石墨烯葡萄糖传感器研究进展

章潇慧

一、石墨烯在生物医药领域的应用

石墨烯，一种以碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的炭质新材料，作为新型的二维原子晶体，以其超高的比表面积（单层石墨烯比表面积理论计算为2 630m2/g）、优异的电子迁移率〔（20 000cm2/（V·s）〕、高的热导率〔导热系数高达5 300W/（m·K）〕、超强的力学性能和良好的生物相容性，成为了科学界以及产业界研究和开发的热点，重点应用于理论物理实验平台、纳米电子器件、超导材料、储能和产能器件、显微滤网和传感器以及生物医药等领域。在以上众多应用中，以石墨烯及其复合材料为基础，构建生物材料和生物传感器被认为是最具前景的。

石墨烯拥有稳定的化学性质和易功能化的特点，是载药材料研究和发展的新方向；石墨烯具有独特的力学性能，可应用于组织工程和再生医药的开发和应用；结合石墨烯的超级薄膜结构、导电和导热性能，也可用于透射电子显微镜下的生物分子成像；经过化学修饰/功能化的石墨烯可加入到超级灵敏的传感、检测设备的制造，用以制造葡萄糖、胆固醇、血红蛋白和DNA等生物分子检测装置。

在众多石墨烯生物传感器的研究中，对葡萄糖分子的检测开展最早、研究的也最多最深入。目前，基于石墨烯葡萄糖传感器的研究，主要集中在石墨烯酶电极型葡萄糖传感器和无酶型葡萄糖传感器2种。本文围绕石墨烯基的葡萄糖传感器展开，总结近年来国际上在石墨烯提高和改善葡萄糖传感器性能方面取得的研究成果，并对石墨烯在葡萄糖传感器方面的应用做出展望分析。

二、石墨烯酶电极型葡萄糖传感器

葡萄糖传感器是各种生物传感器中应用最为广泛、研究最为深入的一种。自从1962年Clark和Lyons首次提出了酶电极型葡萄糖传感器构建，经历了50余年的历程，科学家已经发展了3代葡萄糖传感器，最近更是利用新兴的纳米技术对葡萄糖传感器展开进一步的改进。如今，基于酶电极型的葡萄糖传感器已经被广泛地应用于糖尿病的临床诊断、生物分析、环境监控以及食品工业之中。

在研究还原氧化石墨烯（rGO）的结构对构建酶电极传感器电化学性能的影响之前，先对酶电极葡萄糖传感器的发展历程进行简单的回顾。

1.酶电极型葡萄糖传感器的发展历程

酶电极型葡萄糖传感器经历了3个阶段的发展，即第1代葡萄糖传感器、第2代葡萄糖传感器和第3代葡萄糖传感器。

（1）第1代葡萄糖传感器

第1代葡萄糖传感器是建立在葡萄糖氧化酶（GOD）的氧化还原基础上，检测过程中，酶层：GOD（Ox）+gluocose→gluconolaction+GOD（Red）；GOD（Red）+O2→GOD（Ox）+H2O2；电极：H2O2→O2+2H++2e。这一酶促反应是一个耗氧的过程，通过检测产物H2O2的浓度变化或者消耗量来测定葡萄糖的浓度。

（2）第2代葡萄糖传感器

第2代葡萄糖传感器是介体型酶电极，克服了第1代传感器耗氧的缺陷。它在GOD与电极之间加入的电子媒介（M）来解决电子传递的问题，酶层：GOD（Ox）+gluocose→gluconolaction+GOD（Red）；修饰层：GOD（Red）+M（Ox）→GOD（Ox）+M（Red）；电极：M（Red）→M（Ox）+ne。介体型酶电极在2000年左右得到了迅速的发展，但该方法也存在介体容易污染电极影响测试性能的缺点。

