林少華 謝銀俠 羅紅霞 許文濤 申慧杰

（1. 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102442；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營(yíng)養(yǎng)工程學(xué)院，北京100083）

隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，空氣、水、土壤和食物中重金屬的含量，尤其是毒性很大的鉛離子的含量越來(lái)越高，它能夠隨著空氣、水和食物通過(guò)呼吸系統(tǒng)和消化系統(tǒng)進(jìn)入到人體當(dāng)中［1］。鉛離子是許多酶類的輔助因子，對(duì)人體健康也十分重要［2］，然而，當(dāng)血鉛濃度高于0.48 nmol/L就可能對(duì)身體產(chǎn)生危害［3］。因?yàn)殂U離子難以被人體利用，隨著多余的鉛離子在體內(nèi)富集，體內(nèi)越來(lái)越高的鉛濃度將對(duì)人體健康產(chǎn)生極為不利的影響，如高血壓、神經(jīng)紊亂和肌肉麻痹等，隨之神經(jīng)、生殖和消化等系統(tǒng)均會(huì)出現(xiàn)不良癥狀［4］。正處于生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵期的兒童更容易受到鉛離子的毒害，即使更低水平的血鉛濃度都能夠延緩兒童的智力發(fā)育［5］。鉛離子污染對(duì)環(huán)境和人體健康危害都是十分巨大的［6］，為此世界衛(wèi)生組織（WHO）還設(shè)定了鉛離子的準(zhǔn)則值為0.01 mg/L［7］，但世界上還有很多地區(qū)仍難以達(dá)到鉛離子的安全濃度范圍［8］。我國(guó)對(duì)于飲用水含Pb2+的規(guī)定是0.05 mg/L。鉛離子檢測(cè)的傳統(tǒng)方法主要有原子吸收光譜法（AAS）［9］，原子發(fā)射光譜法（AES）［10］，電感耦合等離子體光譜法（ICP-MS）［11］，X-ray射線熒光光譜法（R-FS）［12］及離子色譜法（IC）［13］。盡管這些方法準(zhǔn)確度和精度高，但它們需要特定的實(shí)驗(yàn)室、復(fù)雜昂貴的設(shè)備、耗時(shí)的前處理和專業(yè)技術(shù)人員的操作，從而很大程度地限制了其應(yīng)用，尤其是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、即時(shí)檢測(cè)和快速檢測(cè)［14］。

20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的電化學(xué)法，在檢測(cè)重金屬鉛離子上具有成本低、選擇性好、靈敏度高、操作方便等優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)［15］，并且可以檢測(cè)復(fù)雜樣品中鉛離子的含量［16］。電化學(xué)傳感器常用的工作電極有碳基電極、汞基電極、金電極、鉍電極等。因汞電極具有毒性并污染環(huán)境，已禁止使用。金和鉑等金屬電極因成本較高，耐腐蝕性較差且易于與待測(cè)金屬形成金屬間化合物導(dǎo)致電極的電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和電子導(dǎo)電性能變差［17］，使其應(yīng)用受到很大的限制。而碳基電極具有電化學(xué)窗口寬、易于修飾和機(jī)械硬度高等優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為電化學(xué)法檢測(cè)鉛離子最常用的基底電極。但是裸碳基電極表面易被污染，檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度都會(huì)有不同程度地降低。因此，限制了裸碳基電極檢測(cè)鉛離子的實(shí)際應(yīng)用。對(duì)電極表面進(jìn)行修飾，不僅可以增加鉛離子氧化反應(yīng)的電信號(hào)，而且可以拓寬檢測(cè)的線性范圍及檢出限。目前，已報(bào)道的碳基電極修飾材料有金屬、金屬氧化物、碳納米材料和二氧化硅等無(wú)機(jī)納米材料，有機(jī)小分子和聚合物等有機(jī)材料，以及脫氧核酶和G-四聯(lián)體等功能核酸物質(zhì)。本文對(duì)以碳基電極為工作電極的電化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并對(duì)以后的發(fā)展方向和應(yīng)用前景作出展望。

