新型生物传感材料-石墨烯

碳纳米管曾被研究人员广泛应用于生物传感材料，与碳纳米管相比，石墨烯同样是一种理想的生物传感材料，它拥有碳纳米管的廉价、环境友好、生物兼容性以及活性基团均匀分布等优点，同时，由于含有大量的羧基、羟基等官能团，石墨烯具有良好的溶解性能，这是碳纳米管所不具备的。近年来，随着石墨烯研究成果的不断成熟，它在生物传感器以及生物医学领域的应用研究也越来越多。

一、对生物小分子的检测

多巴胺（DA）属儿茶酚类物质，是一种重要的神经递质。精神分裂症和帕金症的重要原因之一即由脑内多巴胺神经功能失调引起的。近年来，基于石墨纳米材料修饰电极对DA电化学行为的研究也引起了科学家的广泛兴趣。Chen等将石墨纳米片－Nafion修饰电极用于对DA的检测，灵敏度为3.695μA·μmol·L^-1·cm^-2，并且实现了对DA的高选择性检测。石墨烯修饰电极用于DA传感器的研究已有报道。Wang等运用石墨烯修饰的玻碳电极选择性检测DA，和多壁碳纳米管相比，石墨烯对DA 检测具有线性范围宽、灵敏度高等优点。Wang等将石墨烯修饰电极用于对DA的选择性检测，其检测范围扩大为5~200μmol·L^-1，这对DA的实际检测具有重要的意义。

扑热息痛（APAP）作为一种治疗感冒的药物，具有解热镇痛等功效，然而过多的服用会引起多器官功能衰竭、使胎儿畸形等毒副作用，因而，建立一种简单、快速、高灵敏、准确的检测方法，对其在药剂和人血液中含量的检测是非常重要的。Kang等用石墨烯修饰电极对扑热息痛进行检测，Guo等用环糊精修饰的石墨烯制备电极对APAP进行测定，其灵敏度为18.7mA·mmol·L^-1·cm^-2，新型石墨纳米材料石墨烯的引入，为APAP的高灵敏、精确检测开拓了新的空间。

此外，抗坏血酸、尿酸、酪氨酸和色氨酸等生物小分子在生物体内都起着至关重要的作用，在临床和诊断中对其检测也提出了很高的要求。

二、酶为基础的生物传感器的应用

近年来，基于酶石墨纳米材料修饰电极的传感器有大量报道。Shan等将经过聚L－络氨酸（PLL）功能化的石墨烯材料修饰到电极表面，再在修饰电极表面吸附辣根过氧化物酶（HRP），发现该修饰电极对于过氧化氢具有良好的电化学响应。Fu等将石墨纳米片、Nafion、葡萄糖氧化酶进行复合后修饰到电极表面，发现其对于葡萄糖具有良好的电化学响应。

Kang等制备了葡萄糖氧化酶－石墨烯－壳聚糖修饰电极，用于葡萄糖的检测。Alwarappan等构筑了基于酶的聚吡咯－石墨烯－葡萄糖氧化酶的生物传感器，用于葡萄糖的检测，其线性范围为0.08~12mmol·L^-1。李岩等在电极表面修饰氧化石墨烯－硫堇（GO-Th）薄膜，将纳米金和葡萄糖氧化酶（GOD）固定在玻碳电极表面，制得一种电流型葡萄糖生物传感器。该生物传感器对葡萄糖的线性范围为1.0×10^-9~5.7×10^-5mol·L^-1，检测下限为5.0×10^-10mol·L^-1，该传感器具有制备方法简单、灵敏度高、稳定性好等特点。Lu等制备了石墨烯－辣根过氧化酶（HRP）电极，构建了过氧化氢生物传感器。石墨纳米材料的引进为基于酶的生物传感器高灵敏、宽范围的检测提供了一种新的方法，在基于酶生物传感器的应用中具有广阔的前景。

