石墨烯及其衍生物电化学生物传感器研究进展

孙晓玲， 韩海霞， 弓巧娟

（1.山西师范大学化学与材料科学学院，山西临汾041000）（2.运城学院应用化学系，山西运城044000）

0 引言

石墨烯是碳以sp2杂化方式形成的准二维新型纳米材料。该材料具有独特的导电性，可促进电子的快速转移，加快电极表面的反应过程[1]，相对于石墨（10 m2/g）和碳纳米管（1315 m2/g）而言，石墨烯具有较大的理论比表面积（2630 m2/g），其表面的缺陷和含氧官能团等活性位点易被修饰[2]，从而赋予石墨烯某些优异的性能，同时，石墨烯还具有良好的生物相容性[3]。作为单原子平面二维晶体，石墨烯具有双极性，不管是电子供体还是电子受体均能导致石墨烯材料 “化学门控”[4]，故易被电阻型传感器监测到，同时由于碳原子可以直接与被分析物作用，使其在电化学传感器方面相比于其他碳材料更具灵敏性。

该文主要介绍近年来基于石墨烯材料的电化学生物传感器的研究进展，包括酶、大分子、小分子以及免疫传感器等，并简单讨论了基于石墨烯的电化学传感器材料的制备优势和面临的挑战。

1 石墨烯及其衍生物在电化学生物传感器中的应用

1.1 生物小分子的检测

1.1.1 非酶葡萄糖的检测

Huang等[5]合成了一种3D NiO空心球与石墨烯氧化物的复合材料，该复合物修饰的电极材料对葡萄糖响应时间少于5 s，稳定性高、再现性好，使低浓度的葡萄糖具有高的灵敏度（-2.04 mA/(mmol/L)cm2），显著的性能可能是由于复合物独特的3D分级多孔结构，能增加反应活性位置和电极稳定性，使电子在NiO和rGO间直接转移，加快了电子转移速率。Yang等[6]利用Co3O4和石墨烯通过一步水热法制备了具有分层多孔结构的Co3O4@石墨烯（Co3O4@G）微球，这种多孔结构提供了大量可接近的活性部位，石墨烯又提供了连续的电子通路，从而实现了Co3O4的高效电催化反应，使非酶葡萄糖检测灵敏度高（628 μA/(mmol/L)cm2）， 选择性好，稳定性强， 检测范围在0.02～8 mmol/L，检出限低至38 nmol/L(S/N=3)。

1.1.2 非酶H2O2的检测

Wang等[7]采用化学气相沉积法制备Au纳米粒子修饰的石墨烯（AuNPs@Gr）/镍泡沫纳米复合材料（AuNPs@Gr/NiF），表现出高导电性、特殊表面积和结构强度，被用作电极构建H2O2电化学传感器。结果表明，AuNPs在Gr/NiF表面均匀稳定地分布，对H2O2表现出高的敏感性（47.4 μA/(mmol/L)cm2）、稳定性和选择性，检测线性范围 0.05～1.75 mmol/L，检出限低至 1 μmol/L。 Chen等[8]构建了一种基于铂纳米粒子-碳量子点/离子液体功能化石墨烯氧化物（PtNPs-CDs/IL-GO）纳米复合物的H2O2传感器，该纳米复合物独特的结构提供了充足的活性位点，大大加速了H2O2的催化作用。结果显示该传感器具有较高的选择性，宽的线性范围（1～900 μmol/L），检测下限为0.1 μmol/L。

1.1.3 DA、AA、UA 的检测

Tıg[9]利用银纳米颗粒（AgNPs）、石墨烯（GO）和聚L-精氨酸制备出可以单独或同时检测抗坏血酸（AA），多巴胺（DA），尿酸（UA）和 L-色氨酸（L-Trp）的生物传感器，电流响应在4.0～2400.0 μmol/L AA，0.05 ～50.0 μmol/L DA，0.5 ～150.0 μmol/L UA，1.0～150 μmol/L L-TRP 有好的线性关系， 检测限分别为 0.984 μmol/L，0.01 μmol/L，0.142 μmol/L 和 0.122 μmol/L， 同时还表现出稳定性高、再现性好的优点。Yan等[10]采用一锅水热法制备了rGO/Bi2S3复合物，并通过调节GO的用量实现了可调尺寸的纳米复合材料的合成，再利用硫代乙酰胺作还原剂和硫源制备出rGO/Bi2S3-1/GCE传感器检测多巴胺，结果显示该传感器具有良好的稳定性、再现性和选择性，线性范围在 0.01～40 μmol/L，检出限为 12.3 nmol/L。

