石墨烯及其衍生物在生物传感领域的应用

章潇慧

纳米科学技术是当前科学与工业探索中最引人注目的前沿亮点。自20世纪80年代末发展以来，它逐步为人类带来了新的产业革命，并且受到了广泛的关注。作为最尖端的技术，它已经促使材料、生物、信息、环境、能源等所有领域发生大的变革，并已经贡献于现有产业。在纳米材料与技术的众多应用领域中，利用纳米技术来解决和研究生物学相关问题，由于涉及到生命最本质的问题而显得格外重要，具有相当广阔的应用前景。

纳米生物传感器是纳米生物材料的重要研究领域，相关的基础理论研究、器件组装、性能测试与推广应用受到世界范围内的广泛关注。目前基于不同纳米材料研制的生物传感器相较于传统的检测方法已显现出灵敏度高、响应快、操作简便和低成本等优势，并且已经应用于疾病的早期诊断、监测和治疗，药物开发和人类遗传诊断，有望在基因组、动物克隆、人造细胞、人造器官、创造生命和攻克癌症顽疾等多个领域取得突破。

石墨烯作为一种新型的二维原子晶体，以超高的比较面积（单层石墨烯比表面积理论计算为2 680m2/g）、良好的电导率、高的热导率、超强的力学性能和良好的生物相容性，成为了构建生物材料和生物传感器的优异平台。目前基于石墨烯及其衍生物的生物传感器研究，主要集中在电化学型和光学型2种。本文将综述石墨烯及其衍生物作为支撑材料或应用平台，提高和改善生物传感器的性能方面的工作，在石墨烯及其衍生物在生物传感领域的应用作出展望。

一、石墨烯简介

2004年安德烈·海姆和克斯提亚·诺沃肖洛夫在实验室首次成功获得了石墨烯这种二维新型材料，6年后石墨烯的发现者获得了诺贝尔物理学奖。

1.石墨烯的结构

石墨烯的结构可以描述为碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的1种炭质新材料，它是1层被剥离的石墨片层，具有理想的二维周期结构。其中的碳原子以六元环的形式周期地排列在石墨烯平面内。单层石墨烯材料的厚度仅有0.335nm，相邻2个碳原子之间距离为0.14nm。严格二维结构的石墨烯是形成各种碳质材料的基本单元。若石墨烯的晶格中存在五元环的晶格，就会使得石墨烯翘曲，当有12个以上五元环的晶格存在时会形成富勒烯；同样，碳纳米管也可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。利用模板法制备、具有规则孔结构的碳也可以看作是大量石墨烯卷成的，其孔道按照一定方式排列组成；而石墨则是由石墨烯片层堆积而成的具有层状结构的碳质材料典型代表。石墨烯名字来源于Graphite（石墨）+ Ene（烯），石墨本身就是由众多石墨烯层层堆积而成的。

现在认为，10层以内由单层石墨片层组成的结构可以定义为石墨烯，而大于10层的结构，应该被称为石墨薄膜。由此，石墨烯被分类为单层、双层和多层（3～10层）。近年来，研究者已经实现各种石墨烯结构的可控制备。

2.石墨烯的性能

在很大程度上，材料的物理性能是其维度结构展示。作为由单层碳原子组成的石墨烯，是严格的二维晶体材料。由于石墨烯简单而灵活的结构，决定了它在电学、力学、光学和热力学方面具有独特的性能。

石墨烯的电学性质与大多传统三维结构的材料有巨大的区别，它是一种半金属、零带隙半导体材料，是目前已知的导电性能最出色的材料。由于石墨烯的严格二维结构，而形成了零有效质量的狄拉克-费米子，具有类似光子的特性。石墨烯的出现为相对论量子力学现象的研究提供了一种重要的手段。

从传导实验得出的测量结果显示石墨烯具有非常高的载流子迁移率，约为15 000cm2/（V·cm），远高于电子在硅中传导的速度。更令人惊喜的是，这样的高迁移率受温度和化学腐蚀影响的程度很小。另一方面，石墨烯的电阻率极低，比银还小，是世界上室温电阻率最小的材料。石墨烯中电子跑的飞快，它的电子传导速率为 8×105m/s，这虽然比光速慢很多，但是却比一般半导体中的电子传导速度快得多。

石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互分离，于是新的电子传导现象的产生——不规则量子霍尔效应。石墨烯的室温霍尔效应使原有的温度范围扩大了10倍，表明其独特的载流子特性和优异的电学质量。

