石墨烯及其衍生物在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用

章瀟慧

納米科學技術(shù)是當前科學與工業(yè)探索中最引人注目的前沿亮點。自20世紀80年代末發(fā)展以來，它逐步為人類帶來了新的產(chǎn)業(yè)革命，并且受到了廣泛的關(guān)注。作為最尖端的技術(shù)，它已經(jīng)促使材料、生物、信息、環(huán)境、能源等所有領(lǐng)域發(fā)生大的變革，并已經(jīng)貢獻于現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)。在納米材料與技術(shù)的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，利用納米技術(shù)來解決和研究生物學相關(guān)問題，由于涉及到生命最本質(zhì)的問題而顯得格外重要，具有相當廣闊的應(yīng)用前景。

納米生物傳感器是納米生物材料的重要研究領(lǐng)域，相關(guān)的基礎(chǔ)理論研究、器件組裝、性能測試與推廣應(yīng)用受到世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。目前基于不同納米材料研制的生物傳感器相較于傳統(tǒng)的檢測方法已顯現(xiàn)出靈敏度高、響應(yīng)快、操作簡便和低成本等優(yōu)勢，并且已經(jīng)應(yīng)用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷，有望在基因組、動物克隆、人造細胞、人造器官、創(chuàng)造生命和攻克癌癥頑疾等多個領(lǐng)域取得突破。

石墨烯作為一種新型的二維原子晶體，以超高的比較面積（單層石墨烯比表面積理論計算為2 680m2/g）、良好的電導率、高的熱導率、超強的力學性能和良好的生物相容性，成為了構(gòu)建生物材料和生物傳感器的優(yōu)異平臺。目前基于石墨烯及其衍生物的生物傳感器研究，主要集中在電化學型和光學型2種。本文將綜述石墨烯及其衍生物作為支撐材料或應(yīng)用平臺，提高和改善生物傳感器的性能方面的工作，在石墨烯及其衍生物在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用作出展望。

一、石墨烯簡介

2004年安德烈·海姆和克斯提亞·諾沃肖洛夫在實驗室首次成功獲得了石墨烯這種二維新型材料，6年后石墨烯的發(fā)現(xiàn)者獲得了諾貝爾物理學獎。

1.石墨烯的結(jié)構(gòu)

石墨烯的結(jié)構(gòu)可以描述為碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的1種炭質(zhì)新材料，它是1層被剝離的石墨片層，具有理想的二維周期結(jié)構(gòu)。其中的碳原子以六元環(huán)的形式周期地排列在石墨烯平面內(nèi)。單層石墨烯材料的厚度僅有0.335nm，相鄰2個碳原子之間距離為0.14nm。嚴格二維結(jié)構(gòu)的石墨烯是形成各種碳質(zhì)材料的基本單元。若石墨烯的晶格中存在五元環(huán)的晶格，就會使得石墨烯翹曲，當有12個以上五元環(huán)的晶格存在時會形成富勒烯；同樣，碳納米管也可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。利用模板法制備、具有規(guī)則孔結(jié)構(gòu)的碳也可以看作是大量石墨烯卷成的，其孔道按照一定方式排列組成；而石墨則是由石墨烯片層堆積而成的具有層狀結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料典型代表。石墨烯名字來源于Graphite（石墨）+ Ene（烯），石墨本身就是由眾多石墨烯層層堆積而成的。

現(xiàn)在認為，10層以內(nèi)由單層石墨片層組成的結(jié)構(gòu)可以定義為石墨烯，而大于10層的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該被稱為石墨薄膜。由此，石墨烯被分類為單層、雙層和多層（3～10層）。近年來，研究者已經(jīng)實現(xiàn)各種石墨烯結(jié)構(gòu)的可控制備。

2.石墨烯的性能

在很大程度上，材料的物理性能是其維度結(jié)構(gòu)展示。作為由單層碳原子組成的石墨烯，是嚴格的二維晶體材料。由于石墨烯簡單而靈活的結(jié)構(gòu)，決定了它在電學、力學、光學和熱力學方面具有獨特的性能。