1.1.4 其他生物小分子的检测

Özlem等[11]提出了一种利用多金属氧酸盐（H3PW12O40）功能化的还原型氧化石墨烯改进玻碳电极的新型伏安传感器，并成功应用于加标血清样品中L-络氨酸和L-色氨酸的同时测定，线性范围为 1.0×10-11～1.0×10-9mol/L，检出限为2.0×10-12mol/L。Istrate等[12]将氧化石墨烯与烯丙胺盐酸盐沉积到丝网印刷电极表面，通过原位聚合法制得聚稀丙胺盐酸盐/石墨烯（PAH/GN）纳米复合材料，显著降低了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）的氧化过电位，在最佳实验条件下，对NADH产生较强的电化学活性，并表现出高的速率常数和稳定的响应浓度（0.8 mV），其灵敏度为108.6 μA/(mmol/L)cm2， 检 出 限 为 6.6 μmol/L。Palanisamy等[13]研究了一种基于漆酶固定化石墨烯-纤维素超细纤维复合物修饰丝网印刷碳电极的新型漆酶生物传感器，灵敏地测定邻苯二酚，该传感器在邻苯二酚浓度为0.2～209.7 μmol/L范围内有良好的线性关系，对邻苯二酚的灵敏度为0.932 μA/(μmol/L)cm2,响应时间为 2 s，检出限在0.085 μmol/L，同时还具有良好的选择性和稳定性，对水样和环境中CC的监测具有很大的潜力。

1.2 生物大分子的检测

1.2.1 DNA的检测

Fu等[14]制备了基于二极模式的接近石墨烯晶体管中性点的生物传感器，能够有效检测DNA，检出限低至2 pmol/L，在接近石墨烯晶体管的中点时，可以用于多层石墨烯装置，有效改善信噪比。Loan等[15]采用化学气相沉积法利用金作为转换支撑层，制备了一种基于超净无残留的石墨烯薄膜的霍尔效应生物传感器，能够大幅度提高传感器对DNA检测的灵敏度，选择性高，线性范围为1 pmol/L～100 nmol/L，检出限为 1 pmol/L，可对DNA分子整体部分进行检测。Xu等[16]制备了厘米级的单晶石墨烯，构成一体化、小型化GFET多通道检测DNA的生物传感器，与光学传感器相比，无论分子的大小如何，该传感器对DNA检测均具有高度灵敏性、亲和性、重复性，可以实时定量区别单碱基突变，并且具有非常大的潜力用于集成阵列实现高通量多路的DNA杂交动力学和亲和性的多重分析。

1.2.2 其他生物大分子的检测

Li等[17]利用 chitosan/Ru(bpy)32+/silica/Fe3O4纳米粒子作为发光材料，羧基功能化的石墨烯结合葡萄糖功能化的NiCo2S4纳米粒子 （NiCo2S4-COOH-rGO@Glu）作为荧光淬灭探针，制备出一种稳定性高、再现性好的淬灭电化学发光生物传感器，能够超灵敏的检测伴刀豆球蛋白，在最佳条件下，线性响应范围为0.5 pg/mL～100 ng/mL，检出限在0.18 pg/mL(S/N=3)。Chiu等[18]利用石墨烯氧化物与特定肽适体结合，制备出一种基于GO-肽的表面等离子体共振（SPR）生物传感器，对人的绒毛膜促性腺激素（hCG）蛋白具有良好的敏感性、亲和性和特异性，GO-肽（1 nmol/L）芯片对hCG的检测限是传统芯片的16倍多，对妊娠早期异常和一些癌症肿瘤的临床检测具有重要意义。

