基于石墨烯及其相关材料高分析性能传感器研究进展

雷新有 左国防 王鹏 张建斌

（1. 甘肃省高校新型分子材料设计与功能省级重点实验室，天水 741000；2. 天水师范学院化学工程与技术学院，天水 741000）

纳米材料具有优异的导电性能、大的比表面积、良好的生物相容性。近年来，传感器与各种纳米材料，如金属（Ni、Cu、Au及Pt）、金属氧化物（ZnO、SnO2及Fe2O3）纳米线、半导体（Si、InP、GaN），CdSe、CdTe、CdSeTe量子点、碳纳米管（CNT）和金属纳米粒子（Au、Cu、Co、Ag及Pt）的结合，显著提高了传感器的分析性能［1-4］。基于独特的物理、化学及电化学性质，新型碳纳米材料——石墨烯也广泛应用于传感器的制备，并表现出良好的分析性能。

石墨烯是一种二维碳平面结构，氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）含有羧基、羟基、环氧基等功能基团，碳氧比约3∶1［5］。氧功能基团的存在提高了石墨烯表面异相电子和电荷传递速率，并增强了水溶性和生物相容性［6］。GO经化学还原获得的还原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide，RGO），残余的含氧基团和结构缺陷，赋予该纳米材料新的性能。其导热率可与掺杂导电聚合物材料相媲美，分别比Si和GaAs高36倍和100倍［7］。

基于石墨烯特殊的化学结构，在传感器的构建方面表现出比其他材料更加优良的性能。例如，单层石墨烯呈原子层厚度，具有极高的比表面积。所有碳原子可以直接与反应物相互作用，使这种材料对环境条件的变化高度敏感，从而比硅纳米线或碳纳米管具有更高的灵敏性，有助于发展制备高灵敏的电化学和生物传感器。与一维碳纳米管相比，石墨烯在电化学和生物传感器中的应用具有两个突出优点：一是石墨烯不含干扰电化学性质的金属杂质；二是生产石墨烯所用原料价格低廉。此外，石墨烯还可以通过π-π堆积以及氢键相互作用等方式很容易与生物分子结合，具有低噪比、灵活的功能化、可溶液加工，以及生物相容性的优势［8］。

石墨烯在传感领域中的应用一般通过功能化来实现。石墨烯功能化一般有以下几种方法：（1）从原位合成得到高强度的聚合物导电材料。例如，在GO分散液中原位聚合苯胺制备GO/PANi（聚苯胺）复合材料；（2）通过疏水或静电相互作用，将纳米颗粒固定于石墨烯表面，提高其导电性和热稳定性。例如，通过原位生长和溶液混合还原金属离子，石墨烯表面的含氧基团促进了金属纳米颗粒的成核，获得了石墨烯/纳米粒子复合材料；（3）功能有机分子通过π-π、静电相互作用等非共价方式，或通过共价结合作用于石墨烯平面或边缘，获得新的功能化纳米复合材料。如金属卟啉和金属酞菁通过π-π相互作用以非共价方式结合石墨烯，可用于作为DNA传感的示踪标记［9］；（4）生物分子，如DNA、蛋白质、肽和纤维素的各种表面官能团可以通过物理吸附或化学键合等方式修饰于石墨烯表面［10］。近几年，各种文献已从不同的角度综述了石墨烯基传感器和生物传感器，本文主要从提高传感器分析性能方面探讨石墨烯基纳米复合材料在临床、环境、食品安全领域对各种分析物的检测，比较了石墨烯基传感器和生物传感器的优点与不足，并对这一新型传感材料在未来的研究趋势进行了评论。

近年来，基于石墨烯和石墨烯相关材料（GO和RGO）为基础的传感器和生物传感器在临床、环境和食品安全等领域已有大量报道。大多数传感器是基于电化学传导机制。此外，光学和压电传感机制也有报道。本文主要通过灵敏度、检测限等数据对传感器的分析性能进行综合评价。

