工业、农业的不合理的规划和发展，带来的是重金属离子、酚类农药、以及亚硝酸根等阴离子的超标排放，严重污染了水质，给人们的生命安全带来了极大地威胁，因此对这些污染物快速、灵敏、连续的检测和监控一直是重中之重。Lan L.X^[8]构建了一个基于低聚噻吩衍生物的“Turn-on”荧光传感器，并且运用这个荧光传感器对实际水样品中Fe³ 和Hg² 进行高效的选择性荧光响应。较Ag 、Al³ 、Cd² 、Co² 、Cr 、Cu² 等其他重金属离子，微量Fe³ 和Hg² 的荧光响应强度要高的多，检测限分别为 13.6和61.7 nM，灵敏度高、抗干扰性强、pH响应检测范围更宽（5.0 - 10.0）。Wu W.Q^[9]构建了一个基于CuO纳米线的电化学发光传感平台应用于五氯苯酚（PCP）的选择性检测。S₂O₈^2-作为共反应物添加到电解质溶液中，当不断增加PCP的摩尔质量时，阴极电势激发下PCP的存在抑制了S₂O₈^2-的还原，进而使ECL发光强度发生线性降低，该CuO纳米线修饰材料对PCP的检测限为0.7×10^-14 mol/L，线性范围为1.0×10^-14 - 1.0×10^-19 mol/L。Lu S^[10]通过超声和水热反应两步简单的实验步骤合成了刺猬状的镍-钴碳酸盐中空纳米球，该碳酸盐拥有均一的球状微结构形貌，核直径约为4 nm，展现出较强的稳定性、大的比表面积和良好的电化学性能，对亚酸根盐表现出优异的选择性催化氧化能力，灵敏度高，检测限为0.002 μM，线性范围为5 - 4000 μM。

2.3.2 食品分析

近年来，我国经济水平快速增长，人们的经济收入也在稳步提升，琳琅满目，五花八门的包装食物饮品充斥着市场并满足人们日益增长的需求，许多商家通过将食物或饮品进行过氧化氢(H₂O₂)处理从而延长保质期，增大利润空间，但当人体摄入超过一定标准后，便会引发严重的食物中毒，甚至会威胁生命安全，因此对食物和饮品中的H₂O₂含量进行精确的监控势在必行。Wen X^[11]通过管式炉制备了片状的Cu₂O/TiO₂纳米管阵列（CTNA），并基于这种新型的纳米材料构建了无酶H₂O₂传感器。实验结果表明CTNA修饰电极检测H₂O₂时响应时间为4s，检测电位为-0.4 V，灵敏度为412.11 μA mM^-1cm^-2，检测限为90.5 μM，线性范围为0.5 mM - 8 mM。Liu S通过同轴电纺技术合成了Au负载的SnO₂多孔纳米管（Au-SnO₂-MTs），扫描电镜（SEM）等表征实验表明合成的多孔纳米管直径为500 - 600 nm，厚度为70 - 80 nm，比表面积大，吸附小分子能力强，应用于H₂O₂的选择性检测时，检测限为0.6 μM，线性范围为10 μM - 1 mM。此外，该Au-SnO₂-MTs修饰电极成功的运用于零售牛奶样品的实时检测。Zhan P通过简单的液相法合成了MnO₂超薄纳米片层结构，并应用于无酶H₂O₂传感器的构建。结果表明MnO₂修饰电极在H₂O₂催化氧化时，检测电位为 0.7 V，灵敏度为130.56 μA mM^-1cm^-2，检测限为1.5 μM，线性范围为5×10^-6M - 3.5×10^-3M，此外修饰电极的抗干扰性强，稳定性和重现性好，可以运用于不同领域中H₂O₂实际样品的检测。

