鄭德論 張銳龍 陳鍵僑

摘要：石墨烯（GR）是一種單原子碳納米材料，具有獨特的二維共軛平面結構，表現(xiàn)出優(yōu)越的化學、力學、熱學和電學性能。氧化石墨烯（GO）是制備石墨烯的前驅體，類似于石墨烯的二維結構，GO表面含大量的含氧官能團，具有良好的水溶分散性，GO通過化學還原方法可以得到導電性良好的GR材料。將GR材料與其他功能材料進行復合，可進一步改善復合物的物理和化學性能，如可分散性、可加工性和電催化活性等。綜述了GR（包括GO）與碳納米材料、金屬納米粒子、金屬氧化物、非金屬單質、聚合物或其他功能生物分子材料結合后，得到復合功能修飾材料用于構建高性能電化學生物傳感器。探究了復合制備材料的納米結構特征、功能結構作用對于提高傳感器的電催化和電化學選擇性能等方面的應用。

關鍵詞：石墨烯（GR）;氧化石墨烯（GO）;功能修飾;電化學;分析性能

中圖分類號：TH145.1+3? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）07-0005-06

Abstract： Graphene （GR）， as a kind of monatomic carbon nanomaterial， which has a unique two-dimensional conjugate planar structure and shows excellent chemical， mechanical， thermal and electrical properties. Graphene oxide （GO） is a precursor of graphene， which similar to the two-dimensional structure of graphene. GO surface containing a large number of oxygen-containing functional groups，resulting has a good water-soluble dispersion. The good conductivity of GR materials can be obtained by the chemical reduction method of GO. The graphene materials compositing with other functional materials would further improve the complex physical and chemical properties， such as dispersibility， workability and electrocatalytic activity. The fabricated high performance electrochemical biosensors by combining graphene （including GO） with carbon nanomaterials， metallic nanoparticles， metal oxides， non-metallic， polymers or other functional biomolecule materials to form the composite functional modified materials were reviewed. The nanostructural features of the composite material were explored and the application of its functional structure for improving the electrocatalytic and electrochemical selectivity of the sensor was also discussed.

Key words： graphene（GR）; graphene oxide（GO）; functional modification; electrochemistry; analysis performance

石墨烯（GR）是一種無限延伸的二維（2D）碳晶體，碳原子的組裝排列類似蜂窩狀的六角邊晶格結構[1，2]。目前，GR的概念已擴展到由一系列石墨材料組成，包括一個或多個石墨烯片層和大量的sp2雜化碳缺陷結構，并具有表面多孔的特點[3]。GR表現(xiàn)出各種優(yōu)越的特殊屬性，包括大的比表面積、高的透亮度、強的電場效應、良好的導熱導電屬性、優(yōu)良的機械強度和延展性能等[4]。GR已廣泛應用于電子觸摸屏、超級電容器、燃料電池、 生物傳感器、透明導電薄膜和相關電子元器件等領域[3，5，6]。

GR的制備一般以石墨為原料，主要方法有機械剝離法、化學合成法、電化學還原方法、化學氣相沉積法（CVD）和SiC裂解法等[7-11]。在這些方法中，化學機械剝離法是制備GR的主要方法，可以產(chǎn)生大量適合進一步功能化的分子結構。氧化石墨烯（GO）作為制備GR的前驅體，擁有豐富的表面缺陷和大量的含氧官能團（如環(huán)氧基團、羧基和羥基等），這不僅可以作為電化學過程中的催化活性中心，還可以為共價或非共價功能化作用提供活性位點[12]。然而，這樣破壞了石墨本體的sp2鍵網(wǎng)狀結構，導致GO變?yōu)榻^緣體材料。因此，需要對GO進行還原脫氧處理，如熱學、化學或電化學還原方法等以恢復原始石墨烯的各種屬性[13]。