（3）第3代葡萄糖传感器

第3代葡萄糖传感器是通过酶在电极上的直接催化来实现，酶层：GOD（Ox）+gluocose→gluconolaction+GOD（Red）；电极：GOD（Red）→GOD（Ox）+2e。利用酶与电极的直接电子转移，无需添加试剂，无耗氧过程，是当前电化学工作者努力的重要方向。但是由于GOD分子量较大，其活性中心FAD深埋在蛋白质分子内部且容易发生变形，所以酶与电极之间的直接电子交换很难实现。

2.rGO对构建酶电极传感器电化学性能的影响

利用纳米材料的精细结构，实现酶与电极间的直接电子转移，是构建直接电子转移的第3代酶电极传感器的重要手段。将石墨烯及其衍生物或者复合材料应用于酶电极型的生物传感器技术研究始于2009年，Papakonstantinou等人利用石墨烯构建了电化学型生物传感器，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，并且发现在GOD在电极上的直接电子转移过程。

经过了几年的发展这种基于石墨烯的葡萄糖传感器展现出了更宽的线性范围、更好的灵敏度、稳定性和可重复性，从而获得了科研工作者的一致认同。然而石墨烯及其衍生物的结构对修饰的酶电极性能影响方面的研究依然是空白。北京科技大学张跃小组研究不同结构的rGO构建酶电极型葡萄糖传感器的性能。通过rGO结构表征、修饰酶电极的电化学性能研究、构建的酶电极对葡萄糖响应的性能研究和酶促反应机理的探索，他们发现利用rGO修饰酶电极不但可提高酶电极的电化学活性，而且可以改善酶电极对葡萄糖的催化能力。这是rGO中丰富的含氧官能团与缺陷增加了葡萄糖氧化酶的吸附的结果；在较低含氧量下，rGO可促进酶电极表面的直接电子转移（第3代葡萄糖传感器）；在较高含氧量下，rGO酶电极对葡萄糖的催化过程是一个耗氧的过程，即要经过葡萄糖氧化酶GOD先将葡萄糖转化为双氧水（H2O2），再由H2O2的水解反应来传递电子的过程（第1代葡萄糖传感器）；耗氧催化的过程中，rGO表面官能团越多，酶电极的亲和性与灵敏度越高。通过调节石墨烯结构，可以构建出不同催化过程的酶电极葡萄糖传感器。这将有利于石墨烯基的生物传感器界面电子迁移方面的发展与研究，为获得可控、稳定的石墨烯基葡萄糖传感器奠定了理論基础。

三、石墨烯无酶型葡萄糖传感器

历经了50余年的研究与探索，以葡萄糖氧化酶为基础的酶电极型葡萄糖传感器，已经在糖尿病临床诊断、生物分析、环境监控和食品工程方面获得了广泛的应用。这种酶电极型的传感器具有很高灵敏度和特异性，并且还有检测限低探测范围广等特点。尽管如此，酶电极型的葡萄糖传感器也存在着一些缺陷，如酶在电极上的固定需要一个复杂的过程；酶的热力学及化学方面的不稳定因素导致传感器的寿命和可靠性降低；以及人工合成酶的价格比较昂贵。由于以上原因，有研究者开始着手研究和探索无酶型的葡萄糖传感器的开发。

无酶型葡萄糖传感器，主要是利用过渡金属元素的高效催化能力，在电极表面对葡萄糖进行直接电催化氧化。在众多构建无酶型葡萄糖传感器的方法中，利用纳米材料或者纳米结构对无酶电极进行修饰，实现葡萄糖在电极表面的直接电催化氧化过程，是近年来研究的主要手段和热点。这些纳米材料和纳米结构包括钯（Pd）纳米颗粒，氧化铜（CuO）纳米微球，镍（Ni）泡沫，氢氧化镍〔Ni（OH）2〕纳米颗粒，铂（Pt）纳米线阵列等。利用以上过渡金属或者其化合物构建的无酶传感器，均具有高灵敏度和高选择性。