1.3 免疫生物传感器应用

1.3.1 病毒和细菌检测

Afsahi等[19]研究了一种高性价比、便携式的石墨烯生物传感器，通过高度特异性固定化单克隆抗体与石墨烯共价连接，利用这种单克隆抗体的场效应生物传感实时定量检测天然Zika病毒抗原，同时能提供非临床生物物理动力学工具的高级定量数据，适应于临床研究和可能的诊断应用，成为医疗发展的理想型诊断测试方法。Gong课题组[20]采用石墨烯-Nafion复合膜修饰玻碳电极制备出简单而灵敏的阻抗式DNA生物传感器测定HIV-1基因。该方法无需对DNA进行标记，在最优条件下，Ret的减小值与目标寡核苷酸的对数呈良好的线性关系，检出限低至2.3×10-14mol/L，对生物传感和DNA纳米结构框架的构建具有潜在的应用价值。

1.3.2 癌症标记物检测

Pal等[21]利用金纳米粒子、石墨烯氧化物、单克隆抗PSA抗体制备出精确检测前列腺特异性抗原（PSA）的免疫传感器。前列腺癌细胞的免疫荧光染色确认了抗体的功能，电化学分析显示该传感器稳定性高，对人血清中PSA选择性高检测准确，回收率为97.67%，检测限低至0.24 fg/mL，信噪比为3，灵敏度为5.4 mA·fg/mL，为不同癌症生物标志物在临床医学的检测提供了可能。Tang等[22]研究了一种测定心力衰竭的生物标记物半乳糖凝集素-3的电化学免疫传感器。他们首先在玻碳电极上固定N-GNPs-Fe-MOFs@AuNPs复合物，并将抗Gal-3固定在修饰玻碳电极的金纳米粒子上，然后用牛血清白蛋白封闭，再利用一锅法合成AuPt-MB纳米复合物，构成AuPt-MB-Ab2/N-GNPs-Fe-MOFs@AuNPs-Ab1三明治结构，在最佳条件下，该免疫传感器线性范围为100 fg/mL～50 ng/mL，检出限低至 33.33 fg/mL（S/N=3），并显示出良好的重现性和稳定性。

1.4 酶为基础的生物传感器应用

1.4.1 葡萄糖氧化酶传感器

Zhao等[23]利用ZnO纳米棒、石墨烯通过水热生长法合成氧化锌纳米棒/石墨烯异质结构，并将其作为GOD固定电极，这种结构促进了葡萄糖氧化酶（GOD）和电极之间的直接电子转移，有利于检测GOD和ZnO纳米棒之间的电化学信号，灵敏度高达 17.64 μA/(mmol/L)，在葡萄糖浓度为0.2～1.6 mmol/L范围内有很好的相关性，同时具有良好的选择性和稳定性。Jeong等[24]利用2D MoS2与石墨烯相互连接组成了一种三维MGA气凝胶修饰电极，使电极表面增大有利于酶的有效固定，连续的骨架结构又有利于电子的快速转移，制备出的基于GOx/3D MGA电极的流动注射生物传感器装置对葡萄糖的检测响应时间快（～4 s），灵敏度高（3.36 μA/(mmol/L)），抗干扰性强，线性检测范围为2～20 mmol/L，检出限为0.29 mmol/L。

1.4.2 过氧化酶传感器

Fan等[25]利用带气孔的CaCO3作为牺牲模板将辣根过氧化酶（HRP）装入仿生石墨烯胶囊内模拟生物体内生物酶的存在形态，再将石墨烯-聚苯乙烯硫酸钠组装到氧化铟锡的基底上，成功制备出了用于H2O2电化学检测的酶生物传感器，表现出宽的线性范围 (0.01 mmol/L～12 mmol/L)和低的检测极限，同时具有抗干扰性强和稳定性好等优点。Bongiwe等[26]构建了一种还原氧化石墨烯与锑纳米复合物/辣根过氧化物酶生物传感器，该修饰电极传感器对H2O2表现出良好的电催化活性，H2O2浓度在0 nmol/L～4 nmol/L范围内显示出良好的线性关系，检测限为2.88 nmol/L，属一种快速、低成本的用于测定较低浓度过氧化氢的检测器。1.4.3 乙酰胆碱酯酶传感器