石墨烯目前是人类所认知强度最大的材料。若能制作出厚度相当于塑料包装袋（厚度约100nm）的石墨烯，那么需要施加约20 000N的压力才能将其扯断。这意味着石墨烯比钻石还要坚硬。

石墨烯的特殊电学性质产生了高度不透明性，这只有一个原子大小厚度的晶体可以用肉眼直接观察到。

二、石墨烯生物传感器的研究现状

在石墨烯及其衍生物的众多优异性能中，其超高的比较面积、良好的电导率、高的热导率、超强的力学性能和良好的生物相容性，使其成为构建生物传感器的支撑材料和优异平台。本节将对石墨烯及其衍生物在电化学类及光学类生物传感器的研究进展及现状进行简要介绍。

1.石墨烯电化学生物传感器

作為一个高度跨学科的领域，纳米电化学生物传感器件的研究已成为近年来最令人兴奋的话题之一。众所周知在电化学传感领域中，电极材料是传感器的关键组成部分，它在构建高性能电化学传感平台检测目标分子中发挥着重要的作用。

石墨烯生物传感器构建的研究始于2008年，首次构建的石墨烯生物传感器为电化学型。Papakonstantinou等人利用石墨烯构建了电化学型传感器，他们发现由于石墨烯的快速电子转移能力，有效促进了电极附近氧化还原反应的进程。石墨烯修饰电极可以实现对多巴胺（DA）、抗坏血酸（AA）和尿酸（UA）的原位检测。

下面将以安培型、电化学发光型、场效应晶体管型、电化学阻抗型、光电化学型5种电化学生物传感器件为例，介绍石墨烯及其衍生物在构建电化学生物传感器领域的应用。

（1）安培型传感器

在石墨烯及其衍生物构建电化学型生物传感器的研究中，安培型生物传感器占了最大的比例。Shan等人率先证明了石墨烯可以作为增强材料，促进葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOD）在电极表面发生直接电子转移，从而使构建的葡萄糖生物传感器获得更高的检测性能。中国科学院长春应用化学研究所的董绍俊小组，在基于石墨烯及其衍生物的电化学生物传感器研究方面开展了深入研究。他们认为石墨烯是一种有效的电极修饰材料，通过石墨烯的修饰，电化学电极可以获得更高的比表面积和有效的电子转移效率，从而提高安培型生物传感器的性能。

具有高稳定性和均匀形貌的石墨烯薄膜，通过电泳的方法被沉积到电极表面，可以实现对三硝基甲苯（TNT）的超高灵敏度检测，其检测下限达到0.2ppb。这一检测下限，优于其他碳材料构建的TNT电化学传感器。

化学掺杂是调控材料电学性能的有效手段，它是通过控制材料的表面化学结构和元素组分中的局域电荷，实现基质材料性能转变的重要途径。氮掺杂是增加石墨烯自由电子态密度和增强电导率的有效策略。Wang等人利用氮掺杂的石墨烯构建了葡萄糖传感器，证明了氮的引入，提高了电极的活性。与纯石墨烯相比，氮掺杂的石墨烯更有效地促进了GOD的快速直接电子转移，构建的葡萄糖传感器的检测下限为0.01PPb。

美国太平洋西北国家实验室的Lin小组，也在石墨烯构建安培型生物传感器方面，作出了深入而突出的贡献。他们证明了石墨烯及其衍生物可作为良好的载体，来承载大量的生物探针或者生物识别分子，进行了高性能免疫传感器及DNA传感器的研究与构建。他们构建了一种新型的电化学免疫传感器，在多酶放大效应下，氧化石墨烯作为纳米载体构，实现了对磷酸化的P53超高灵敏检测。该免疫传感器对于磷酸化P53的检测范围在0.02×10-9～2×10-9mol/L之间，检测下限为0.01×10-9mol/L。

石墨烯对DNA具有传导以及保护的作用，Lin等人还设计构建了一种适体/氧化石墨烯纳米复合材料，并将其应用到活体细胞分子检测中。

（2）电化学发光传感器

电致化学发光（Electrochemical luminescence，ECL）是结合了电化学与发光技术的一门学科，它包括了光发射过程中由电激发试剂产生的氧化还原反应。与传统的电化学方法相比，电化学发光传感器灵敏度更高、检测范围更宽。