1 鉛離子檢測(cè)的電化學(xué)法

檢測(cè)鉛離子的電化學(xué)法主要是依據(jù)其電化學(xué)的性質(zhì)，通過(guò)測(cè)量溶液中電信號(hào)（如電阻、電導(dǎo)、電位和電流等）的改變來(lái)確定參與化學(xué)反應(yīng)的鉛離子含量而建立起來(lái)的一類分析方法。電化學(xué)法檢測(cè)鉛離子的原理如圖1所示，整個(gè)傳感器包括兩個(gè)部分，分別是電化學(xué)傳感裝置和電信號(hào)輸出裝置。電化學(xué)傳感裝置由工作電極（WE）、參比電極（RE）和輔助電極（CE）組成。工作電極是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場(chǎng)所，也是電化學(xué)研究的主要對(duì)象。工作電極的材料構(gòu)成，其表面積、表面狀態(tài)以及形態(tài)等對(duì)電化學(xué)反應(yīng)的影響極大，是整個(gè)電化學(xué)檢測(cè)的關(guān)鍵因素。因此，選擇合適的工作電極對(duì)電化學(xué)檢測(cè)具有重要意義?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)工作電極的表面進(jìn)行不同種類的材料修飾，以實(shí)現(xiàn)高選擇性和高靈敏度地檢測(cè)痕量鉛離子。

電化學(xué)檢測(cè)鉛離子主要包括以下兩個(gè)過(guò)程，第一步是鉛離子富集的過(guò)程，Pb2+在負(fù)電勢(shì)的法拉第作用（Faraday’s reaction）下被還原為Pb0或者與適配體結(jié)合形成Pb0的復(fù)合物，并聚集在工作電極的表面，通過(guò)陽(yáng)極溶出伏安法（Anodic stripping voltammetric，ASV）或其他電化學(xué)檢測(cè)方法檢測(cè)到相關(guān)的電信號(hào)；第二步是鉛離子溶出的過(guò)程，在去掉電極電勢(shì)后，Pb0再氧化成為Pb2+，得到一個(gè)高的溶出電流峰［18］，溶出過(guò)程形成的峰電流與Pb2+濃度成正比，且信號(hào)呈峰形，便于測(cè)量。該方法將有效地預(yù)富集步驟與先進(jìn)的電化學(xué)測(cè)量?jī)蓚€(gè)過(guò)程有機(jī)地結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)Pb2+的靈敏檢測(cè)且優(yōu)勢(shì)明顯，能夠?qū)崿F(xiàn)在線識(shí)別和高靈敏度地檢測(cè)鉛離子，逐漸成為一種重要的Pb2+檢測(cè)方法。

圖1 碳基電極電化學(xué)傳感器示意圖

目前，常用的電化學(xué)方法有電位分析法、電導(dǎo)分析法、安培分析法以及伏安法。其中，伏安法是檢測(cè)鉛離子的最常用的電化學(xué)方法。伏安法包括循環(huán)伏安法（CV），方波伏安法（SWV）、線性掃描伏安法（LSV）和差分脈沖伏安法（DPV）。SWV和DPV通過(guò)增加法拉第電流和非法拉第電流的比率，克服了毛細(xì)管噪音，增加了伏安流量的靈敏度，因此可以檢測(cè)到更低的鉛離子濃度，且適于不同的電極材料和電解液，所以在實(shí)際檢測(cè)中，它們是更佳的選擇。

2 碳基電極研究進(jìn)展

在檢測(cè)鉛離子的電化學(xué)傳感器中，基底電極的材料是至關(guān)重要的，只有選用合適的電極材料才能達(dá)到想要的檢測(cè)靈敏度和可重復(fù)性。事實(shí)上，電極材料的幾何結(jié)構(gòu)和表面特性，決定了電極的反應(yīng)和溶出過(guò)程的效率。對(duì)于一個(gè)綠色可持續(xù)及高效檢測(cè)痕量鉛離子的電化學(xué)傳感器來(lái)說(shuō)，理想的基底電極應(yīng)該具有以下特征：非毒性、便宜、易操作、電位窗口大、背景電流和阻抗低、可重復(fù)使用、穩(wěn)定性高以及良好的檢測(cè)性能。碳基材料符合以上要求，以sp2雜化碳為主體的石墨、玻碳、碳粉、碳纖維和sp3為主體的金剛石等各種碳材料是電化學(xué)研究中最為常用的基礎(chǔ)電極材料［19］，它們制作的電極具有較高的化學(xué)惰性、導(dǎo)電性好、背景電流小、電化學(xué)窗口寬等優(yōu)點(diǎn)。