王辉等[27]利用石墨烯纳米材料（GR）、壳聚糖（Chit）、纳米四氧化三铁（Fe3O4）和乙酰胆碱酯酶（AChE）为原料制备出检测毒死蜱农药的生物传感器（NF-AchE/Chit-Fe3O4/GR/GCE）。采用方波伏安法在最佳检测条件下，毒死蜱农药在0.05 μg/L～4.5 μg/L质量浓度范围内与其抑制率有良好的线性关系，线性相关系数0.997，最低检出限为 0.02 μg/L（S/N=3）。Cui等[28]利用壳聚糖（Chit）TiO2溶胶-凝胶和rGO构建多层固定基质（CS@TiO2-CS/rGO），并在上面吸附乙酰胆碱酯酶（AChE），可准确、灵敏检测有机磷农药敌敌畏，检测线性范围为 0.036 μmol/L～22.6 μmol/L，检测限为29 nmol/L，同时具有高的重现性和稳定性，为AChE的固定化提供了一个高效的平台。

2 结论与展望

该文综述了近年来关于石墨烯电化学生物传感器的研究进展，讨论了各类传感器的性能，虽然近几年关于石墨烯电化学生物传感器的应用越来越多，也取得了一些进步，但就传感器的电催化效率、生物相容性、实时分析、再现性与成本方面还需要不断改进，未来生物传感器研究也要更注重于石墨烯及其相关材料传感器的便携式、低噪音、可靠性和同时多路复用等方面，使基于石墨烯及其衍生物的生物电化学传感器能够从理论研究应用到市场商品化中。

[1]Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films[J].Science,2004,306:666-669.

[2]Sungjin P,Ruoff R S.Chemical methods for the production of graphene[J].Nature Nanotechnology,2009,4(4):309-309.

[3]Zhou Ming,Zhai Yueming,Dong Shaojun.Electrochemical sensing and biosensing platform based on chemical reduced graphene oxide[J].Analytical Chemistry,2009,81(14):5603-5613.

[4]Wu Lin,Cao Shuchao,Yi Delian,et al.Progress on enzyme biosensor[J].Transducer Techn,2005,24(7):3.

[5]Huang Wei,Ding Shujiang,Chen Yong,et al.3D NiO hollow sphere/reduced graphene oxide composite for high performance glucose biosensor[J].Scientific Reports,2017,5220(7):2045-2322.

[6]Yang Minho,Jeong Jae-Min,Kyoung G Lee,et al.Hierarchical porous microspheres of the Co3O4@graphene with enhanced electrocatalytic performance for electrochemical biosensors[J].Biosensors and Bioelectronics,2017,89:612-619.

[7]Wang Xiaojuan,Guo Xinli,Chen Jian,et al.Au nanoparticles decorated graphene/nickel foam nanocomposite for sensitive detection of hydrogen peroxide[J].Journal of Materials Science&Technology,2017,33(3):246-250.

[8]Chen Dandan,Zhuang Xuming,Zhai Jian,et al.Preparation of highly sensitive Pt nanoparticles-carbon quantum dots/ionic liquid functionalized graphene oxide nanocomposites and application for H2O2detection[J].Sensors and Actuators B,2018,255:1500-1506.

[9]Tıg G A.Development of electrochemical sensor for detection of ascorbic acid,dopamine,uric acid and L-tryptophan based on Ag nanoparticles and poly(L-arginine)-graphene oxide composite[J].Journal of Electroanalytical Chemistry,2017,807:19-28.

[10]Yan Xiaoyi,Gu Yue,Li Cong,et al.Morphology-controlled synthesis of Bi2S3nanorods-reduced graphene oxide composites with high-performance for electrochemical detection of dopamine[J].Sensors and Actuators B,2018,257:936-943.

[12]Istrate O M,Rotariu L,Bala C.Electrochemical determination of NADH using screen printed carbon electrodes modified with reduced grapheme oxide and poly(allyaminehy drochchloride)[J].Microchim Acta,2016,183(1):57-65.

