納米生物檢測是目前納米科學(xué)、生物化學(xué)及診斷技術(shù)相結(jié)合的新的重要研究方向。石墨烯由于具有優(yōu)良的電子、光學(xué)、熱學(xué)、化學(xué)和機(jī)械性質(zhì)，使其具有構(gòu)筑探針分子和信號傳遞并放大的三重作用，成為應(yīng)用于超靈敏生物傳感器的理想材料。快速的電子傳遞和可多重修飾的化學(xué)性質(zhì)使其能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確而高選擇性的生物分子檢測。石墨烯及其復(fù)合材料越來越多地被應(yīng)用到生物傳感器的制備中。本文綜述了近幾年石墨烯及其衍生物在生物傳感器研究中的進(jìn)展，包括修飾石墨烯的各種材料、多種生物活性物質(zhì)在石墨烯表面的直接電子轉(zhuǎn)移和石墨烯在酶傳感器、免疫傳感器、基因傳感器以及一些生物小分子的檢測等方面的研究。

　　1、引言

　　石墨烯(graphene)是2004年被發(fā)現(xiàn)的一種新型碳納米材料，由于具有理想的平面二維結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的電子性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、機(jī)械性質(zhì)等，使其在電子、機(jī)械、醫(yī)藥及航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域具有極好的應(yīng)用前景，它是繼碳納米管后新興的被認(rèn)為極具理論和應(yīng)用前景的碳納米材料。

　　石墨烯由碳原子以sp2雜化結(jié)構(gòu)連成的單原子層構(gòu)成，厚度僅為0.34nm。石墨烯的單原子厚度和二維的平面結(jié)構(gòu)提供了它極大的比表面積，使其可用來負(fù)載大量的各種分子，包括金屬、生物分子、熒光分子和多種藥物等，從而使其在生物分子的檢測、分離和純化以及藥物靶向輸送等方面具有許多潛在的應(yīng)用。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，因而其結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。石墨烯最大的特性是在低溫下具有極高的電子遷移率，文獻(xiàn)報(bào)道值達(dá)到250000cm2·V-1·s-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度，并且在10—100K幾乎不受溫度影響。作為單原子平面二維晶體，石墨烯不尋常的電子結(jié)構(gòu)、特異的電子性能和極好的電子運(yùn)輸能力，使其在高靈敏度檢測領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢。同碳納米管相比，石墨烯不含有金屬雜質(zhì)，更容易分散，具有更大的比表面積，對電活性物質(zhì)及生物分子具有更高的負(fù)載量，可以提供更均勻、更大的電活性位點(diǎn)分布，而且生產(chǎn)成本低，其優(yōu)越的電子性能和化學(xué)性能使其成為制備生物傳感器的理想材料。

　　作為傳感器的基礎(chǔ)材料，石墨烯具有多功能性。一方面，石墨烯的高導(dǎo)電性，結(jié)合一些生物電活性分子的氧化還原特性，可以通過其在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生相應(yīng)的電流信號來檢測目標(biāo)分子。另一方面，石墨烯的雙極性，即無論是電子接收基團(tuán)還是電子給予基團(tuán)被吸附到石墨烯上都能導(dǎo)致其產(chǎn)生化學(xué)門極(chemicalgating)，因而在電阻型傳感器中很容易被監(jiān)測到。結(jié)合石墨烯的超高比表面積和特殊的電子特征，意味著任何分子打破石墨烯的完整結(jié)構(gòu)都會造成導(dǎo)電性的變化，從而很容易被檢測到。因而石墨烯被預(yù)期可以進(jìn)行高靈敏監(jiān)測，甚至可以監(jiān)測到單個(gè)分子吸附或離開石墨烯的表面。此外，由于石墨烯是由sp2雜化C組成的大π共軛體系，使其成為理想的電子對受體，當(dāng)遇到電子對給體時(shí)會發(fā)生電子轉(zhuǎn)移，即能量轉(zhuǎn)移。理論和實(shí)驗(yàn)研究都顯示，相比有機(jī)猝滅劑，石墨烯對多種有機(jī)染料和量子點(diǎn)具有超強(qiáng)的猝滅效率，并具有低背景和高信噪比，因而可用來制備熒光共振能轉(zhuǎn)移(fluorescenceresonanceenergytransfer，F(xiàn)RET)生物傳感器。石墨烯基的生物傳感器包括電流型傳感器、電阻型傳感器、場效應(yīng)晶體管傳感器(field-effecttransistors，F(xiàn)ETs)、FRET傳感器等。通過石墨烯豐富的表面官能團(tuán)修飾目標(biāo)分子，既能快速傳遞電子，又能實(shí)現(xiàn)生物分子的選擇性檢測。對于將石墨烯應(yīng)用于生物傳感器，由于它具有很好的化學(xué)性質(zhì)，可以固定多種生物分子，因而超出了普通碳電極的應(yīng)用范圍，如通過用葡萄糖氧化酶(GOx)對石墨烯進(jìn)行功能化，可以做成葡萄糖酶基傳感器;通過用DNA對石墨烯進(jìn)行功能化，可以做成基因傳感器;通過用抗體修飾石墨烯，可以制成免疫傳感器等(見圖1)。這種石墨烯表面可被多種生物活性分子修飾并保持其活性不變的性質(zhì)使其在基因、免疫診斷等醫(yī)學(xué)化學(xué)領(lǐng)域有極大的應(yīng)用潛力。同時(shí)，結(jié)合其優(yōu)異的導(dǎo)電性，可以直接感知和放大界面物質(zhì)的變化，從而把生物識別和信號的轉(zhuǎn)換處理結(jié)合在一起，因而石墨烯是發(fā)展第三代生物傳感器最理想的材料。