檢測(cè)鉛離子的碳基電極研究進(jìn)展如圖2所示。自20世紀(jì)50、60年代發(fā)明了碳糊電極（CPE）［20］和玻碳電極（GCE）［21］以來(lái)，以碳基為基礎(chǔ)電極進(jìn)行鉛離子的檢測(cè)受到廣大電分析化學(xué)工作的青睞，先后出現(xiàn)了碳絲網(wǎng)印刷電極［22］、碳纖維電極［23］、碳離子液體電極［24］、硼摻雜金剛石電極［25］、石墨電極［26-28］、石墨烯電極［29-30］和碳膜電極［31-32］等。然而，碳絲網(wǎng)電極含有的有機(jī)溶劑會(huì)導(dǎo)致石墨缺陷，并且電極的重現(xiàn)性較差，靈敏度不高；碳纖維、石墨、石墨烯和碳膜等電極卻因?yàn)楸砻嬉孜诫娀瘜W(xué)中間體和產(chǎn)物而被污染，需經(jīng)常對(duì)電極進(jìn)行拋光處理；硼摻雜金剛石電極存在著電催化活性低，表面再造等問(wèn)題，對(duì)一些多種電化學(xué)活性物質(zhì)共存體系進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，選擇性和靈敏性均較差。

CPE是利用具有導(dǎo)電性的石墨粉與疏水性的黏合劑混合制成的糊狀物，然后將其涂在電極棒上或填充在電極管中而制成的一類電極，碳離子液體電極則是用導(dǎo)電的離子液體替換疏水性的黏合劑而制備的新型碳糊電極。這類電極可以根據(jù)使用者的需求制成，且電位窗口寬，表面易于更新，使用壽命長(zhǎng)及成本低廉。GCE具有無(wú)毒、導(dǎo)電性強(qiáng)、可重復(fù)使用、表面易于修飾以及較高的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。從文獻(xiàn)數(shù)量分析，CPE和GCE是目前檢測(cè)鉛離子電化學(xué)傳感器中最常見的、使用最廣泛的碳基電極。

圖2 鉛離子檢測(cè)碳基電極歷史時(shí)間線［22-34］

3 基于碳基電極電化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展

為提高碳基電極檢測(cè)鉛離子的分析性能和機(jī)械穩(wěn)定性，減少表面活性物質(zhì)吸附在電極表面導(dǎo)致電極鈍化，需要對(duì)電極表面進(jìn)行修飾（CME）。從無(wú)機(jī)、有機(jī)和功能核酸等修飾電極的材料著手，總結(jié)分析了現(xiàn)階段鉛離子電化學(xué)傳感器的研究進(jìn)展。

3.1 無(wú)機(jī)納米材料修飾的電化學(xué)傳感器

無(wú)機(jī)納米材料中的金屬、金屬氧化物、碳納米材料和二氧化硅等由于具有化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、高的表面反應(yīng)活性、催化效率、大的比表面積及很強(qiáng)的吸附能力等優(yōu)點(diǎn)［35］，常作為碳基電極的修飾材料，用于構(gòu)建電化學(xué)傳感器。

