章瀟慧

一、石墨烯在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯，一種以碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的炭質(zhì)新材料，作為新型的二維原子晶體，以其超高的比表面積（單層石墨烯比表面積理論計(jì)算為2 630m2/g）、優(yōu)異的電子遷移率〔（20 000cm2/（V·s）〕、高的熱導(dǎo)率〔導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5 300W/（m·K）〕、超強(qiáng)的力學(xué)性能和良好的生物相容性，成為了科學(xué)界以及產(chǎn)業(yè)界研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)，重點(diǎn)應(yīng)用于理論物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、納米電子器件、超導(dǎo)材料、儲(chǔ)能和產(chǎn)能器件、顯微濾網(wǎng)和傳感器以及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。在以上眾多應(yīng)用中，以石墨烯及其復(fù)合材料為基礎(chǔ)，構(gòu)建生物材料和生物傳感器被認(rèn)為是最具前景的。

石墨烯擁有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和易功能化的特點(diǎn)，是載藥材料研究和發(fā)展的新方向；石墨烯具有獨(dú)特的力學(xué)性能，可應(yīng)用于組織工程和再生醫(yī)藥的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用；結(jié)合石墨烯的超級(jí)薄膜結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，也可用于透射電子顯微鏡下的生物分子成像；經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾/功能化的石墨烯可加入到超級(jí)靈敏的傳感、檢測(cè)設(shè)備的制造，用以制造葡萄糖、膽固醇、血紅蛋白和DNA等生物分子檢測(cè)裝置。

在眾多石墨烯生物傳感器的研究中，對(duì)葡萄糖分子的檢測(cè)開(kāi)展最早、研究的也最多最深入。目前，基于石墨烯葡萄糖傳感器的研究，主要集中在石墨烯酶電極型葡萄糖傳感器和無(wú)酶型葡萄糖傳感器2種。本文圍繞石墨烯基的葡萄糖傳感器展開(kāi)，總結(jié)近年來(lái)國(guó)際上在石墨烯提高和改善葡萄糖傳感器性能方面取得的研究成果，并對(duì)石墨烯在葡萄糖傳感器方面的應(yīng)用做出展望分析。

二、石墨烯酶電極型葡萄糖傳感器

葡萄糖傳感器是各種生物傳感器中應(yīng)用最為廣泛、研究最為深入的一種。自從1962年Clark和Lyons首次提出了酶電極型葡萄糖傳感器構(gòu)建，經(jīng)歷了50余年的歷程，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)展了3代葡萄糖傳感器，最近更是利用新興的納米技術(shù)對(duì)葡萄糖傳感器展開(kāi)進(jìn)一步的改進(jìn)。如今，基于酶電極型的葡萄糖傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于糖尿病的臨床診斷、生物分析、環(huán)境監(jiān)控以及食品工業(yè)之中。

在研究還原氧化石墨烯（rGO）的結(jié)構(gòu)對(duì)構(gòu)建酶電極傳感器電化學(xué)性能的影響之前，先對(duì)酶電極葡萄糖傳感器的發(fā)展歷程進(jìn)行簡(jiǎn)單的回顧。

1.酶電極型葡萄糖傳感器的發(fā)展歷程

酶電極型葡萄糖傳感器經(jīng)歷了3個(gè)階段的發(fā)展，即第1代葡萄糖傳感器、第2代葡萄糖傳感器和第3代葡萄糖傳感器。

（1）第1代葡萄糖傳感器

第1代葡萄糖傳感器是建立在葡萄糖氧化酶（GOD）的氧化還原基礎(chǔ)上，檢測(cè)過(guò)程中，酶層：GOD（Ox）+gluocose→gluconolaction+GOD（Red）；GOD（Red）+O2→GOD（Ox）+H2O2；電極：H2O2→O2+2H++2e。這一酶促反應(yīng)是一個(gè)耗氧的過(guò)程，通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)物H2O2的濃度變化或者消耗量來(lái)測(cè)定葡萄糖的濃度。

（2）第2代葡萄糖傳感器

第2代葡萄糖傳感器是介體型酶電極，克服了第1代傳感器耗氧的缺陷。它在GOD與電極之間加入的電子媒介（M）來(lái)解決電子傳遞的問(wèn)題，酶層：GOD（Ox）+gluocose→gluconolaction+GOD（Red）；修飾層：GOD（Red）+M（Ox）→GOD（Ox）+M（Red）；電極：M（Red）→M（Ox）+ne。介體型酶電極在2000年左右得到了迅速的發(fā)展，但該方法也存在介體容易污染電極影響測(cè)試性能的缺點(diǎn)。

（3）第3代葡萄糖傳感器

第3代葡萄糖傳感器是通過(guò)酶在電極上的直接催化來(lái)實(shí)現(xiàn)，酶層：GOD（Ox）+gluocose→gluconolaction+GOD（Red）；電極：GOD（Red）→GOD（Ox）+2e。利用酶與電極的直接電子轉(zhuǎn)移，無(wú)需添加試劑，無(wú)耗氧過(guò)程，是當(dāng)前電化學(xué)工作者努力的重要方向。但是由于GOD分子量較大，其活性中心FAD深埋在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部且容易發(fā)生變形，所以酶與電極之間的直接電子交換很難實(shí)現(xiàn)。