在众多利用过渡金属及其化合物构建的无酶葡萄糖传感器中，基于Ni元素的研究最为引人注目。这是因为Ni元素及其化合物成本低廉，且可提供快速响应和超高的灵敏度。最近Ni纳米线阵列，NiO纳米孔洞结构和Ni（OH）2纳米盘在无酶葡萄糖构建方面的被相继报道。

Zhang等人原位合成了Ni/ NiO-rGO纳米复合材料，并将其应用于丝网印刷电极的修饰，构建了无酶型葡萄糖传感器。在原位合成的过程中，首先利用氧化石墨烯（GO）对Ni离子进行化学吸附，并将Ni元素固定于丝网印刷电极之上，随后利用水合肼还原GO并原位合成了Ni/NiO-rGO纳米复合材料。Ni/NiO-rGO无酶电极在碱性环境中，可对葡萄糖进行高效的催化氧化作用。构建的Ni/NiOrGO无酶葡萄糖传感器可对葡萄糖进行灵敏的定量分析，这种传感器同时具有良好的可重复性和选择性。

对于无酶型葡萄糖传感器来说，高浓度下易发生葡萄糖分子对催化材料的缠绕，从而降低了检测的上限。而在临床中糖尿病人的血糖浓度通常高于10mmol/L，如何构建同时具有高灵敏度和高检测上限的无酶传感器，是此类研究的重要方向。

为了获得更好的复合材料性能，研究者致力于石墨烯与金属或者金属氧化物的杂化工作。这些工作主要集中在氧化石墨烯或者石墨烯的其他衍生物的研究上。这些石墨烯的衍生物具有易功能化、良好的亲水性、易分散于有机溶剂、易于水处理等特征，却失去了石墨烯的高电子迁移率，电子在其表面传递的速度很慢。这使得它们不适于电子器件及电化学分析器件的应用研究。

Zhang等结合了本征石墨烯的优良电子迁移率及CuNiO纳米颗粒的高催化性能，来构建无酶葡萄糖传感器。利用水热合成的CuNiO纳米颗粒修饰化学气相沉积的本征石墨烯（GS），获得了CuNiO-GS纳米复合材料，并将其应用于无酶葡萄糖传感器的构建。在碱性环境中，该传感器对葡萄糖具有高效电催化氧化能力。其同时具备高灵敏度和宽线性范围，检测上限达到了16mmol/L，这个检测范围适用于糖尿病人实际样品的检测（糖尿病人的血糖浓度通常高于10mM）。同时，利用CuNiO-GS纳米复合材料构建的无酶葡萄糖传感器，还获得了高选择性和高稳定性[1]。

四、展望

目前，基于石墨烯的葡萄糖传感器的基础性和前瞻性研究已经取得了许多重要成就，如确定了葡萄糖氧化酶在石墨烯上的直接电子转移，促进了第3代葡萄糖传感器的发展；提高了无酶型葡萄糖传感器的检测范围，为石墨烯基的葡萄糖传感器在人体血糖检测的实际应用方面奠定了坚实的基础。

要實现石墨烯及其复合材料在人体血糖检测的实际应用，还需要解决一些基本的问题：石墨烯的生物分布、生物相容性以及准确和慢性的毒性如何。在一些特殊情况下，石墨烯的某些生物活性也可能引起不可预见的毒性。这些问题与石墨烯在制造和应用的环境中工作的性能紧密相关，它的尺寸、形貌和化学结构都有可能影响血糖检测的结果。未来的研究工作，将围绕石墨烯与生物活性分子的相互作用展开，在实现石墨烯基血糖检测前，仍有许多工作摆在人们眼前。

参考文献

[1] Zhang Xiaohui，Liao Qingliang，Liu Shuo，et al.CuNiO nanoparticles assembled on graphene as an effective platform for enzyme-free glucose sensing[J].Analytica Chimica Acta.，2015，858：49-54.