3.1.1 金屬納米材料 金、銀、鉍、汞等金屬納米材料具有獨(dú)特的光電學(xué)和催化性能，常用于對(duì)碳基電極進(jìn)行修飾。自19世紀(jì)20年代初Heyrovsky發(fā)現(xiàn)極譜法檢測(cè)重金屬以來(lái)，汞修飾的電極起到關(guān)鍵的作用［36］，但汞元素對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，已經(jīng)被很多國(guó)家和地區(qū)限制使用。因此，環(huán)境友好型的、綠色低毒的電極修飾材料在電分析化學(xué)領(lǐng)域中受到更廣泛的關(guān)注，如金［37］、銀［38］、鉍［39］等金屬，它們具有化學(xué)惰性、高導(dǎo)電性以及生物適配性等性質(zhì)，在制成納米材料后，利用率得到了巨大的提高。

自2000年Wang和他的團(tuán)隊(duì)［39］首次發(fā)現(xiàn)了鉍膜具有與汞膜類似的效果以來(lái)，因其毒性低、環(huán)境友好、靈敏度高、易于修飾、線性范圍寬、可實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定痕量鉛離子，業(yè)已替代傳統(tǒng)的汞電極。Zhou等［40］采用恒電流電解法成功地在玻碳電極表面修飾了多孔結(jié)構(gòu)的樹狀鉍膜，以方波溶出伏安法（SWSV）檢測(cè)Pb2+的線性范圍為5-50 μg/L。

3.1.2 金屬氧化物納米材料 金屬氧化物納米粒子具有較強(qiáng)的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)動(dòng)力以及較大的比表面積，它們?cè)陔姌O表面有更多的吸附位點(diǎn)能夠吸附更多的被測(cè)鉛離子，它們還具有優(yōu)良的納米形態(tài)學(xué)、生物相容性、高的催化性及無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，因此，它們常用于檢測(cè)鉛離子的電極修飾。這類金屬氧化物主要有Fe3O4［41］、TiO2［42］、MgO［43］與 Cu2O［44］等。此外，雙金屬氧化物由于具有協(xié)同作用，良好的富集與溶出金屬離子的能力，受到越來(lái)越多的關(guān)注。Li等［45］用鈰-鋯氧化物標(biāo)記的納米微球?qū)ΣＬ茧姌O進(jìn)行修飾，并對(duì)鉛離子進(jìn)行檢測(cè)，最低檢出限達(dá)到0.006 μmol/L，線性范圍為 0.02-0.5 μmol/L。該電極對(duì) Hg（II），Cd（II），Cu（II）和 Zn（II）的抗干擾能力比較強(qiáng)，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性均較高。

3.1.3 碳納米材料 碳納米材料，如碳納米粒子，碳納米管（CNTs）、富勒烯和石墨烯（GR）等，具有化學(xué)惰性，表面不易被氧化，氫超電位高，背景電流小，且導(dǎo)電性能好，價(jià)格便宜，這使得它們成為檢測(cè)重金屬鉛離子的理想修飾材料。

3.1.3.1 碳量子點(diǎn) 碳量子點(diǎn)（CQD）是一類粒徑小于10 nm的，由分散的準(zhǔn)球形顆粒組成，是一種新型的發(fā)光材料［46］，由于其具有可調(diào)節(jié)發(fā)光特性、光穩(wěn)定性、良好的溶解性、生物相容性、易被官能化等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。CQD表面有大量的含氧基團(tuán)［47］，能夠與鉛離子結(jié)合，而其熒光性質(zhì)則可用于構(gòu)建鉛離子檢測(cè)傳感器。然而，CQD的電化學(xué)性能與光致發(fā)光性能相比，由于其導(dǎo)電性低、層疊結(jié)構(gòu)多，因此需要與碳納米管、氧化石墨烯等結(jié)合形成復(fù)合修飾材料。Li等［48］構(gòu)建了氮摻雜碳量子點(diǎn)氧化石墨烯（NCQD-GO）陽(yáng)極溶出伏安法測(cè)定鉛離子的新型電化學(xué)傳感器，鉛離子檢測(cè)的線性范圍為20.72-10360 μg/L，最低檢測(cè)限為 1.17 μg/L。