2.rGO對(duì)構(gòu)建酶電極傳感器電化學(xué)性能的影響

利用納米材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)酶與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移，是構(gòu)建直接電子轉(zhuǎn)移的第3代酶電極傳感器的重要手段。將石墨烯及其衍生物或者復(fù)合材料應(yīng)用于酶電極型的生物傳感器技術(shù)研究始于2009年，Papakonstantinou等人利用石墨烯構(gòu)建了電化學(xué)型生物傳感器，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(jìn)了電極附近氧化還原反應(yīng)的進(jìn)程。石墨烯修飾電極可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多巴胺（DA）、抗壞血酸（AA）和尿酸（UA）的原位檢測(cè)，并且發(fā)現(xiàn)在GOD在電極上的直接電子轉(zhuǎn)移過(guò)程。

經(jīng)過(guò)了幾年的發(fā)展這種基于石墨烯的葡萄糖傳感器展現(xiàn)出了更寬的線性范圍、更好的靈敏度、穩(wěn)定性和可重復(fù)性，從而獲得了科研工作者的一致認(rèn)同。然而石墨烯及其衍生物的結(jié)構(gòu)對(duì)修飾的酶電極性能影響方面的研究依然是空白。北京科技大學(xué)張躍小組研究不同結(jié)構(gòu)的rGO構(gòu)建酶電極型葡萄糖傳感器的性能。通過(guò)rGO結(jié)構(gòu)表征、修飾酶電極的電化學(xué)性能研究、構(gòu)建的酶電極對(duì)葡萄糖響應(yīng)的性能研究和酶促反應(yīng)機(jī)理的探索，他們發(fā)現(xiàn)利用rGO修飾酶電極不但可提高酶電極的電化學(xué)活性，而且可以改善酶電極對(duì)葡萄糖的催化能力。這是rGO中豐富的含氧官能團(tuán)與缺陷增加了葡萄糖氧化酶的吸附的結(jié)果；在較低含氧量下，rGO可促進(jìn)酶電極表面的直接電子轉(zhuǎn)移（第3代葡萄糖傳感器）；在較高含氧量下，rGO酶電極對(duì)葡萄糖的催化過(guò)程是一個(gè)耗氧的過(guò)程，即要經(jīng)過(guò)葡萄糖氧化酶GOD先將葡萄糖轉(zhuǎn)化為雙氧水（H2O2），再由H2O2的水解反應(yīng)來(lái)傳遞電子的過(guò)程（第1代葡萄糖傳感器）；耗氧催化的過(guò)程中，rGO表面官能團(tuán)越多，酶電極的親和性與靈敏度越高。通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建出不同催化過(guò)程的酶電極葡萄糖傳感器。這將有利于石墨烯基的生物傳感器界面電子遷移方面的發(fā)展與研究，為獲得可控、穩(wěn)定的石墨烯基葡萄糖傳感器奠定了理論基礎(chǔ)。

三、石墨烯無(wú)酶型葡萄糖傳感器

歷經(jīng)了50余年的研究與探索，以葡萄糖氧化酶為基礎(chǔ)的酶電極型葡萄糖傳感器，已經(jīng)在糖尿病臨床診斷、生物分析、環(huán)境監(jiān)控和食品工程方面獲得了廣泛的應(yīng)用。這種酶電極型的傳感器具有很高靈敏度和特異性，并且還有檢測(cè)限低探測(cè)范圍廣等特點(diǎn)。盡管如此，酶電極型的葡萄糖傳感器也存在著一些缺陷，如酶在電極上的固定需要一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程；酶的熱力學(xué)及化學(xué)方面的不穩(wěn)定因素導(dǎo)致傳感器的壽命和可靠性降低；以及人工合成酶的價(jià)格比較昂貴。由于以上原因，有研究者開(kāi)始著手研究和探索無(wú)酶型的葡萄糖傳感器的開(kāi)發(fā)。

無(wú)酶型葡萄糖傳感器，主要是利用過(guò)渡金屬元素的高效催化能力，在電極表面對(duì)葡萄糖進(jìn)行直接電催化氧化。在眾多構(gòu)建無(wú)酶型葡萄糖傳感器的方法中，利用納米材料或者納米結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)酶電極進(jìn)行修飾，實(shí)現(xiàn)葡萄糖在電極表面的直接電催化氧化過(guò)程，是近年來(lái)研究的主要手段和熱點(diǎn)。這些納米材料和納米結(jié)構(gòu)包括鈀（Pd）納米顆粒，氧化銅（CuO）納米微球，鎳（Ni）泡沫，氫氧化鎳〔Ni（OH）2〕納米顆粒，鉑（Pt）納米線陣列等。利用以上過(guò)渡金屬或者其化合物構(gòu)建的無(wú)酶?jìng)鞲衅?，均具有高靈敏度和高選擇性。