最初的石墨烯电化学发光传感器，是利用Rb（II）[Ru（bpy）32+（1种电致发光试剂]，与石墨烯相结合来修饰电极，实现了对胺基有机物的定量检测。Li等人发现在发光氨的条件下，石墨烯修饰玻碳电极（GCE）展示出了强烈的阴极电致激发化学发光行为。利用这一现象，他们发展了一种三明治结构的免疫电化学发光传感器，其可以在低电位下灵敏的检测生物标记的癌症细胞。

（3）场效应晶体管传感器

当今，大多数的生物分子检测都依赖于光学的或者电化学的换能器，这需要荧光或者电化学的标记。FET型的传感器作为一种极具吸引力的替代方法，可以實现检测的无标记、快速响应和高灵敏度。将石墨烯应用于FET型传感器正在成为新的研究热点。基于不同的识别相互作用，石墨烯及其衍生物已经作为衬底材料用于检测DNA或者生物标记等分析质。

Chen等人利用石墨烯修饰的玻璃衬底构建了大面积的石墨烯FET，并对DNA的杂化进行了检测，其灵敏度高达0.01×10-9mol/L，能力检测到DNA杂化过程中单碱基的错配。他们同时发现，经过金（Au）颗粒的修饰，可以提高石墨烯晶体管对DNA杂化探测的-灵敏度。

由于适体比单链DNA或RNA具有更高的灵活性，Ohno小组发展了通过分子识别技术，基于适体修饰石墨烯FET型无标记的免疫传感器。Lee等人设计了一种石墨烯封装纳米颗粒作为衬底材料的FET型生物传感器，实现了对乳腺癌关键生物蛋白的选择性和灵敏性的检测。

Chen等人利用石墨烯-Au纳米颗粒复合材料作为衬底制备了高灵敏度与选择性的FET型生物传感器。Au纳米颗粒与抗体通过非共价键连接在石墨烯表面，加入缓冲液阻断了非特异性连接的可能。当目标蛋白质加入检测环境中时，蛋白质的结合诱发了器件电导率的巨大变化。这种电阻上的巨大变化与目标蛋白质的浓度高度相关，于是FET生物传感器的检测下限可以低至1.3×10-13mol/L。

（4）电化学阻抗传感器

与FET型传感器相似，电化学阻抗型传感器也可以对抗原抗体相互作用、亲和素蛋白复合物和单聚核苷酸DNA相互作用进行无标记的检测。Niu等利用电化学阻抗谱（EIS）技术进行了无标记DNA杂化检测，通过测量负电荷的变化可获得DNA构象的转变、固定及杂化等信息。

Pumera小组利用石墨烯修饰簪型DNA（hpDNA）探针，灵敏检测了单核酸多肽性的阿尔兹海默症。在这种检测中，石墨烯作为换能器实现了EIS技术的灵敏响应。电荷转移阻抗的变化与阻抗谱的半径相关，受到电荷表面修饰方法的强烈影响。这种石墨烯电化学阻抗传感器可在0.3×10-12mol/L到0.3×10-9mol/L范围内线性检测DNA的杂化。

（4）光电化学传感器

光电化学型（PEC）传感器是电化学传感器中，一种新型的的分析方法。它的灵敏度可以与电化学发光传感器相媲美，同时可在自驱动或低偏压条件下进行检测。光活性物质（如半导体纳米颗粒）常常用作增强材料来促进光照条件下光电流的产生。然而，半导体的光电流效率常受到光生电子—空穴对复合率高的限制，降低了器件的低灵敏度。石墨烯可以作为一种优异的电子受体材料，提高电子—空穴的分离效率。

Zhang等人率先报道了石墨烯敏化光电化学生物传感器，通过层层组装非共价结合的功能化石墨烯与CdSe纳米颗粒，实现了对凝血酶的检测。Pyr-PAA功能化的石墨烯与硒化镉（CdSe）纳米颗粒经过层层组装的过程，形成了PAA-G/CdSe纳米复合结构，并修饰到ITO导电玻璃上。随后功能化的适体与PAA-G/CdSe纳米复合结构通过-NH2进行共价结合。当对凝血酶进行识别的时候，适体与凝血酶的复合产物阻碍了电子施主扩散到电极表面，从而导致了光电流的降低。

北京科技大学康卓等利用还原氧化石墨烯（rGO）和纳米氧化锌（ZnO）阵列复合结构修饰光阳极，构建了光电化学型生物传感器。rGO/ZnO结构相对于纯ZnO结构的光电流获得了成倍的增长；随着谷光苷肽（GSH）浓度的增大，rGO/ZnO结构的光电响应成线性递增；常见化学、生物干扰物质以及金属离子均未对构建器件的光电流显著影响。