石墨烯电化学传感器的应用探究

作为一种神经递质，多巴胺的浓度水平直接影响着人们的精神健康状况。由于多巴胺与抗坏血酸、尿酸在电化学信号检测中有信号重叠部分，传统的电化学传感器难以实现多巴胺的特异性检测。Shang等[6]利用微波等离子体增强化学气相沉积法在硅基底上高效合成的多层石墨烯纳米片，该石墨烯纳米片与硅基底垂直形成大量类似于刀片形状的石墨化边缘，同时，该石墨烯纳米片修饰的硅基电极相比传统玻碳电极，显著增加了传感表面积，在[Fe（CN）6]3－／4－溶液的氧化还原系统中表现出了快速的电子转移能力和电催化作用。基于上述优良性能，该石墨烯纳米片修饰的硅基电极在混有多巴胺及其同类物质（如混有抗坏血酸和尿酸的PBS溶液）中，可同时探测区分出多巴胺、抗坏血酸及尿酸，并展现出较高的灵敏度和选择性（图2-1）。

图2-1　多巴胺（DA）、抗坏血酸（AA）、尿酸（UA）在石墨烯纳米片修饰的硅基电极（a）和传统玻碳电极（b）上的CV扫描曲线[6]

基于石墨烯的电化学传感器在DNA检测方面也表现出了灵敏度高、便宜、便携等优点。如Zhou等[1]报道的基于还原氧化石墨烯修饰的玻碳电极，结合分析物在该电极表面的电化学响应，可对DNA链上的四种碱基进行高灵敏度检测，并可同时检测出单、双链DNA上的碱基，实现了对基因组内单核苷酸多态性（Single Nucleotide Polymorphism，SNP）、高信噪比、无须杂化和标记的检测目的（图2-2）。

图2-2　四种碱基在玻碳电极（a）、石墨修饰的玻碳电极（b）、还原氧化石墨烯修饰的玻碳电极（c）上的CV图；（d）混合碱基在三种电极上CV图的对比；（e）单链DNA在三种电极上的CV图；（f）双链DNA在三种电极上的CV图[1]

Bonanni等[7]将发夹DNA探针通过π-π堆积作用吸附在石墨烯表面，发夹DNA探针阻碍了电子的转移，增加了石墨烯电极的电化学阻抗（图2-3）。若溶液中存在与发夹DNA互补的DNA链，则由于碱基对的形成和磷酸骨架的屏蔽，发夹DNA探针从石墨烯表面释放，恢复了石墨烯电极表面的电子转移，使得阻抗变小。通过这一原理可有效检测到目标DNA分子碱基的错位、突变等，这对与很多疾病相关的DNA链的单核苷酸多态性检测具有重要意义。

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图2-3　石墨烯电极及发夹DNA探针修饰的石墨烯电极的EIS图谱[7]

血红蛋白在血液循环中负责运输氧气，是血液的重要组成部分。Xu等[8]将石墨烯与壳聚糖进行混合制成薄膜涂覆在玻碳电极上，一方面壳聚糖可以维持血红蛋白构象和生物活性，另一方面石墨烯的存在不但可以吸附血红蛋白，还可以介导血红蛋白与玻碳电极之间电子的转移，两者协同作用使得血红蛋白对过氧化氢表现出长期稳定的生物电催化活性。Jaberi等[9]将还原氧化石墨烯与金纳米复合物沉积在石墨薄片电极上，使电极表面形成一种多层状结构，并在该电极表面通过共价结合硫醇化的DNA适配体，用来识别血液中的糖化血红蛋白。当糖化血红蛋白与硫醇化的DNA适配体结合后，会使电极表面绝缘，从而降低峰电流。基于该石墨烯传感电极可对血液中糖化血红蛋白实现高灵敏度检测，其主要是利用石墨烯材料增加了电极的表面积，提高了电极表面的电子传递速率，从而增强了信号。

烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide，NADH）是人体中最重要辅酶之一，在人体的许多氧化还原反应中起着传递电子和质子的作用，研究NADH的电化学氧化对了解生命体系的电荷转移有着非常重要的意义。Tang等[5]研究了NADH在还原石墨烯薄片修饰的玻碳（Reduced Graphene Sheet Film-modified Glassy Carbon Electrode，RGSF／GC）电极上的电化学行为。与无修饰的玻碳电极相比，RGSF／GC电极表面具有堆积的层状石墨烯结构，表现出较快的电子转移动力学特性和良好的电催化活性。NADH氧化峰电位从玻碳电极上的0.75V降低到RGSF／GC电极上的0.42V，较低的氧化电位可防止损失NADH的功能性和稳定性。Han等[10]在玻碳电极上制备并修饰了石墨烯与吡咯喹啉醌（Pyrroloquinoline Quinone，PQQ）自组装复合材料，用于NADH的检测，PQQ与石墨烯在NADH电催化氧化过程中有协同作用，大大提高了电子转移速率和电催化活性，相比无修饰的玻碳电极，其氧化电位降低约260mV，氧化电流增加2.5倍，且修饰后的电极对NADH的检测在0.32～220 μmol／L内呈现出对浓度良好的线性依赖关系，检测灵敏度高达0.421 μA／[（μmol／L）·cm2]，检出限低至0.16 μmol／L（信噪比S／N=3）。

胆固醇及其酯是所有动物细胞的基本成分，胆固醇水平的升高会导致危及生命的冠心病、脑血栓和关节硬化，因此准确检测胆固醇水平在医学上是非常重要的。Dey等[11]将还原氧化石墨烯与铂金纳米颗粒修饰在玻碳电极表面，并在其表面固定胆固醇氧化酶和胆固醇酯酶，制备了一种胆固醇生物传感器。该传感器不但对胆固醇非常敏感、选择性强、响应时间快，而且对胆固醇酯的检测灵敏度高达（2.07±0.1） μA／[（μmol／L）·cm2]，检出限低至0.2 μmol／L。Huang等[12]通过在金纳米颗粒改性的丝网印刷碳电极（Screen-printed Carbon Electrode，SPE）表面固定胆固醇氧化酶、胆固醇酯酶和氧化石墨烯，设计了一种由GO和金纳米颗粒共同作用的酶银沉积的胆固醇生物传感器，将胆固醇与硝酸银混合溶液滴加在该传感器电极表面，胆固醇被水解生成过氧化氢，从而将溶液中的银离子还原成金属银并沉积在传感器电极表面，采用阳极溶出伏安法测定沉积的银，实现了对胆固醇的超灵敏检测。在最佳条件下，银的阳极溶出峰电流随胆固醇浓度的增加而增大，胆固醇浓度为0.01～5000 μg／mL，检出限为0.001 μg／mL（信噪比S／N=3）。此外，该超灵敏胆固醇生物传感器具有较高的特异性、可接受的重现性和良好的胆固醇检测回收率。

过氧化氢是细胞内过氧化氢酶的代谢产物，其含量的多少决定着机体的正常运转与否，同时过氧化氢的检测在食品添加和环境检测中也有重要意义。Zhou等[1]报道了经过GO修饰的玻碳电极在检测过氧化氢分子时，相比石墨修饰的玻碳电极和无修饰的玻碳电极，表现出了更高的电催化性质，这是由于GO修饰后的电极表面具有高密度面边缘缺陷，增加了电子传输位点。

基于石墨烯的电化学传感器在监测环境中的重金属离子方面也表现出了优异的特性。如Li等[13]将全氟磺酸和石墨烯纳米片的混合物涂覆到玻碳电极上，并结合原位沉积溶液中的铋离子形成铋膜，用来增强电化学传感信号，根据阳极溶出伏安法可高效地检测出溶液中的铅离子（Pb2+）和镉离子（Cd2+）浓度，该传感器的主要优势得益于石墨烯较强的吸附作用、较大的比表面积和优良的导电性。