2.3.3 生命分子中的应用

葡萄糖、胆固醇等物质在有机体的生理活动中十分重要，如果含量缺少或者比例失调就会导致严重的疾病，因此对这些生命小分子的精确测定和监控在疾病预防和诊断方面有着重要的意义。仲慧课题组^[12]将尺寸均一的HO-BiONO₃棒状纳米复合物修饰在玻碳电极表面，从而构建了一种新型的无酶葡萄糖电化学传感器。在碱性电解质溶液中，修饰材料能在电极表面催化氧化葡萄糖生成葡萄糖氧化酶，进而得到增强的氧化峰电流信号。此外这种修饰电极的检测电位为0.3 V，较Ni-Ti-O NTs、Co₃O₄-PbO₂、Ti/TiO₂ nanotube array/Ni等其他纳米材料而言检测电位更低，干扰更小，应用于葡萄糖的选择性检测时，灵敏度为8.2×10² μA mM^-1cm^-2，检测限低至1.2×10^-7 M。Jaime J^[13]合成了聚多巴胺包裹修饰的Fe₃O₄纳米复合材料，磁性Fe₃O₄纳米粒子大的比表面积有利于结合效率的提高，传质阻力的降低以及催化活性的增强，此外，聚多巴胺作为壳包裹在核表面有利于改善Fe₃O₄磁性纳米粒子的团聚性和降解性。基于这种新型核-壳纳米材料的修饰电极能对葡萄糖、乙醇和胆固醇进行优异的催化氧化，电化学信号灵敏而稳定，重现性和抗干扰性强。抗坏血酸、尿酸和多巴胺通常同时存在于生物体内，并且他们的电化学性质相似，检测电位相近，因此科研人员寻找各种不同的纳米材料区分它们的氧化峰从而达到选择性识别的目的。Meisam N合成了铁离子掺杂的钠沸石/多重碳纳米管/壳聚糖（MWCNT-FeNAZ-CH）纳米复合材料，并且基于MWCNT-FeNAZ-CH修饰电极对AA，DA，UA和色氨酸（Trp）进行了选择性检测。实验结果表明，该修饰电极能在0.25 V，0.5 V，0.65 V，0.95 V等四个不同电位下对AA，DA，UA，Trp进行灵敏检测，互不干扰，线性范围分别是7.77 - 833 μM，7.35 - 833 μM，0.23 - 83.3 μM，0.074 - 34.5 μM。此外，MWCNT-FeNAZ-CH基电化学传感器成功地运用于人体血清和尿样本的实时检测，结果令人满意。

3 石墨烯材料概述

近年来，碳纳米材料迅速发展，以石墨烯为主的多种碳纳米质料表现出了高的比表面积、优良的导电性和稳定的修饰性能，能够稳定地对其他纳米颗粒进行负载，应用于玻碳电极的修饰时展现出优异的催化氧化性能，因此基于石墨烯的开发研究和应用更加推动了无酶电化学传感技术的进步。碳材料作为生活中最普遍的材料，应用范围十分广泛，涉及日常生活所用的木炭乃至航天科技领域所用的碳纤维，其踪影无处不在。碳元素以其独特的杂化形式，构成了不一般的碳材料世界，包括石墨、金刚石、1985年H.W.Kroto用激光石墨气化实验发现的C₆₀-富勒烯，1991年饭岛澄男从碳纤维中电弧生产的碳纳米管以及2004年Andre Geim和Konstantin Novoselov机械剥离出来的石墨烯。石墨烯的出现丰富了碳材料，展现了新的活力，即使从其发现至今已有十余年，仍然展示了巨大的科学意义。

3.1 石墨烯的结构和性质

3.1.1 石墨烯的结构

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积形成的二维薄层结构，组成的碳原子以sp²杂化形成大π键，大π键处于半饱满的一种状态，π电子可以自由移动致使石墨烯拥有良好的电子传导性能（图1-1所示）。单原子厚度的石墨烯上存在褶皱，并且层数越多褶皱越小，褶皱的存在降低了表面自由能，进而增强了石墨烯的热力学稳定性^[14]。如图1-2所示，石墨烯包成球形成了富勒烯C₆₀，卷曲成条状形成了碳纳米管，层层堆积形成了三维的石墨片。

图1-1石墨烯的结构示意图

Fig 1-1 Structural representation of graphene

图1-2 石墨烯作为其他结构的碳质材料基本构成单元示意图

Fig 1-2 Structural representation of other carbon-based nanomaterials derived from graphene monolayer nanosheet