3.1.3.2 碳納米顆粒 碳納米顆粒（CNPs）的粒徑大于10 nm，由非晶態(tài)和納米晶核組成，具有廣泛的、有吸引力的生物學(xué)特性，如低毒性、良好的生物相容性，高電導(dǎo)率以及比表面積大等，這使得CNPs可用于鉛離子的檢測(cè)。Simpson等［49］用CNPs修飾玻碳電極并用于鉛離子的檢測(cè)，檢測(cè)限為0.3 ppm，線性范圍為0.5-5 ppm。

3.1.3.3 碳納米管 自1991年Iijima［50］偶然發(fā)現(xiàn)碳納米管（CNTs）以來(lái)，碳納米管成為電化學(xué)中最常用的修飾材料之一。CNTs雖然化學(xué)組成簡(jiǎn)單并以原子結(jié)合形態(tài)呈現(xiàn)，卻可以展現(xiàn)出復(fù)雜多變的結(jié)構(gòu)及相關(guān)的物理、化學(xué)性能，不但耐熱、耐腐蝕及導(dǎo)電性好，而且還具有小尺寸、表面效應(yīng)和空間量子隧道效應(yīng)、良好的電學(xué)特性和大的比表面積等。此外，鉛離子檢測(cè)的選擇性和靈敏度可以通過(guò)CNTs的功能化得到加強(qiáng)。Afkhami等［33］用新合成的席夫堿與多壁碳納米管修飾碳糊電極，最低檢測(cè)限為0.25 ng/L，線性范圍為1.0-1 100 ng/L。多壁碳納米管提高了電極檢測(cè)的靈敏度和穩(wěn)定性，席夫堿能夠提高電極檢測(cè)的選擇性和靈敏度。因此，CNTs在構(gòu)建鉛離子檢測(cè)電化學(xué)傳感器中具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1.3.4 石墨烯 石墨烯由碳原子以sp2雜化連接的單原子層構(gòu)成，具有熱導(dǎo)率高、機(jī)械性能強(qiáng)、韌性好、表面積大和電子傳輸性能優(yōu)異等特點(diǎn)［51］，已被廣泛用于重金屬鉛離子的檢測(cè)［52］。為了進(jìn)一步提高石墨烯的選擇性和靈敏度，可對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)酸或氧化劑進(jìn)行處理，引入羧酸和羥基基團(tuán)并進(jìn)一步共價(jià)連接其他功能分子或能夠識(shí)別鉛離子的基團(tuán)，如石墨烯-金屬納米復(fù)合修飾材料［53］、石墨烯-金屬氧化物復(fù)合修飾材料［54］、石墨烯-聚合物復(fù)合修飾材料［55］和石墨烯-生物分子復(fù)合修飾材料［56］。

Liu等［54］采用自組裝的方式構(gòu)建了以氮摻雜的石墨烯為基底的Fe3O4@TiO2@NG@Au@ETBD納米復(fù)合修飾材料，其修飾的GCE檢測(cè)Pb2+的線性范圍為4×10-13-2×10-8mol/L，檢出限為 7.5×10-13mol/L，如圖3所示。Fe3O4@TiO2提升了電子遷移率、化學(xué)穩(wěn)定性以及Pb2+的吸附能力；氮摻雜的石墨烯作為基底材料提供了Fe3O4@TiO2和金納米顆粒的結(jié)合位點(diǎn)，并增強(qiáng)電信號(hào)；金納米顆?？梢酝ㄟ^(guò)金硫鍵連接無(wú)機(jī)的納米材料和有機(jī)化合物（ETBD），ETBD能夠與大量的Pb2+結(jié)合形成［Pb（II）-ETBD］n+，從而實(shí)現(xiàn)Pb2+的特異性檢測(cè)。