1 石墨烯

以石墨烯为基础的传感器和生物传感器在临床、环境和食品安全中的应用包括：葡萄糖、胆固醇、过氧化氢（H2O2）、多巴胺（Dopamine，DA）、抗坏血酸（Ascorbic acid，AA）、尿酸（Uric acid，UA）、癌胚抗原（Carcino-embryonic antigen，CEA）、甲胎蛋白、凝血酶等临床检测；金属离子，如Cd2+和Pb2+，农药，如甲基对硫磷、毒死蜱、呋喃等环境分析；红霉素、色胺和金黄色葡萄球菌的食品安全检测等。石墨烯与聚合物或纳米粒子的结合可以显著增强传感器的响应，提高检测的灵敏性。关于石墨烯为基础的传感器和生物传感器的应用已有多篇文献综述［11-15］，限于篇幅，本文不再赘述。

尽管石墨烯为基础的传感器和生物传感器在应用中表现出优异的性能，然而，石墨烯表面缺乏功能基团导致其水溶性和在大多数有机溶剂中溶解度低，限制了这种材料在实际工作中的应用。因此，在传感器领域，研究者更加关注具有良好水分散性和生物相容性，比表面大，表面修饰灵活以及制备简单的GO（含氧）及其衍生物。

2 氧化石墨烯

基于GO的传感器和生物传感器主要用于临床和环境分析，如葡萄糖、DNA、凝血酶、MMP-2（基质金属蛋白酶-2）、Hg2+、氨和甲醛等的检测［16-17］。GO结合其它纳米粒子可以显著提高传感器的灵敏度和检测限。

2.1 临床分析

Pt纳米粒子与GO结合，用于葡萄糖的电化学检测。与无GO生物传感器相比，检测H2O2时，催化电流信号提高了12倍。GO/Pt纳米复合材料更大的比表面积显著提高了电子转移速率，当应用于葡萄糖检测时，与单纯的Pt纳米材料相比，Pt/GO生物传感器的灵敏性增加了25倍［18］。

在临床诊断及基因表达分析中高灵敏和选择性检测DNA是非常重要的，研究者提出了一种快速、经济的生物传感装置。例如，GO和HRP模拟脱氧核酶制备了DNA检测的化学发光生物传感器，基于GO高荧光猝灭效率，可显著提高传感器的化学发光信号并获得了良好的检测限（34 pmol/L）［19］。另一种基于GO的荧光生物传感器在高灵敏DNA检测时获得了更好的检测限（4 pmol/L）。在GO存在的情况下，传感平台中目标物荧光强度（10 nmol/L）与空白的比值，从无GO的4.879增加到17.83，即信号-背景比显著增强，证明了荧光DNA生物传感器可用于DNA高灵敏检测［17］。

基于多层GO的荧光共振能量转移（Fluorescence resonance energy transfer，FRET）机制的电化学适体传感器［20］应用于凝血酶的检测，检测限分别显示为0.001 nmol/L和0.07 nmol/L。多层GO/FRET传感器的优势表现在用蒸馏水清洗，可获得4次再生。另一种光学FRET生物传感器报道了MMP-2检测［21］，检测限为2500 pg/mL。当应用于复杂的人血清样品分析时，GO的荧光猝灭能力及其对生物分子独特的吸附特性在生物分子检测时有利于提高精密度（RSD≤7.03%），加速响应时间（＜3 h）。研究者［23］制备了一种对凝血酶检测的GO无标记生物适体阻抗传感器，并与石墨氧化物、RGO和电化学还原RGO等不同方法制备的一系列石墨烯相关材料的传感性能进行了比较。结果表明，相比较于其它三种石墨烯相关材料修饰电极，基于GO的传感器产生的凝血酶阻抗信号变化最大。