3.1.2 石墨烯的性质

3.1.2.1 力学性质

石墨烯中每个碳原子是通过σ键相互键接的，其特殊的蜂巢状结构赋予石墨烯层无可比拟的强度和韧性。单层石墨烯层间距为0.34 nm，理论比表面积为2630 m²g^-1，当其受到外加机械力时，碳原子面简单的弯曲变形即可承受施加的应力，刚度达到0.25 TPa，杨氏模量为1.0 TPa，强度为130 GPa，强度比钢铁还要好上100倍^[15]。石墨烯通过层层堆积形成了三维的石墨片，但是当堆积层数少于10层时，便会出现较石墨不同的电子结构，而多层石墨烯的弯曲刚性和张力都随着层的厚度增加而有所增强。

3.1.2.2 电学性质

随着对石墨烯晶格结构的研究，人们发现晶胞中每个碳原子与附近相邻的3个碳原子形成σ共价键，未成键的p电子相互作用从而形成了可以在晶体中自由移动的π电子，研究表明，这些运动的π电子的传导速率为8×10⁵ ms^-1，远远高于导体中电子传导的速率，因而赋予了石墨烯优异的电子传导能力^[16,17]。此外，之前科研工作者一直坚信载流子迁移率最大的为锑化铟，为77000 cm²/V·s，然而随着石墨烯的横空出世，人们发现其低温载流子迁移率竟然高达200000 cm²/V·s，远远高于锑化铟，是半导体硅的100倍^[18,19]。石墨烯特有的能带布局能使空穴和电子彼此分手，因此能观察到不规则的量子霍尔效应。因此，石墨烯优异的电学性能使其在电池，电容器等方面有着良好的应用前景。

3.1.2.3 热学性质

石墨烯被发现之前，凝聚态物理学家认为热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在，二维的单分子层膜一旦从三维结构上剥离下来，为了获得热力学稳定态，二维晶体会自然地发生卷曲^[20]。然而，通过机械剥离的石墨烯具有六边形晶格整齐排布并且结构十分地稳定，没有碳原子缺失或者位移的产生，石墨烯通过褶皱状形貌的生成，降低了表面自由能，热力学性质稳定^[21]。此外，石墨烯的热导率在3000 - 5000 Wm^-1K^-1之间，较单层碳纳米管和多层碳纳米管而言有明显的提高，是铜的2倍，金刚石的5倍，硅的50倍，因此作为新兴的散热导热材料有着广阔的前景^[22,23]。

3.1.2.4 磁学性质

石墨烯锯齿形边缘的孤对电子使其拥有包括铁磁性及磁开关等潜在的磁性能，实验验证表明，将一些具有铁磁性的物质吸附到石墨烯的表面，其整体的铁磁性会有一定的增强。

此外，石墨烯还具有良好的光学性能及场发射等性能，单层石墨烯的透光率为97.7%，透明度非常好。这些独特的性质，使其在电子器件，储能与转换，高强度复合材料，催化剂载体等领域都有着很高的应用前景和研究价值。

3.2 石墨烯的制备方法

单层及薄层石墨烯被发现以来，引起了学术界的广泛关注，然而品质高一点的石墨烯的制备是研究石墨烯材料的基础，因此，从2004年Manchester大学Geim课题组通过机械剥离法制备出单层石墨烯之后，化学气相沉积法、氧化还原法、电化学还原法、高温还原、光照还原、微波法、电弧法以及溶剂热法等各种制备方法^[24]如雨后春笋般涌现出来，途径众多且各有利弊。

3.2.1 微机械剥离法

机械剥离法是在石墨中加入某一特种材料膨化高定向热解石墨，从而破坏其表面的范德华力，继而将普通石墨烯片层机械剥离减至最少从而得到单层或多层石墨烯。机械剥离法的发展历程曲折而又漫长，直到2004曼彻斯顿大学Geim将石墨薄层的两面粘在特殊的胶带上，撕开，并且重复多次最终得到了单层石墨烯。机械剥离法成本低，操作简单，制备出的石墨烯晶体结构完美没有缺陷，但是费时费力，尺寸不易控制，难以实现大规模的制备。