石墨烯的電學性質(zhì)與大多傳統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)的材料有巨大的區(qū)別，它是一種半金屬、零帶隙半導體材料，是目前已知的導電性能最出色的材料。由于石墨烯的嚴格二維結(jié)構(gòu)，而形成了零有效質(zhì)量的狄拉克-費米子，具有類似光子的特性。石墨烯的出現(xiàn)為相對論量子力學現(xiàn)象的研究提供了一種重要的手段。

從傳導實驗得出的測量結(jié)果顯示石墨烯具有非常高的載流子遷移率，約為15 000cm2/（V·cm），遠高于電子在硅中傳導的速度。更令人驚喜的是，這樣的高遷移率受溫度和化學腐蝕影響的程度很小。另一方面，石墨烯的電阻率極低，比銀還小，是世界上室溫電阻率最小的材料。石墨烯中電子跑的飛快，它的電子傳導速率為 8×105m/s，這雖然比光速慢很多，但是卻比一般半導體中的電子傳導速度快得多。

石墨烯特有的能帶結(jié)構(gòu)使空穴和電子相互分離，于是新的電子傳導現(xiàn)象的產(chǎn)生——不規(guī)則量子霍爾效應(yīng)。石墨烯的室溫霍爾效應(yīng)使原有的溫度范圍擴大了10倍，表明其獨特的載流子特性和優(yōu)異的電學質(zhì)量。

石墨烯目前是人類所認知強度最大的材料。若能制作出厚度相當于塑料包裝袋（厚度約100nm）的石墨烯，那么需要施加約20 000N的壓力才能將其扯斷。這意味著石墨烯比鉆石還要堅硬。

石墨烯的特殊電學性質(zhì)產(chǎn)生了高度不透明性，這只有一個原子大小厚度的晶體可以用肉眼直接觀察到。

二、石墨烯生物傳感器的研究現(xiàn)狀

在石墨烯及其衍生物的眾多優(yōu)異性能中，其超高的比較面積、良好的電導率、高的熱導率、超強的力學性能和良好的生物相容性，使其成為構(gòu)建生物傳感器的支撐材料和優(yōu)異平臺。本節(jié)將對石墨烯及其衍生物在電化學類及光學類生物傳感器的研究進展及現(xiàn)狀進行簡要介紹。

1.石墨烯電化學生物傳感器

作為一個高度跨學科的領(lǐng)域，納米電化學生物傳感器件的研究已成為近年來最令人興奮的話題之一。眾所周知在電化學傳感領(lǐng)域中，電極材料是傳感器的關(guān)鍵組成部分，它在構(gòu)建高性能電化學傳感平臺檢測目標分子中發(fā)揮著重要的作用。

石墨烯生物傳感器構(gòu)建的研究始于2008年，首次構(gòu)建的石墨烯生物傳感器為電化學型。Papakonstantinou等人利用石墨烯構(gòu)建了電化學型傳感器，他們發(fā)現(xiàn)由于石墨烯的快速電子轉(zhuǎn)移能力，有效促進了電極附近氧化還原反應(yīng)的進程。石墨烯修飾電極可以實現(xiàn)對多巴胺（DA）、抗壞血酸（AA）和尿酸（UA）的原位檢測。

下面將以安培型、電化學發(fā)光型、場效應(yīng)晶體管型、電化學阻抗型、光電化學型5種電化學生物傳感器件為例，介紹石墨烯及其衍生物在構(gòu)建電化學生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用。

（1）安培型傳感器

在石墨烯及其衍生物構(gòu)建電化學型生物傳感器的研究中，安培型生物傳感器占了最大的比例。Shan等人率先證明了石墨烯可以作為增強材料，促進葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOD）在電極表面發(fā)生直接電子轉(zhuǎn)移，從而使構(gòu)建的葡萄糖生物傳感器獲得更高的檢測性能。中國科學院長春應(yīng)用化學研究所的董紹俊小組，在基于石墨烯及其衍生物的電化學生物傳感器研究方面開展了深入研究。他們認為石墨烯是一種有效的電極修飾材料，通過石墨烯的修飾，電化學電極可以獲得更高的比表面積和有效的電子轉(zhuǎn)移效率，從而提高安培型生物傳感器的性能。

