石墨烯电化学传感器检测原理简介

常用的电化学传感器测量方法有循环伏安（Cyclic Voltammetry，CV）法和电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）法。CV法的工作原理是三电极原理，即工作电极、参比电极和对电极，施加一个扫描速度恒定的线性扫描电压到工作电极上，当达到所设定的回扫电位时，再反向回扫至设定的终止电位，最终得到电势与电流关系图谱。当电压向阳极方向扫描时，电活性物质在阳极上氧化，产生氧化峰；当电压向阴极方向扫描时，氧化的物质被还原，产生还原峰。对于循环伏安法测得的曲线图谱通常用两个重要的参数来传递生物信号：① 阴阳极峰值电流iPc、iPa及其比值；② 阴阳极峰值电势差值│ΔEP│。对于产物稳定的可逆体系，阴阳极峰值电流比值为1；对于准可逆体系，氧化峰与还原峰比值不同，峰间距也会明显增加；对于完全不可逆体系，逆反应非常迟缓，正向扫描产物来不及反应就扩散到溶液内部，因此在循环伏安曲线上观察不到反向扫描的电流峰值。一般认为峰间距超过59mV时，为不可逆氧化还原反应。通过这两种参数的表征可以测得溶液中分析物的浓度、分析物在电极表面的活动状态、电子传递速率等。EIS法是指给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流电势波，测量交流电势与电流信号的比值（该比值即为系统的阻抗）随正弦波频率ω的变化，或者是阻抗的相位角Φ随ω的变化。EIS可提供发生在电极与溶液界面的一些基本信息，如电极表面的吸附与解吸过程、电荷转移速度、离子交换信息等。

石墨烯可以作为电化学传感器的工作电极。石墨烯电极具有较宽的电化学势窗口，在0.1mol／L PBS溶液中可达到2.5V，与常见的石墨、玻碳电极、杂化金刚石电极相当[1]。通过EIS测得的石墨烯电极电荷转移阻抗要比常规电极（石墨、玻碳）低很多[1]。石墨烯电极在典型的氧化还原系统中，如在[Fe（CN）6]3－／4－和[Ru（NH3）6]3+／2+溶液中的CV扫描展现出了清晰的氧化还原峰，并且氧化还原峰与扫描频率平方根构成很好的线性关系[2]。在单电子转移的氧化还原体系中，石墨烯电极的阴阳极峰值电势差值|ΔEp|也非常低，在[Fe（CN）6]3－／4－溶液中为61.5～73mV（扫描速率为10mV／s）[3-4]，在[Ru（NH3）6]3＋／2+溶液中为60～65mV（扫描速率为100mV／s）[5]，接近理想电势差（59mV），这表明石墨烯电极界面的电子转移速率较高。根据CV法测得在[Ru（NH3）6]3＋／2+溶液中石墨烯电极的电子转移速率约为0.18cm／s，相比玻碳电极（0.055cm／s），高出了3倍多；在[Fe（CN）6]3－／4－溶液中石墨烯电极的电子转移速率约为0.49cm／s，相比玻碳电极（0.029cm／s），高出了约16倍。在Fe3＋／2+溶液中石墨烯电极的电子转移速率也较玻碳电极高出好几个数量级[5]。石墨烯电极的高电子转移速率，主要得益于石墨烯独特的电子结构及电子态密度。(www.xing528.com)

本征石墨烯固定生物分子是比较困难的，氧化石墨烯或还原氧化石墨烯与其他功能性材料（金纳米颗粒、壳聚糖等）可以通过共价键、π-π堆积作用、物理吸附等结合形成复合材料，进一步可与一些抗原、抗体、固定酶等特异性识别蛋白质结合，提高石墨烯电化学传感器的选择性和灵敏性，使其不仅具有各自材料的性能特点，甚至还会协同作用产生更强的电催化活性，从而提高石墨烯电化学传感器的灵敏度。