3.2.2 化学气相沉积法

化学气相沉积（CVD）法是指在高温、气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积到金属基体表面的方法，这是现在生产高质量石墨烯的主要方法之一，可对石墨烯的面积和厚度进行控制并且产率高。CVD法主要过程是在基体上形成金属膜催化剂，以含碳化合物如甲烷，乙炔为气体碳源，在高温条件下脱氢，腐蚀金属基体，从而形成了尺寸可控的石墨烯^[27]。众多研究者对金属基体催化剂进行了探索，如Somani以崁酮为前驱体，在镍基体上合成了石墨烯，Ruoff在铜基体上生长了尺寸0.3 mm的石墨烯，此外Ru、Ir等多种基体相继被人们开发出来用于制备层数可控，形貌各异的石墨烯薄膜。然而该方法成本高、工艺负责，要求严格并且污染严重，这些因素一定程度上限制了其发展。

3.2.3 氧化还原法

氧化还原法是一种比较常见的方法，并且因其低成本，高产量等优势成为研究领域自制备石墨烯最常用的方法。这种制备过程主要分为两步：第一步是通过Standenmaier、Brodie、Hummer等方法运用强氧化性或者强酸将羧基、羟基、环氧基等含氧基团引入石墨烯片层，大量官能团的存在使石墨本身的疏水性变成亲水性，表面能降低，层间距约比石墨增加了0.365 nm - 0.765 nm，从而形成稳定的、均匀的、亲水性的氧化石墨烯。第二步是通过电化学还原、热还原、微波还原、等离子体还原等方法脱除氧化石墨烯表面的含氧基团，修复sp²杂化方式和蜂巢状的二维结构，并且尽可能的恢复石墨烯原本的导电性。然而，通过还原法去除含氧基团会使石墨烯结构出现很多的空穴和缺陷，二维结构受到严重的破坏，石墨烯的晶形、机械性能，尤其是导电性能受到了巨大的影响。

3.2.4 晶体外延生长法

晶体外延生长法是指在大于1400℃的高温以及小于10^-6 Pa的高真空条件下，通过将SiC基体中的Si高温分解，余下的C原子结构重排从而形成单层石墨烯的方法。SiC表面石墨烯薄膜与衬底的同步生长便于石墨烯直接应用于半导体行业电子元件上。然而，这种方法出现了很多劣势，所以没有规模化。

3.3 石墨烯的功能化

科研工作者对石墨烯进行功能化修饰，引入官能团，在最大程度保留石墨烯本身优异的性能的同时赋予其新的功能。石墨烯同时具备两个开放的表面，这种特殊的表面结构允许通过非共价功能化、共价功能化、取代掺杂功能化和间隙掺杂功能化等方式修饰石墨烯的上下表面，并通过层层组装从而得到具有表面缺陷的功能化石墨烯，在化学和材料领域中有着广阔的发展空间。目前，石墨烯功能化主要有共价功能化和非共价功能化。

3.3.1 共价功能化

石墨烯在制备过程中由于化学、热或超声的作用，边缘会形成不同的缺陷，这些缺陷位点具有较高的活性，可以利用共价键键接的方式进行功能化。当前研究较多的是通过高锰酸钾，过硫酸铵等制备出氧化石墨烯，7然后基于氧化石墨烯表面大量的羟基、环氧基、氨基、羧基和醛基作为前驱体与高分子聚合物等活性分子作用，实现了石墨烯的共价功能化。Stankovich利用异氰酸酯与氧化石墨烯表面上羟基和羧基的反应，制备了异氰酸酯功能化石墨烯（图1-3所示），共价功能化的石墨烯衍生物具有良好的溶解性和可加工性，但整体的大π共轭结构被破坏，导电性和其他性能也显著的降低。

图1-3 氧化石墨烯异氰酸酯功能化

Fig 1-3 Isocyanate treatment of graphene oxide where organic isocyanate reacts with the hydroxyl and carboxyl groups of the graphene oxide sheets.

3.3.2 非共价功能化

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