具有高穩(wěn)定性和均勻形貌的石墨烯薄膜，通過電泳的方法被沉積到電極表面，可以實現(xiàn)對三硝基甲苯（TNT）的超高靈敏度檢測，其檢測下限達到0.2ppb。這一檢測下限，優(yōu)于其他碳材料構(gòu)建的TNT電化學傳感器。

化學摻雜是調(diào)控材料電學性能的有效手段，它是通過控制材料的表面化學結(jié)構(gòu)和元素組分中的局域電荷，實現(xiàn)基質(zhì)材料性能轉(zhuǎn)變的重要途徑。氮摻雜是增加石墨烯自由電子態(tài)密度和增強電導率的有效策略。Wang等人利用氮摻雜的石墨烯構(gòu)建了葡萄糖傳感器，證明了氮的引入，提高了電極的活性。與純石墨烯相比，氮摻雜的石墨烯更有效地促進了GOD的快速直接電子轉(zhuǎn)移，構(gòu)建的葡萄糖傳感器的檢測下限為0.01PPb。

美國太平洋西北國家實驗室的Lin小組，也在石墨烯構(gòu)建安培型生物傳感器方面，作出了深入而突出的貢獻。他們證明了石墨烯及其衍生物可作為良好的載體，來承載大量的生物探針或者生物識別分子，進行了高性能免疫傳感器及DNA傳感器的研究與構(gòu)建。他們構(gòu)建了一種新型的電化學免疫傳感器，在多酶放大效應(yīng)下，氧化石墨烯作為納米載體構(gòu)，實現(xiàn)了對磷酸化的P53超高靈敏檢測。該免疫傳感器對于磷酸化P53的檢測范圍在0.02×10-9～2×10-9mol/L之間，檢測下限為0.01×10-9mol/L。

石墨烯對DNA具有傳導以及保護的作用，Lin等人還設(shè)計構(gòu)建了一種適體/氧化石墨烯納米復合材料，并將其應(yīng)用到活體細胞分子檢測中。

（2）電化學發(fā)光傳感器

電致化學發(fā)光（Electrochemical luminescence，ECL）是結(jié)合了電化學與發(fā)光技術(shù)的一門學科，它包括了光發(fā)射過程中由電激發(fā)試劑產(chǎn)生的氧化還原反應(yīng)。與傳統(tǒng)的電化學方法相比，電化學發(fā)光傳感器靈敏度更高、檢測范圍更寬。

最初的石墨烯電化學發(fā)光傳感器，是利用Rb（II）[Ru（bpy）32+（1種電致發(fā)光試劑]，與石墨烯相結(jié)合來修飾電極，實現(xiàn)了對胺基有機物的定量檢測。Li等人發(fā)現(xiàn)在發(fā)光氨的條件下，石墨烯修飾玻碳電極（GCE）展示出了強烈的陰極電致激發(fā)化學發(fā)光行為。利用這一現(xiàn)象，他們發(fā)展了一種三明治結(jié)構(gòu)的免疫電化學發(fā)光傳感器，其可以在低電位下靈敏的檢測生物標記的癌癥細胞。

（3）場效應(yīng)晶體管傳感器

當今，大多數(shù)的生物分子檢測都依賴于光學的或者電化學的換能器，這需要熒光或者電化學的標記。FET型的傳感器作為一種極具吸引力的替代方法，可以實現(xiàn)檢測的無標記、快速響應(yīng)和高靈敏度。將石墨烯應(yīng)用于FET型傳感器正在成為新的研究熱點。基于不同的識別相互作用，石墨烯及其衍生物已經(jīng)作為襯底材料用于檢測DNA或者生物標記等分析質(zhì)。

Chen等人利用石墨烯修飾的玻璃襯底構(gòu)建了大面積的石墨烯FET，并對DNA的雜化進行了檢測，其靈敏度高達0.01×10-9mol/L，能力檢測到DNA雜化過程中單堿基的錯配。他們同時發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過金（Au）顆粒的修飾，可以提高石墨烯晶體管對DNA雜化探測的-靈敏度。