[13]Palanisamy S,Ramaraj S K,Chen S M,et al.A novel Laccase Biosensorbased on Laccase immobilized Graphene-Cellulose MicrofiberComposite modified Screen-PrintedCarb on Electrode for Sensitive Determination of Catechol[J].Sci Rep,2017,7,41214:1-12.

[14]Fu Wangyang,Feng Lingyan,Panaitov G,et al.Biosensing near the neutrality point of grapheme[J].Sci Adv,2017,3(10):1-7.

[15]Loan P T K,Dongqin Wu,Chen Ye,et al.Hall effect biosensors with ultraclean grapheme film for improved sensitivity of label-free DNA detection[J].Biosensors and Bioelectronics,2018,99:85-91.

[16]Xu Shicai,Zhan Jian,Man Baoyuan,et al.Real-time reliable determination of binding kinetics of DNA hybridization using a multi-channel graphene biosensor[J].Nat.Commun,2017,8,14902:1-10.

[17]Li Xiaojian,Wang Yaoguang,Shi Li,et al.A novel ECL biosensor for the detection of concanavalin A based on glucose functionalized NiCo2S4nanoparticles-grown on carboxylic graphene as quenching probe[J].Biosensors and Bioelectronics,2017,96:113-120.

[18]Chiu N-F,Kuo C-T,Lin T-L,et al.Ultra-high sensitivity of the non-immunological affinity of graphene oxidepeptide-based surface plasmon resonance biosensors to detect human chorionic gonadotropin[J].Biosensors and Bioelectronics,2017,94:351-357.

[19]Afsahi S,Lerner M B,Goldstein J M,et al.Novel graphene-based biosensor for early detection of Zika virus infection[J].Biosensors and Bioelectronics,2018,100:85-88.

[20]Gong Qiaojuan,Wang Yongdong,Yang Haiying,et al.A sensitive impedimetric DNA biosensor for the determination of the HIV gene based on graphene-Nafion composite film[J].Biosensors and Bioelectronics,2017,89:565-569.

[21]Pal M,Khan R.Graphene oxide layer decorated gold nanoparticles based immunosensor for the detection of prostate cancer risk factor[J].Analytical Biochemistry,2017,536:51-58.

[22]Tang Zhiyong,He Junlin,Chen Jun,et al.A sensitive sandwich-type immunosensor for the detection of galectin-3 based on N-GNRs-Fe-MOFs@AuNPs nanocomposites and a novel AuPt-Methylene blue nanorod[J].Biosensors and Bioelectronic,2018,1:253-259.

[23]Zhao Yu,Li Wenbo,Pan Lijia,et al.ZnO-nanorods/graphene heterostructure:a direct electron transfer glucose biosensor[J].Sci Rep,2016,6,32327:1-7.

[24]Jeong J-M,Yang M H,Kim D S,et al.High performance electrochemical glucose sensor based on three-dimensional MoS2/graphene aerogel[J].Journal of Colloid and Interface Science,2017,506:379-385.

[25]Fan Zengjie,Lin Qianqian,Gong Peiwei,et al.A new enzymatic immobilization carrier based on graphene capsule for hydrogen peroxide biosensors[J].Electrochim.Acta,2015,151:186-194.

[26]Bongiwe Silwana,Charlton van der Horst,Emmanuel Iwuoha,et al.Evaluation of a reduced graphene oxide antimony nanocomposite horseradish peroxidase biosensor matrix for hydrogen peroxide[J].Procedia Technology,2017,27:172-176.

[27]王辉,段玉瑶,李笑,等.基于纳米四氧化三铁/壳聚糖/石墨烯纳米复合膜修饰的乙酰胆碱酯酶生物传感器检测毒死蜱农药[J].现代食品科技,2016,2:276-282.

[28]Cui Huifang,Wu Wenwen,Li Mengmeng,et al.A highly stable acetylcholinesterase biosensor based on chitosan-TiO2-graphene nanocomposites for detection of organophosphate pesticides[J].Biosensors and Bioelectronics,2018,99:223-229.