三、生物大分子的检测

除了在小分子检测、基于酶的生物传感器中得到广泛的应用外，科学家还将石墨纳米材料修饰电极在其他生物传感器中的应用做了大量的研究。Jung等采用一种高灵敏、高选择性的，基于氧化石墨烯的免疫性传感器检测病原。Mohanty等用功能化的氧化石墨稀和胺基化的石墨烯构筑了DNA传感器。电化学DNA生物传感器是近年来发展起来的一种新的DNA检测技术。它是利用已知序列的单链DNA分子作为分子识别元件和检测用的电活性杂交指示剂构成。单链DNA分子又称DNA探针，按DNA 碱基配对原理，探针能够识别样品中的靶DNA并与之结合。当固定在电极上的单链DNA与样品中互补的单链DNA链相遇时，就会发生杂交反应，反应体系的电流、电导或电压等电化学信号会发生改变，通过对电化学信号变化的检测可对样品中DNA的序列和含量加以测定。石墨纳米材料修饰电极还用于构筑细菌、病毒类以及细胞等生物传感器。王延平等用石墨烯（RGO）作载体，凝血酶适体（TBA）作探针，凝血酶为目标蛋白，电化学阻抗谱（EIS）为检测技术，建立了检测蛋白质的方法，测定凝血酶的线性范围为0.3~10fmol·L^-1，检出限为0.26fmol·L^-1。石墨纳米材料的发展，对生物传感器的快速发展以及实际检测的应用等提供了很大的空间，在生物传感器高灵敏、实时检测、高选择性中具有很好的发展前景。

四、免疫生物传感器的应用

利用石墨烯独特的电学性质对一些材料进行修饰以及制备性能更好的复合新材料，是当前的研究热点，对该复合材料的电催化性能研究表明，石墨烯也是一种有效的载体材料。

Mao等构建了石墨烯片－亚甲基蓝－壳聚糖为原料的纳米复合材料作为电化学免疫传感器来检测前列腺癌（PSA），方法检测PSA 的检出限为13pg·mL^-1，该传感器还可以应用于血样中PSA的分析；杜璋璋等研究了在磷酸盐缓冲介质中，一种检测癌胚抗原的新型免标记电化学免疫传感器的制备及应用，石墨烯与甲苯胺蓝复合物修饰于玻碳电极表面，试验结果可知：该方法的检出限为0.1μg·L^-1，该传感器具有良好的重现性、选择性和稳定性，用于人血清样品的测定，获得满意结果；Wei等建立高铁血红素修饰石墨烯纳米片（HGN）作为电化学免疫传感器测定Ｌ－络氨酸，该免疫传感器的检出限7.5×10^-8　mol·L^-1，线性范围为5×10^-7~2×10^-5mol·L^-1。吴秀玲等研究了在磷酸盐缓冲介质中，一种检测癌胚抗原的新型免标记免疫电化学传感器的制备，将石墨烯、二茂铁的高效催化及壳聚糖的优良生物兼容性和成膜性、离子液体的导电性等优势充分结合构建了电化学免疫传感器。在最优条件下，癌胚抗原的质量浓度在0.2~50.0μg·L^-1范围内与峰电流呈线性关系，线性回归方程为Δi＝0.38-1.31ρ，相关系数为0.9967，检出限为0.06μg·L^-1，该传感器可用于人血清样品的测定。王玲玲等将石墨烯和壳聚糖的复合物滴涂到玻碳电极表面，利用壳聚糖对纳米金的吸附将其修饰到上述电极，以纳米金对抗体的良好亲和力将酪蛋白抗体修饰到电极表面制成免疫传感器，复合膜中的石墨烯、壳聚糖和纳米金具有较好的生物兼容性，有效地提高了传感器的稳定性，在优化条件下，响应电流与酪蛋白质量浓度的对数在10~10 000g·L^-1范围内呈线性关系，检出限为2g·L^-1。

目前，石墨烯在生物传感领域的应用还处于方兴未艾的阶段，随着石墨烯越来越多的特性为人们所发掘，石墨烯在生物传感上的应用范围也将越来越广阔。功能化石墨烯也被越来越多的科学工作者所青睐，可以预期石墨烯及其复合材料将尽早地应用于国民经济生活的各个领域，石墨烯的研究将推向更宽广的领域。