由于適體比單鏈DNA或RNA具有更高的靈活性，Ohno小組發(fā)展了通過分子識別技術(shù)，基于適體修飾石墨烯FET型無標記的免疫傳感器。Lee等人設(shè)計了一種石墨烯封裝納米顆粒作為襯底材料的FET型生物傳感器，實現(xiàn)了對乳腺癌關(guān)鍵生物蛋白的選擇性和靈敏性的檢測。

Chen等人利用石墨烯-Au納米顆粒復合材料作為襯底制備了高靈敏度與選擇性的FET型生物傳感器。Au納米顆粒與抗體通過非共價鍵連接在石墨烯表面，加入緩沖液阻斷了非特異性連接的可能。當目標蛋白質(zhì)加入檢測環(huán)境中時，蛋白質(zhì)的結(jié)合誘發(fā)了器件電導率的巨大變化。這種電阻上的巨大變化與目標蛋白質(zhì)的濃度高度相關(guān)，于是FET生物傳感器的檢測下限可以低至1.3×10-13mol/L。

（4）電化學阻抗傳感器

與FET型傳感器相似，電化學阻抗型傳感器也可以對抗原抗體相互作用、親和素蛋白復合物和單聚核苷酸DNA相互作用進行無標記的檢測。Niu等利用電化學阻抗譜（EIS）技術(shù)進行了無標記DNA雜化檢測，通過測量負電荷的變化可獲得DNA構(gòu)象的轉(zhuǎn)變、固定及雜化等信息。

Pumera小組利用石墨烯修飾簪型DNA（hpDNA）探針，靈敏檢測了單核酸多肽性的阿爾茲海默癥。在這種檢測中，石墨烯作為換能器實現(xiàn)了EIS技術(shù)的靈敏響應(yīng)。電荷轉(zhuǎn)移阻抗的變化與阻抗譜的半徑相關(guān)，受到電荷表面修飾方法的強烈影響。這種石墨烯電化學阻抗傳感器可在0.3×10-12mol/L到0.3×10-9mol/L范圍內(nèi)線性檢測DNA的雜化。

（4）光電化學傳感器

光電化學型（PEC）傳感器是電化學傳感器中，一種新型的的分析方法。它的靈敏度可以與電化學發(fā)光傳感器相媲美，同時可在自驅(qū)動或低偏壓條件下進行檢測。光活性物質(zhì)（如半導體納米顆粒）常常用作增強材料來促進光照條件下光電流的產(chǎn)生。然而，半導體的光電流效率常受到光生電子—空穴對復合率高的限制，降低了器件的低靈敏度。石墨烯可以作為一種優(yōu)異的電子受體材料，提高電子—空穴的分離效率。

Zhang等人率先報道了石墨烯敏化光電化學生物傳感器，通過層層組裝非共價結(jié)合的功能化石墨烯與CdSe納米顆粒，實現(xiàn)了對凝血酶的檢測。Pyr-PAA功能化的石墨烯與硒化鎘（CdSe）納米顆粒經(jīng)過層層組裝的過程，形成了PAA-G/CdSe納米復合結(jié)構(gòu)，并修飾到ITO導電玻璃上。隨后功能化的適體與PAA-G/CdSe納米復合結(jié)構(gòu)通過-NH2進行共價結(jié)合。當對凝血酶進行識別的時候，適體與凝血酶的復合產(chǎn)物阻礙了電子施主擴散到電極表面，從而導致了光電流的降低。

北京科技大學康卓等利用還原氧化石墨烯（rGO）和納米氧化鋅（ZnO）陣列復合結(jié)構(gòu)修飾光陽極，構(gòu)建了光電化學型生物傳感器。rGO/ZnO結(jié)構(gòu)相對于純ZnO結(jié)構(gòu)的光電流獲得了成倍的增長；隨著谷光苷肽（GSH）濃度的增大，rGO/ZnO結(jié)構(gòu)的光電響應(yīng)成線性遞增；常見化學、生物干擾物質(zhì)以及金屬離子均未對構(gòu)建器件的光電流顯著影響。