在眾多利用過(guò)渡金屬及其化合物構(gòu)建的無(wú)酶葡萄糖傳感器中，基于Ni元素的研究最為引人注目。這是因?yàn)镹i元素及其化合物成本低廉，且可提供快速響應(yīng)和超高的靈敏度。最近Ni納米線陣列，NiO納米孔洞結(jié)構(gòu)和Ni（OH）2納米盤(pán)在無(wú)酶葡萄糖構(gòu)建方面的被相繼報(bào)道。

Zhang等人原位合成了Ni/ NiO-rGO納米復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于絲網(wǎng)印刷電極的修飾，構(gòu)建了無(wú)酶型葡萄糖傳感器。在原位合成的過(guò)程中，首先利用氧化石墨烯（GO）對(duì)Ni離子進(jìn)行化學(xué)吸附，并將Ni元素固定于絲網(wǎng)印刷電極之上，隨后利用水合肼還原GO并原位合成了Ni/NiO-rGO納米復(fù)合材料。Ni/NiO-rGO無(wú)酶電極在堿性環(huán)境中，可對(duì)葡萄糖進(jìn)行高效的催化氧化作用。構(gòu)建的Ni/NiOrGO無(wú)酶葡萄糖傳感器可對(duì)葡萄糖進(jìn)行靈敏的定量分析，這種傳感器同時(shí)具有良好的可重復(fù)性和選擇性。

對(duì)于無(wú)酶型葡萄糖傳感器來(lái)說(shuō)，高濃度下易發(fā)生葡萄糖分子對(duì)催化材料的纏繞，從而降低了檢測(cè)的上限。而在臨床中糖尿病人的血糖濃度通常高于10mmol/L，如何構(gòu)建同時(shí)具有高靈敏度和高檢測(cè)上限的無(wú)酶?jìng)鞲衅?，是此類研究的重要方向?/p>

為了獲得更好的復(fù)合材料性能，研究者致力于石墨烯與金屬或者金屬氧化物的雜化工作。這些工作主要集中在氧化石墨烯或者石墨烯的其他衍生物的研究上。這些石墨烯的衍生物具有易功能化、良好的親水性、易分散于有機(jī)溶劑、易于水處理等特征，卻失去了石墨烯的高電子遷移率，電子在其表面?zhèn)鬟f的速度很慢。這使得它們不適于電子器件及電化學(xué)分析器件的應(yīng)用研究。

Zhang等結(jié)合了本征石墨烯的優(yōu)良電子遷移率及CuNiO納米顆粒的高催化性能，來(lái)構(gòu)建無(wú)酶葡萄糖傳感器。利用水熱合成的CuNiO納米顆粒修飾化學(xué)氣相沉積的本征石墨烯（GS），獲得了CuNiO-GS納米復(fù)合材料，并將其應(yīng)用于無(wú)酶葡萄糖傳感器的構(gòu)建。在堿性環(huán)境中，該傳感器對(duì)葡萄糖具有高效電催化氧化能力。其同時(shí)具備高靈敏度和寬線性范圍，檢測(cè)上限達(dá)到了16mmol/L，這個(gè)檢測(cè)范圍適用于糖尿病人實(shí)際樣品的檢測(cè)（糖尿病人的血糖濃度通常高于10mM）。同時(shí)，利用CuNiO-GS納米復(fù)合材料構(gòu)建的無(wú)酶葡萄糖傳感器，還獲得了高選擇性和高穩(wěn)定性[1]。

四、展望

目前，基于石墨烯的葡萄糖傳感器的基礎(chǔ)性和前瞻性研究已經(jīng)取得了許多重要成就，如確定了葡萄糖氧化酶在石墨烯上的直接電子轉(zhuǎn)移，促進(jìn)了第3代葡萄糖傳感器的發(fā)展；提高了無(wú)酶型葡萄糖傳感器的檢測(cè)范圍，為石墨烯基的葡萄糖傳感器在人體血糖檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用方面奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

要實(shí)現(xiàn)石墨烯及其復(fù)合材料在人體血糖檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用，還需要解決一些基本的問(wèn)題：石墨烯的生物分布、生物相容性以及準(zhǔn)確和慢性的毒性如何。在一些特殊情況下，石墨烯的某些生物活性也可能引起不可預(yù)見(jiàn)的毒性。這些問(wèn)題與石墨烯在制造和應(yīng)用的環(huán)境中工作的性能緊密相關(guān)，它的尺寸、形貌和化學(xué)結(jié)構(gòu)都有可能影響血糖檢測(cè)的結(jié)果。未來(lái)的研究工作，將圍繞石墨烯與生物活性分子的相互作用展開(kāi)，在實(shí)現(xiàn)石墨烯基血糖檢測(cè)前，仍有許多工作擺在人們眼前。

參考文獻(xiàn)

[1] Zhang Xiaohui，Liao Qingliang，Liu Shuo，et al.CuNiO nanoparticles assembled on graphene as an effective platform for enzyme-free glucose sensing[J].Analytica Chimica Acta.，2015，858：49-54.