Muralikrishna等［55］構(gòu)建了氧化石墨烯與聚苯胺水凝膠修飾GCE檢測(cè)鉛離子的電化學(xué)傳感器，以方波陽(yáng)極溶出伏安法檢測(cè)Pb2+的線性范圍為0.2-250 nmol/L和250-3 500 nmol/L，該傳感器重現(xiàn)性和可再生性較好，檢測(cè)結(jié)果可以達(dá)到原子吸收光譜法的水平（圖4）。Xue等［56］在結(jié)合了血紅素的石墨烯片上修飾了花狀的MnO2和珠狀金納米顆粒官能團(tuán)，并融入了特異性檢測(cè)Pb2+的單鏈DNA，作為電活性探針與電催化劑實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)Pb2+的電信號(hào)放大。該傳感器檢出限為0.1 pmol/L-200 nmol/L，最低檢出限為0.034 pmol/L，靈敏性和特異性均較高（圖5）。

圖3 I：Fe3O4@TiO2@NG@Au納米復(fù)合材料的構(gòu)建過(guò)程；II：采用Fe3O4@TiO2@NG@Au納米復(fù)合材料修飾的GCE對(duì)Pb（II）進(jìn)行檢測(cè)示意圖

3.1.4 介孔類材料 介孔類材料是孔道介于2-50 nm一種多孔材料，分為硅基和非硅基兩大類。硅基介孔材料有MCM系列、SBA系列和MSU系列等。非硅基介孔材料主要包括介孔氧化鋁等過(guò)渡金屬氧化物和介孔碳等非氧化物。介孔類修飾材料由于孔道結(jié)構(gòu)有序、孔徑分布窄、孔徑大小可調(diào)、比表面積高、熱穩(wěn)定性好，且表面含有大量吸附能力強(qiáng)的羥基，備受研究者的關(guān)注。

目前，采用介孔硅和介孔碳兩種材料檢測(cè)鉛離子，如Yantasee等［57］用磷酸乙酰胺功能化介孔氧化硅修飾絲網(wǎng)印刷電極以方波伏安法檢測(cè)Pb2+，富集5 min之后，檢測(cè)限為0.91 ppb，并且該修飾電極的重現(xiàn)性很好。Yin等［58］采用介孔碳和全氟磺酸復(fù)合物修飾玻碳電極，鉛離子的最低檢測(cè)限為0.13 μg/L，線性范圍為 5-70 μg/L。

圖4 聚苯胺與氧化石墨烯水凝膠化合物的合成及其修飾的GCE檢測(cè)Pb2+示意圖

圖5 檢測(cè)Pb2+的電化學(xué)傳感器的制作及信號(hào)放大策略

3.2 基于有機(jī)材料的電化學(xué)傳感器

3.2.1 有機(jī)小分子 有機(jī)分子對(duì)重金屬離子的特異識(shí)別能力被用于電化學(xué)傳感器的制備［59］，其氨基能與鉛離子形成金屬螯合物，從而起到檢測(cè)的作用［60］。Fatima等［61］采用1，8-二氨基萘與鉍的復(fù)合材料修飾碳糊電極，構(gòu)建了鉛離子電化學(xué)傳感器，檢測(cè)范圍為 0.5-50 μg/L，最低檢測(cè)限為 0.3 μg/L。

3.2.2 有機(jī)聚合物 有機(jī)聚合物，特別是導(dǎo)電聚合物和螯合聚合物，通過(guò)聚合單體或修飾聚合物于電極表面，與重金屬鉛離子進(jìn)行強(qiáng)的配位，已被用于制備靈敏度和選擇性更高的鉛離子電化學(xué)傳感器。常用的導(dǎo)電性聚合物包括聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）、聚苯乙烯（PS）和硫醇（PDMcT）等。

Dai等［62］以氧化聚合的方式合成了PPy與氧化石墨烯納米復(fù)合材料，植酸（PA）在靜電引力的作用下對(duì)該納米復(fù)合材料進(jìn)行功能化修飾，復(fù)合物PA/PPy/GO修飾的玻碳電極具有高的導(dǎo)電性和靈敏度，鉛離子檢測(cè)的線性范圍為5-150 μg/L。Promphet等［63］采用制備好的石墨烯/聚苯胺/聚苯乙烯多孔納米纖維復(fù)合材料對(duì)絲網(wǎng)印刷碳電極進(jìn)行修飾，該傳感器檢測(cè)鉛離子的線性范圍為10-500 μg/L，最低檢測(cè)限為 3.3 μg/L。