2.2 环境分析

在环境分析中，基于GO的电化学传感器应用于Hg2+检测，获得了不同数量级的检测限。如GO/Au纳米结构传感器，对Hg2+的检出限为1.9 ppb［22］，这比当前WHO（世界卫生组织）标准（6 ppb）更低［23］。离子液体/Au纳米粒子复合物与GO结合的电化学传感器，Hg2+检测限低至0.03 nmol/L，并得到了宽的线性范围（0.1-100 nmol/L）［24］。此外，这种传感器可以在HNO3、KCl和EDTA的溶液中搅拌浸泡重复再生使用，RSD为2.6%。最近，基于FRET机制的碳点标记寡聚核苷酸/GO荧光生物传感器用于Hg2+的检测，获得了更低的检出限（2.6 nmol/L）［33］，低于饮用水的标准值。GO作为寡聚核苷酸为基础的Hg2+荧光传感检测是基于其低背景，可以通过疏水及π-π堆积相互作用吸附染料标记寡聚核苷酸，同时通过FRET机制猝灭染料荧光。该传感器对柑桔叶片样品中Hg2+进行了测定，与采用标准方法得到的结果高度一致［25］。

研究者也报道了基于GO通过石英晶体微天平（Quartz crystal microbalance，QCM）检测氨的压电传感器［26］。研究表明，基于GO层的压电传感器性能在整个检测范围（100-1700 ppm）是无GO传感器的两倍，高检测性能是基于GO层高弹力模量，抑制了QCM表面能损失，GO作为隔离层提供了简单的方式实现了高稳定的QCM压电传感。最近，另一种基于正电荷聚乙烯亚胺和负电荷GO组装在纤维素醋酸纳米纤维表面的氨QCM传感器也获得了良好的检测限（1 ppm）和高灵敏性（9 Hz）［27］。在3D纤维素醋酸纳米纤维/聚乙烯亚胺/GO复合结构中，GO在传感器表面分散性好，3D结构提供了氨高扩散的通道。研究者也以GO制备了检测甲醛的QCM传感器［28］，传感器良好的稳定性（＞100 d）可能是由于GO功能基团和甲醛之间通过氢键断裂发生了可逆的吸附-脱附过程。该传感器在各种常见的挥发性物质如乙醇、丙酮、氯仿、苯、甲苯共存时，对甲醛的检测获得了高响应（频移）值，证明其具有高选择性。

3 还原氧化石墨烯

基于RGO的传感器和生物传感器主要用于：（1）临床分析，如葡萄糖、H2O2、DA、AA、UA、CEA的检测；（2）环境分析，如对17-β雌二醇、双酚A、甲烷的检测；（3）食品分析，如Pb2+、亚硝酸盐、呋喃丹、西维因的检测。RGO与纳米材料［29］或与聚合物结合［30］增强了传感器的分析性能，显著提高了灵敏性。

3.1 临床分析

各种基于RGO的葡萄糖检测的电化学传感器和生物传感器近几年报道较多。例如，RGO与聚吡咯、Au纳米粒子构建了葡萄糖检测的电化学生物传感器［31］，该传感器高灵敏性（123.8 μA mM-1cm-2）是由于RGO大的比表面积和高导电性促进了电子转移。Au纳米粒子在RGO表面均相分布，葡萄糖氧化酶与Au纳米粒子、聚吡咯、RGO形成了生物相容性良好的纳米复合物，降低了酶与电极之间的能量壁垒，发生了快速的电子转移。