功能性材料通常認為具有特定的本質屬性及其特殊的功能作用。功能材料存在于所有類型的材料之中，包括金屬單質、金屬氧化物納米粒子、聚合物分子、有機物和生物分子材料等。這些功能材料或功能生物分子常用于化學修飾電極的制備，可以提高傳感界面的電學催活性或生物功能作用。GR材料盡管表現(xiàn)出多種優(yōu)異的化學或物理性能，但單一組分的GR在實際應用中仍有一定的局限性[14]。GR與其他功能材料結合形成的復合物結構，可以很好地協(xié)調各組分之間的物理和化學性能，使復合物材料呈現(xiàn)多種功能性作用[15-19]。例如，GR的水溶劑性能夠提高其分散性，有利于增強制備電極的成膜效應;修飾上聚電解質化合物可以大大提高帶相反電荷物質的吸附能力;與金屬納米粒子結合（NPs）可以提高其對特定生物小分子的選擇性催化性能;結合生物識別元素可以幫助捕獲目標分析物并協(xié)助信號轉換功能;與透明塑料的集成可制備成可穿戴的光敏電化學傳感器等。

作為一種有前景的電極制備材料，石墨烯復合物在傳感界面上表現(xiàn)出諸多優(yōu)點，如良好的穩(wěn)定性、低的過電位、寬的化學窗口和顯著的催化活性，特別有利于設計高性能的電化學傳感器或生物傳感器[12，20，21]。電化學檢測技術通常有循環(huán)伏安法（CV）、方波伏安法（SWV）、差分脈沖伏安法（DPV）、電化學阻抗譜法（EIS）、電流-時間測量法（IT）和電化學發(fā)光法（ECL）等，由于操作簡單、成本低廉和環(huán)境污染少，被廣泛用于提高傳感界面的分析靈敏度[3，22-27]。本研究綜述了GR與其他納米材料、聚合物材料、生物分子材料等結合形成的復合功能性材料作為修飾界面，構筑出不同類型的電化學生物傳感器，結合以上電化學檢測方法實現(xiàn)對葡萄糖分子、H2O2分子、DNA生物分子、有機生物分子以及重金屬Hg2+ 的高性能檢測，并闡明了石墨烯復合修飾物的結構特征及其功能性作用在目標分析物中的重要應用途徑。

1? GR和GO的分析性能及應用

1.1? 對葡萄糖和H2O2的檢測

Wang等[28]通過電流置換反應和熱還原氧化石墨烯（rGO）方法制備出兩種金屬Ag/Pt納米粒子與rGO雜化形成的復合材料。SEM、TEM、XRD、EDXS（能量色散X射線光譜）和FTIR（傅里葉紅外光譜）表征方法用于對復合物的形貌表征和組分分析。圖譜分析結果表明，熱還原法能高效率制備出石墨烯膜層中穩(wěn)定的空心型Ag/Pt納米粒子結構，其中Pt、Ag原子的百分比分別為60%和40%。循環(huán)伏安法（CV）測量表明，rGO復合物修飾電極可以直接檢測葡萄糖，并具有較高的電催化活性。葡萄糖在Ag/Pt-rGO上的理想測量電流響應靈敏度為129.32 A/mm·cm2， 信號響應時間少于3 s，獲得較低的檢出限為1.81 μmol/L。此外，該復合材料制備的非酶葡萄糖生物傳感器也顯示出良好的選擇性、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，因而可應用于實際樣品中葡萄糖含量的快速、準確測定。

GR與金屬半導體納米復合材料的雜化共軛結構，具有大的比表面積和卓越的電氣/電催特性，可以提高制備傳感器的檢測靈敏度。Krishna等[29]合成了一種還原氧化石墨烯和鎳納米顆粒（rGO-Ni NPs）的雜化共軛物，將該復合物進一步沉積在玻碳電極（GCE）上，作為殼聚糖和葡萄糖氧化酶的復合納米膜層。SEM用于分析膜層的表面形態(tài)，CV和EIS電化學方法表征制備傳感器的電流響應信號，結果表明，在低電位下，石墨烯復合物修飾界面對亞毫摩爾的葡萄糖濃度具有高的檢測靈敏度（達到129 μA/cm2·mmol/L）和良好的線性檢測范圍。該項研究內容可應用于開發(fā)檢測人體血液樣本中的低血糖含量，以及無創(chuàng)測定某些體液如唾液或眼淚的血糖含量。