3.3 基于功能核酸的電化學(xué)傳感器

20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來(lái)的基于指數(shù)富集配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)得到的各種可與目標(biāo)物高親和力、高特異性結(jié)合的DNA或RNA序列被稱為功能性核酸（FNAs）。它們與傳統(tǒng)的核酸堿基相比，具有更廣泛的識(shí)別能力、催化活性及較高的化學(xué)和熱穩(wěn)定性及良好的結(jié)構(gòu)變異性，為構(gòu)建功能核酸電化學(xué)傳感器提供了新的識(shí)別元件。

3.3.1 基于脫氧核酶修飾的Pb2+電化學(xué)傳感器 脫氧核酶（DNAzyme）是利用體外篩選的組合生物學(xué)技術(shù)獲得的，對(duì)特定的底物產(chǎn)生具有類似于蛋白酶催化活性的小分子單鏈DNA片段。DNAzyme具有穩(wěn)定性和高催化活性、合成簡(jiǎn)單、費(fèi)用較低、易于修飾等優(yōu)點(diǎn)，尤其是對(duì)鉛離子具有高度的識(shí)別特異性的DNAzyme，其活性與鉛離子濃度密切相關(guān)，因此可以用其制備檢測(cè)鉛離子的電化學(xué)傳感器［64-69］。

如8-17型DNAzyme（圖6），是由兩條單鏈DNA組成，其中一條單鏈稱作底物DNA鏈，包含一個(gè)切割位點(diǎn)；另一條為核酸酶鏈，由催化中心區(qū)域和兩側(cè)的底物識(shí)別結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。催化中心區(qū)域，由一個(gè)莖-環(huán)結(jié)構(gòu)和一段單鏈區(qū)域構(gòu)成，含有至少兩對(duì)為G-C堿基對(duì)，環(huán)部序列含有3個(gè)堿基，其堿基序列不能發(fā)生任何變化。在鉛離子存在下，催化水解8-17型DNAzyme底物DNA鏈上的RNA底物磷酸二酯鍵，從而在核糖核酸堿基（rA）處發(fā)生斷裂，因此，可應(yīng)用于Pb2+的分析檢測(cè)［64］。

此外，將納米材料與DNAzyme結(jié)合起來(lái)用于電極的復(fù)合修飾材料可以放大檢測(cè)鉛離子的信號(hào)。Xue等［56］將制備的S3-hAuPd-fMnO2-hemin@rGO 復(fù)合材料對(duì)玻碳電極進(jìn)行修飾，該傳感器檢測(cè)鉛離子的范圍為0.1 pmol/L-200 nmol/L，最低檢出限低至0.034 pmol/L。

圖6 8-17型DNAzyme的結(jié)構(gòu)及其檢測(cè)Pb2+的原理

3.3.2 基于G-四聯(lián)體修飾的Pb2+電化學(xué)傳感器 Pb2+可誘導(dǎo)富鳥嘌呤（G）的DNA構(gòu)象轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的G-四聯(lián)體（G4）結(jié)構(gòu)［70］，G4的基本單元是由四個(gè)鳥嘌呤在一正方形平面內(nèi)以氫健環(huán)形連接而成，每一個(gè)G堿基既為氫健的受體也為配體，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的四鏈結(jié)構(gòu)。由于Pb2+的半徑小，進(jìn)入G4兩個(gè)平面中央后，使兩個(gè)平面之間的垂直距離更小，使得G4結(jié)構(gòu)更加緊湊、更加穩(wěn)定，這一特性使其成為一種特定的識(shí)別鉛離子的功能核酸［71］。

此外，當(dāng)鉛離子存在時(shí)，雙鏈DNA將會(huì)解開為單鏈DNA，一條鏈形成G4，Zhu等［72］運(yùn)用這一原理，在雙鏈DNA上加入亞甲基藍(lán)（MB），當(dāng)加入鉛離子時(shí)，雙鏈DNA解開為單鏈，并形成G4結(jié)構(gòu)，MB從電極表面釋放出來(lái)，引起電信號(hào)減弱，從而實(shí)現(xiàn)鉛離子的檢測(cè)，線性范圍為5.0×10-11-1.0×10-14mol/L，檢出限為4.3×10-15mol/L（圖7）。