基于RGO的非酶葡萄糖传感器近年来在检测限和灵敏性方面，均获得了良好的分析结果。研究表明，纳米材料与RGO协同作用，显著提高了传感性能，获得了较宽的线性检测范围和高灵敏性。例如，基于RGO和NiO纳米纤维［32］或 Co3O4纳米线［33］修饰电极的葡萄糖电化学生物传感器，检测限分别为0.77 mmol/L和25 nmol/L，灵敏性分别为1 100和3390 μA mM-1cm-2。Co3O4纳米线高催化活性与RGO大面积高导电性有助于葡萄糖良好的传感检测。NiO纳米纤维复合材料良好的检测限是基于Ni纳米纤维微观表面高催化活性以及RGO良好的电化学性能。最近，研究者［34］以石墨烯结合Pt和CuO纳米粒子报道了非酶葡萄糖电化学传感器的制备，该传感器具有极好的灵敏度（3 577 μA mM-1cm-2）和超低检测限（0.01 μmol/L）。传感器保存3个月后，电流响应值减少不到2%。近期，一种基于功能化RGO涂层蚀刻的装置用于葡萄糖检测［35］，获得的线性范围从1 nmol/L-10 mmol/L，检测限为1 nmol/L。即使在10 mmol/L乳糖溶液中，该传感器对葡萄糖的特异性检测也可以从布拉格光栅波长非常小的位移变化观察得到（4 pmol/L）。研究者同时对基于GO和RGO两种石墨烯材料的电化学生物传感器分析信号进行了比较，研究表明，RGO较GO生物传感器对葡萄糖检测显示了较高的电流信号，表明RGO促进了酶和石墨烯材料之间快速的电子转移过程［29］。

基于RGO-MWCNT（多壁碳纳米管）-Pt纳米粒子复合材料的肌红蛋白电催化H2O2生物传感器，达到了6 pmol/L的检测限［36］。三维RGO-MWCNTPt杂化材料中Pt纳米粒子良好的电催化性能，以及肌红蛋白高电活性，解释了这种检测限。研究者也首次报道了基于Au纳米标记的RGO-HRP（辣根过氧化物酶）电化学DNA生物传感器的制备［37］。三元石墨烯纳米结构可以在aM量级检测DNA（5 amol/L），是基于Au纳米粒子高导电性以及HRP功能化RGO将每个目标杂交反应与DNA信号扩增的多酶促反应相关。同时基于血红素功能化RGO检测AA、DA和UA的电化学生物传感器，也获得了良好的分析性能［38］。RGO大的比表面积增强了电化学生物传感器的响应，并且，RGO丰富的表面化学性质通过阳离子-π或π-π相互作用进一步促进血红素的催化活性和稳定性。此外，肌红蛋白和RGO显著的协同效应，使肌红蛋白功能化的RGO增强了静电相互作用和电导性，表面附着的血红素和功能化RGO大量的羧基官能团可以通过氢键提供选择性界面，从而促进了生物传感器的发展。

研究者也使用RGO和Ag纳米颗粒构建了CEA检测的电化学免疫传感器［39］。通过线性扫描溶出伏安曲线，从石墨烯修饰电极获得尖锐的溶出峰曲线，表明RGO能够沉积Ag纳米粒子并加速了电子转移速率，有效提高了检测灵敏性。此外，实验也证明了GO电化学还原后获得RGO，使免疫传感器溶出峰进一步增强，产生了更高的灵敏度。最近，关于RGO和导电聚合物PEDOT/PSS［聚（3，4-乙基二氧噻吩/聚（苯乙烯磺酸盐）］制备的传感器结构对CEA检测，获得加强的电化学性能及信号稳定性［30］。与PEDOT/PSS相比，PEDOT/PSS/RGO导电性增加了270倍（从1.16×10-4S cm-1增强到3.12×10-2S cm-1），即PEDOT/PSS/RGO显示出优良的电化学活性和更快的电荷转移动力学。因此，该电极可替代昂贵的传统电极，如氧化铟锡电极（Indium tin oxide electrode，ITO）、Au和玻碳电极（Glassy carbon electrode，GC）的潜质，可以用作灵活、环境友好的肿瘤高灵敏检测生物标记平台（25.8 μA ng-1mL cm-2）。

3.2 环境分析

基于RGO/磁纳米颗粒（Fe3O4纳米磁珠）的分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymer，MIP）电化学传感器应用于水体中的17β-雌二醇的检测［40］，检测限低至0.819 nmol/L，这可能是由于Fe3O4纳米磁珠/RGO复合材料增强了电流响应。基于壳聚糖/RGO/磁性纳米粒子传感器也用于双酚A的电化学检测，其中RGO是作为有效的电子促进剂电催化了双酚A的氧化，由磁性纳米粒子/RGO复合材料构成的电极降低了双酚A的氧化过电位，提高了检测灵敏度，检测限低至1.7×10-8mol/L-1，RSD为2.69%，即表现出极好的重现性。保存2周后，保留了92.3%的最初响应值，表明该传感器具有良好的稳定性［41］。

