新型碳纳米材料—石墨烯及其衍生物在生物传感器中的应用

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)天津出入境检验检疫局工业产品安全技术中心 作者:李晶

  纳米生物检测是目前纳米科学、生物化学及诊断技术相结合的新的重要研究方向。石墨烯由于具有优良的电子、光学、热学、化学和机械性质,使其具有构筑探针分子和信号传递并放大的三重作用,成为应用于超灵敏生物传感器的理想材料。快速的电子传递和可多重修饰的化学性质使其能够实现准确而高选择性的生物分子检测。石墨烯及其复合材料越来越多地被应用到生物传感器的制备中。本文综述了近几年石墨烯及其衍生物在生物传感器研究中的进展,包括修饰石墨烯的各种材料、多种生物活性物质在石墨烯表面的直接电子转移和石墨烯在酶传感器、免疫传感器、基因传感器以及一些生物小分子的检测等方面的研究。

  1、引言

  石墨烯(graphene)是2004年被发现的一种新型碳纳米材料,由于具有理想的平面二维结构、独特的电子性质、热学性质、光学性质、机械性质等,使其在电子、机械、医药及航空航天等高技术领域具有极好的应用前景,它是继碳纳米管后新兴的被认为极具理论和应用前景的碳纳米材料。

  石墨烯由碳原子以sp2杂化结构连成的单原子层构成,厚度仅为0.34nm。石墨烯的单原子厚度和二维的平面结构提供了它极大的比表面积,使其可用来负载大量的各种分子,包括金属、生物分子、荧光分子和多种药物等,从而使其在生物分子的检测、分离和纯化以及药物靶向输送等方面具有许多潜在的应用。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,使碳原子不必重新排列来适应外力,因而其结构非常稳定,这种稳定的晶格结构使其具有优异的导电性。石墨烯最大的特性是在低温下具有极高的电子迁移率,文献报道值达到250000cm2·V-1·s-1,远远超过了电子在一般导体中的运动速度,并且在10—100K几乎不受温度影响。作为单原子平面二维晶体,石墨烯不寻常的电子结构、特异的电子性能和极好的电子运输能力,使其在高灵敏度检测领域具有独特的优势。同碳纳米管相比,石墨烯不含有金属杂质,更容易分散,具有更大的比表面积,对电活性物质及生物分子具有更高的负载量,可以提供更均匀、更大的电活性位点分布,而且生产成本低,其优越的电子性能和化学性能使其成为制备生物传感器的理想材料。

  作为传感器的基础材料,石墨烯具有多功能性。一方面,石墨烯的高导电性,结合一些生物电活性分子的氧化还原特性,可以通过其在电极表面发生氧化还原反应而产生相应的电流信号来检测目标分子。另一方面,石墨烯的双极性,即无论是电子接收基团还是电子给予基团被吸附到石墨烯上都能导致其产生化学门极(chemicalgating),因而在电阻型传感器中很容易被监测到。结合石墨烯的超高比表面积和特殊的电子特征,意味着任何分子打破石墨烯的完整结构都会造成导电性的变化,从而很容易被检测到。因而石墨烯被预期可以进行高灵敏监测,甚至可以监测到单个分子吸附或离开石墨烯的表面。此外,由于石墨烯是由sp2杂化C组成的大π共轭体系,使其成为理想的电子对受体,当遇到电子对给体时会发生电子转移,即能量转移。理论和实验研究都显示,相比有机猝灭剂,石墨烯对多种有机染料和量子点具有超强的猝灭效率,并具有低背景和高信噪比,因而可用来制备荧光共振能转移(fluorescenceresonanceenergytransfer,FRET)生物传感器。石墨烯基的生物传感器包括电流型传感器、电阻型传感器、场效应晶体管传感器(field-effecttransistors,FETs)、FRET传感器等。通过石墨烯丰富的表面官能团修饰目标分子,既能快速传递电子,又能实现生物分子的选择性检测。对于将石墨烯应用于生物传感器,由于它具有很好的化学性质,可以固定多种生物分子,因而超出了普通碳电极的应用范围,如通过用葡萄糖氧化酶(GOx)对石墨烯进行功能化,可以做成葡萄糖酶基传感器;通过用DNA对石墨烯进行功能化,可以做成基因传感器;通过用抗体修饰石墨烯,可以制成免疫传感器等(见图1)。这种石墨烯表面可被多种生物活性分子修饰并保持其活性不变的性质使其在基因、免疫诊断等医学化学领域有极大的应用潜力。同时,结合其优异的导电性,可以直接感知和放大界面物质的变化,从而把生物识别和信号的转换处理结合在一起,因而石墨烯是发展第三代生物传感器最理想的材料。