4 總結(jié)與展望

圖7 鉛離子檢測(cè)DNA傳感器的組裝與檢測(cè)

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的不斷提高，污染物尤其是重金屬鉛離子不斷地被排放到環(huán)境中，對(duì)人類健康的影響也越來(lái)越顯著。因此，為了克服鉛離子對(duì)環(huán)境的毒性影響，需要對(duì)其進(jìn)行痕量水平的監(jiān)測(cè)。相比于傳統(tǒng)的原子吸收光譜法，基于碳基電極的電化學(xué)傳感器因能簡(jiǎn)單、快速、靈敏地對(duì)重金屬鉛離子進(jìn)行檢測(cè)而越來(lái)越得到研究者的重視。

在過(guò)去60余年中，該類型傳感器在以下兩個(gè)方面進(jìn)行了大量的研究，一方面是基底電極碳材料的發(fā)展，出現(xiàn)了碳糊、玻碳、碳纖維、硼摻雜金剛石、石墨、石墨烯和碳膜等碳基電極，未來(lái)也會(huì)有更多的碳基電極被發(fā)明，然而它們由于表面易被污染，檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確度都會(huì)隨著使用次數(shù)的增加而有不同程度地降低的不足；另一方面是為了克服裸碳基電極的缺點(diǎn)、增加鉛離子氧化反應(yīng)的電信號(hào)及拓寬檢測(cè)線性范圍及降低檢出限而進(jìn)行的電極表面修飾研究，目前，已報(bào)道的碳基電極修飾材料有金屬、金屬氧化物、碳納米材料和二氧化硅等無(wú)機(jī)納米材料，有機(jī)小分子和聚合物等有機(jī)材料，以及脫氧核酶和G-四聯(lián)體等功能核酸物質(zhì)。而近年來(lái)興起的功能核酸電化學(xué)傳感器，更是極大地提高了鉛離子的檢出限達(dá)到飛摩爾級(jí)，而且特異性、靈敏度和響應(yīng)速度都非常高，因此受到了更大的關(guān)注。

雖然基于碳基電極的電化學(xué)傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍然存在一些缺點(diǎn)和不足，主要表現(xiàn)在：（1）當(dāng)前的研究大多集中在不同水體類型的鉛離子檢測(cè)，而檢測(cè)土壤、植物等更復(fù)雜體系中鉛離子的研究較少，可能是由于這些體系中鉛離子的溶出更加困難，且干擾因素太多；（2）這些傳感器檢測(cè)的線性范圍較窄，意味著樣品仍需進(jìn)行合適的前處理，因此，很大程度上限制了它們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)即時(shí)檢測(cè)；（3）當(dāng)前研究的傳感器仍以實(shí)驗(yàn)室理論研究為主，能實(shí)際應(yīng)用的成熟化產(chǎn)品仍較少。因此，基于碳基電極的電化學(xué)傳感器在很多方面仍需改進(jìn)和提高，如尋找新的碳材料，提高基底電極的重現(xiàn)性和抗干擾能力；尋找新的功能核酸，提高修飾電極檢測(cè)鉛離子的靈敏度；通過(guò)不斷提高碳納米管、氧化石墨烯、量子點(diǎn)等納米材料及有機(jī)材料的功能，擴(kuò)大鉛離子檢測(cè)的線性范圍等。

未來(lái)隨著材料學(xué)、分子生物學(xué)等諸多細(xì)分領(lǐng)域的發(fā)展，更加簡(jiǎn)便、易攜帶、穩(wěn)定性和重復(fù)性好，能進(jìn)行實(shí)時(shí)定量原位檢測(cè)的碳基電極的電化學(xué)傳感器將會(huì)被發(fā)明，并用于環(huán)境和食品安全等領(lǐng)域的監(jiān)測(cè)。