3.3 食品分析

传感器或生物传感器与RGO的结合，在食品安全检测，如Pb2+、亚硝酸盐、呋喃丹、西维因的检测方面应用广泛。食品中的重金属Pb2+污染是发展中国家面临的非常严重的问题。基于RGO的传感器可应用于自来水、果汁、皮蛋和茶叶样品中Pb2+的测定［42］。该传感器通过电化学沉积将RGO沉积于电极表面，由于RGO显著增加了电极表面活性面积，促进较高的电子转移。传感器对Pb2+显示出宽的线性响应（5-200 ppb）、高灵敏和高选择性检测，共存Cd2+（＜50 ppb）和Cu2+（＜100 ppb）不干扰测定。基于RGO和Fe3O4磁性纳米粒子修饰的电化学传感器也灵敏地检测亚硝酸盐［43］。非均相电子转移常数表明RGO作为电子载体促进了纳米Fe3O4颗粒和电极表面间的电子转移。将该传感器应用于香肠样品中Pb2+的测定，获得了良好的传感性能，与参考方法测量的值具有很好的一致性。RGO/CoO纳米颗粒复合材料传感器应用于呋喃丹检测［44］。由于组合的协同效应，有助于增强CoO的催化性能，提高电荷转移速率。该电化学传感器应用于水果和蔬菜等实际样品中呋喃丹的检测，取得了良好的精度和满意的回收率（96%-104%），证实了传感器的稳定性和敏感性。该传感器的分析结果与参考方法高效液相色谱法具有高度一致性。

4 展望

本文综述了近年来石墨烯及其相关材料在临床分析、环境监测或食品质量控制等传感领域中的应用研究进展，对各种基于石墨烯传感系统的分析性能进行了比较。电化学传导机制的石墨烯及其相关材料的传感器和生物传感器的优良分析性能是基于这种结构材料比表面积大、生物相容性好、导电率高、电子传递速率快以及固定酶能力强等特点。

石墨烯及其相关材料为基础的传感器可以从活细胞或环境样品中选择性实时检测生物分子，结合其它纳米材料或聚合物制备的石墨烯纳米复合材料，在电化学和生物传感领域促进了传感器分析性能的显著提高。但在实际应用中，其反应条件仍需优化，以减小或抑制干扰因素。石墨烯基传感器一般仅限于在单一运行状态下对单一组分进行检测，而在工业应用中，则要求在更短时间内实现复杂环境样品的多重分析，进一步提高检测灵敏性和选择性，增强稳定性和重复使用性，克服毒性和生物不容性。便携式、芯片化传感器具有更加强大的特性，在最近几年石墨烯基传感器制备与应用中取得了较大的进步。最近，大量的文章报道了结合石墨烯集成制备的MIP传感器和生物传感器，由识别元素集成的MIP，由于制备简单，选择性高，稳定性好，耐热性强，成本低廉，在传感器和生物传感器领域引起了研究者的关注［45］。

此外，石墨烯基传感器的纳米构建也面临着许多挑战［46］。首先，精确控制尺寸、形状的石墨烯片单分散合成仍然具有挑战性。第二，在催化作用下的石墨烯与分析物分子电极反应间的传感机制在理论层面仍然存在许多有待进一步理解的方面。第三，石墨烯基传感系统微结构的纳米构建仍然需要精确设计，以减少石墨烯片的聚集，即合成石墨烯基纳米材料架构的精细控制非常重要。尽管面临诸多问题，基于石墨烯这一新型材料的传感器和生物传感器在实时临床诊断、在线环境监测以及食品安全控制等领域优良的检测分析性能，其在传感领域显示出光明的应用前景，将促使研究者进一步加强石墨烯基传感系统的深入研究。