基于GO电极的电化学应用示意图

图1 基于GO电极的电化学应用示意图

  石墨烯氧化后表面产生了丰富的含氧官能团,但同时也破坏了它完整的大π共轭体系,进而对其电子、机械和电化学性能等有很大影响。相比氧化石墨烯(GO),还原的氧化石墨烯(rGO)具有更好的导电性,研究表明,rGO修饰的电极对一些生物活性分子显示出更好的电化学响应。但rGO在水溶液中很不稳定,由于较强的π-π共轭及疏水相互作用等原因很容易彼此聚集在一起,因而一般将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饰它,使其能很好地分散于溶液中,才能用于制备均匀且稳定的膜修饰电极。常用于修饰石墨烯的大分子包括血色素(Hb)、细胞色素c、聚赖氨酸和壳聚糖等。另一方面,也可以用DNA等生物相容性分子先修饰GO,再将其还原,也可以得到稳定分散的rGO溶液。由于金属及其氧化物具有优异的导电性和催化性能,为了增强石墨烯基修饰电极的电子转移性能和提高电化学反应速率,一些金属及其氧化物如金、铂、Fe3O4、MnO2、TiO2和ZnO等纳米粒子也通过原位化学还原、物理吸附和电化学沉积等方法被负载在石墨烯表面上,制成复合杂化材料作为电极修饰材料。其中金纳米粒子(AuNPs)是广泛应用的生物纳米材料,具有大比表面积、强的吸附能力、好的适应性和导电性,它与许多生物材料有很强的相互作用,常被用作固定抗体、DNA、酶等,它可有效地保护这些生物分子的活性并增强电流响应。

  杂原子掺杂是另一种提高石墨烯生物传感性能的有效方法,其中氮原子掺杂在调节碳材料电子性能方面扮演了重要角色。Wang等通过对石墨烯进行氮的等离子处理制备了氮掺杂的石墨烯,这种氮掺杂石墨烯对H2O2的还原显示了很高的电催化活性,并实现了GOx的快速直接电子转移。与石墨烯结构相近的碳纳米管(CNTs)是1991年发现的另一种碳纳米材料,也具有优异的电子、光学、机械和热性能等,二者相结合可为石墨烯带来更好的电化学性能。Li课题组采用CNTs与GO组装,并结合辣根过氧化物酶(HRP),所制备的修饰电极对H2O2和NaNO2显示了优异的电催化性能。他们进一步通过层层组装的方法构建了一种CNTs和rGO复合的高灵敏免疫传感器。

  此外,离子液体(ionliquid,IL)是一种处于液态的离子化合物,由于具有极好的导电性、溶解性和热稳定性,且电化学窗口宽,因而也常用来与石墨烯一起制成复合材料修饰电极。Mohanty等最初报道了基于GO的单细胞生物器件、无标记的DNA传感器,细菌、DNA/蛋白质和聚电解质的化学传感器的制备。随后关于将石墨烯应用于纳米生物传感器的研究受到了极大关注。基于石墨烯的生物传感器的研究已经广泛涉及到气体分子检测、金属离子检测和多种生物分子检测等。高灵敏度、高选择性、快速和廉价的生物分子检测对于临床诊断和治疗是非常重要的。关于石墨烯基的生物分子检测主要包括葡萄糖、H2O2、病毒、蛋白质、DNA等的检测。

  结论与展望

  石墨烯作为一个具有单层、二维碳纳米结构的新型材料,具有极大的比表面积和优异的电子、化学和机械性能,并具有很好的生物相容性,其在酶的直接电化学、生物小分子的电化学检测和在生物及环境电分析中都具有极其优异的性能。基于石墨烯的生物传感器及器件对于多种生物小分子、蛋白质(包括病毒和癌症标记物等)和DNA等的检测都显示了很好的灵敏度和选择性,是用于构建高效、快速、灵敏检测的生物传感器的理想材料。然而还有一些影响石墨烯在生物传感器中应用的因素需进一步详细研究,如石墨烯中含氧官能团部分对其电化学性能的影响,如何制备具有高导电性且溶液分散性能好的石墨烯,杂原子掺杂对石墨烯电化学性能及稳定性的影响,传感器中生物分子与石墨烯的连接方式和相互作用,石墨烯在不同生物传感应用中的生物相容性问题,石墨烯的大规模可控制备方法等,这些石墨烯基材料的相关研究将打开生物传感器研究领域的新方向。

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