圖1 基于GO電極的電化學(xué)應(yīng)用示意圖

　　石墨烯氧化后表面產(chǎn)生了豐富的含氧官能團(tuán)，但同時(shí)也破壞了它完整的大π共軛體系，進(jìn)而對其電子、機(jī)械和電化學(xué)性能等有很大影響。相比氧化石墨烯(GO)，還原的氧化石墨烯(rGO)具有更好的導(dǎo)電性，研究表明，rGO修飾的電極對一些生物活性分子顯示出更好的電化學(xué)響應(yīng)。但rGO在水溶液中很不穩(wěn)定，由于較強(qiáng)的π-π共軛及疏水相互作用等原因很容易彼此聚集在一起，因而一般將其分散于水溶性高分子溶液如Nafion、聚乙烯吡咯烷酮等溶液中或先用水溶性及生物相容性的大分子修飾它，使其能很好地分散于溶液中，才能用于制備均勻且穩(wěn)定的膜修飾電極。常用于修飾石墨烯的大分子包括血色素(Hb)、細(xì)胞色素c、聚賴氨酸和殼聚糖等。另一方面，也可以用DNA等生物相容性分子先修飾GO，再將其還原，也可以得到穩(wěn)定分散的rGO溶液。由于金屬及其氧化物具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和催化性能，為了增強(qiáng)石墨烯基修飾電極的電子轉(zhuǎn)移性能和提高電化學(xué)反應(yīng)速率，一些金屬及其氧化物如金、鉑、Fe3O4、MnO2、TiO2和ZnO等納米粒子也通過原位化學(xué)還原、物理吸附和電化學(xué)沉積等方法被負(fù)載在石墨烯表面上，制成復(fù)合雜化材料作為電極修飾材料。其中金納米粒子(AuNPs)是廣泛應(yīng)用的生物納米材料，具有大比表面積、強(qiáng)的吸附能力、好的適應(yīng)性和導(dǎo)電性，它與許多生物材料有很強(qiáng)的相互作用，常被用作固定抗體、DNA、酶等，它可有效地保護(hù)這些生物分子的活性并增強(qiáng)電流響應(yīng)。

　　雜原子摻雜是另一種提高石墨烯生物傳感性能的有效方法，其中氮原子摻雜在調(diào)節(jié)碳材料電子性能方面扮演了重要角色。Wang等通過對石墨烯進(jìn)行氮的等離子處理制備了氮摻雜的石墨烯，這種氮摻雜石墨烯對H2O2的還原顯示了很高的電催化活性，并實(shí)現(xiàn)了GOx的快速直接電子轉(zhuǎn)移。與石墨烯結(jié)構(gòu)相近的碳納米管(CNTs)是1991年發(fā)現(xiàn)的另一種碳納米材料，也具有優(yōu)異的電子、光學(xué)、機(jī)械和熱性能等，二者相結(jié)合可為石墨烯帶來更好的電化學(xué)性能。Li課題組采用CNTs與GO組裝，并結(jié)合辣根過氧化物酶(HRP)，所制備的修飾電極對H2O2和NaNO2顯示了優(yōu)異的電催化性能。他們進(jìn)一步通過層層組裝的方法構(gòu)建了一種CNTs和rGO復(fù)合的高靈敏免疫傳感器。

　　此外，離子液體(ionliquid，IL)是一種處于液態(tài)的離子化合物，由于具有極好的導(dǎo)電性、溶解性和熱穩(wěn)定性，且電化學(xué)窗口寬，因而也常用來與石墨烯一起制成復(fù)合材料修飾電極。Mohanty等最初報(bào)道了基于GO的單細(xì)胞生物器件、無標(biāo)記的DNA傳感器，細(xì)菌、DNA/蛋白質(zhì)和聚電解質(zhì)的化學(xué)傳感器的制備。隨后關(guān)于將石墨烯應(yīng)用于納米生物傳感器的研究受到了極大關(guān)注�；�于石墨烯的生物傳感器的研究已經(jīng)廣泛涉及到氣體分子檢測、金屬離子檢測和多種生物分子檢測等。高靈敏度、高選擇性、快速和廉價(jià)的生物分子檢測對于臨床診斷和治療是非常重要的。關(guān)于石墨烯基的生物分子檢測主要包括葡萄糖、H2O2、病毒、蛋白質(zhì)、DNA等的檢測。

　　結(jié)論與展望

　　石墨烯作為一個(gè)具有單層、二維碳納米結(jié)構(gòu)的新型材料，具有極大的比表面積和優(yōu)異的電子、化學(xué)和機(jī)械性能，并具有很好的生物相容性，其在酶的直接電化學(xué)、生物小分子的電化學(xué)檢測和在生物及環(huán)境電分析中都具有極其優(yōu)異的性能�；�于石墨烯的生物傳感器及器件對于多種生物小分子、蛋白質(zhì)(包括病毒和癌癥標(biāo)記物等)和DNA等的檢測都顯示了很好的靈敏度和選擇性，是用于構(gòu)建高效、快速、靈敏檢測的生物傳感器的理想材料。然而還有一些影響石墨烯在生物傳感器中應(yīng)用的因素需進(jìn)一步詳細(xì)研究，如石墨烯中含氧官能團(tuán)部分對其電化學(xué)性能的影響，如何制備具有高導(dǎo)電性且溶液分散性能好的石墨烯，雜原子摻雜對石墨烯電化學(xué)性能及穩(wěn)定性的影響，傳感器中生物分子與石墨烯的連接方式和相互作用，石墨烯在不同生物傳感應(yīng)用中的生物相容性問題，石墨烯的大規(guī)�？煽刂苽浞椒ǖ龋�這些石墨烯基材料的相關(guān)研究將打開生物傳感器研究領(lǐng)域的新方向。