Ren等[30]通過采用多巴胺作為氮源和還原劑，將嵌段共聚物P123（聚乙烯-聚丙二醇）作為孔隙成膜劑，GO作為碳前驅體，制備出一種新型氮摻雜多孔石墨烯/Pt納米花材料（Pt/N-PGR）。TEM表征圖譜顯示，樹枝狀的Pt納米花均勻分散在氮摻雜的多孔石墨烯上。XPS（X射線光電子能譜）分析結果表明，PGR復合制備材料表面存在C、O、N和Pt元素。電化學試驗顯示，Pt/N-PGR/GCE修飾電極提高了對H2O2還原和葡萄糖氧化的電催化活性，H2O2和葡萄糖的線性檢測范圍分別為0.5～40326 μmol/L和0.5～133.5 mmol/L，并獲得較低的檢測限達到0.2 μmol/L和0.05 mmol/L。抗干擾和選擇性試驗研究進一步表明，制備的PGR復合材料修飾界面可應用于構建高性能的葡萄糖生物傳感器。

Zhou等[31]制備一種溫度感應生物傳感復合膜，該膜層由塊狀共聚物N-異丙基-b-丙烯酰胺基甲基苯甲酸酯（PNIPAM-b-PAAE），GO和血紅蛋白（Hb）組成PGH，膜層優(yōu)良的微環(huán)境可以促進Hb在GCE電極上發(fā)生電子轉移。電化學CV法圖譜（圖1）表明，Hb在復合膜層（PGH）修飾GCE電極上有一對明顯的氧化還原峰，顯示出對H2O2內在的電催化活性。復合膜對H2O2可調控的催化活性可以通過溫度變化來實現(xiàn)。當超過較低的臨界溶解溫度32 ℃時，GO復合膜修飾電極對H2O2的線性檢測濃度范圍為0.1～3.7 μmol/L;當溫度低于30 ℃時，其濃度檢測范圍改變?yōu)?.2～3.7 μmol/L。這種現(xiàn)象可歸因于PNIPAM-bPAAE的溫度依賴性相變和與GO的協(xié)同作用。

Mani等[32]采用簡單的溶液制備方法合成出還原氧化石墨烯、多壁碳納米管、鉑納米顆粒和肌紅蛋白的復合納米材料（rGO-MWCNT-Pt/Mb），應用于對過氧化氫（H2O2）和亞硝酸鹽（NO2-）的直接電化學傳感分析。SEM 形貌表征可觀察到rGO復合物的納米多孔表面上覆蓋有大量的Mb分子，顯示出復合材料修飾界面大的表面積和良好的親和力有利于Mb的固載或吸附。CV法圖譜表明，Mb在rGO-MWCNT-Pt/Mb復合材料界面上有一對明顯的氧化還原峰。對于檢測H2O2，觀察到兩個線性濃度范圍，分別為10 pmol/L～0.19 nmol/L和0.25 nmol/L～2.24 mmol/L。制備傳感器還獲得較低的檢測限（LOD）為6 pmol/L，該數(shù)據(jù)是目前H2O2的最低檢測限之一。對NO2檢測，得到一種寬的線性范圍濃度為1～12 mmol/L。上述試驗數(shù)據(jù)表明，RGO復合物修飾材料構建的電化學傳感界面具有高靈敏度的分析特征，是H2O2檢測的可行性手段之一。

1.2? 對DNA生物分子的檢測

Yola等[33]開發(fā)一種2-氨基乙硫醇（AET）與Fe包覆Au納米粒子進行功能化修飾的GO復合材料。TEM、XRD和X射線光電子能譜方法用于表征復合物的形貌結構和元素組成。圖譜分析結果表明，通過利用2-AET上的硫基，GO被功能化修飾上殼核型Fe-Au雙金屬納米顆粒，AuNPs對巰基官能團具有很高的結合親和力。反射紅外吸收光譜法（RAIRS）表征Au納米顆粒與巰基之間的相互作用，證實了Fe@AuNps-AETGO復合物已經(jīng)形成。將ss-DNA單鏈探被固定到GO復合納米材料上面，以甲基藍41（BB41）作為電化學指示劑，方波伏安法（SWV）檢測DNA探針與互補鏈DNA的雜交形成過程，試驗結果顯示BB41峰電流與互補濃度的對數(shù)呈線性關系。與其他文獻報道作比較，該DNA生物傳感器還獲得了較低的檢測限為2.0×10-15 mol/L，表現(xiàn)出較高的檢測靈敏度。將ssDNA-Fe@AuNPs-AETGO功能界面進一步應用于對單堿基、雙堿基和三堿基錯配DNA序列進行分析，GO復合修飾材料具有良好的選擇性識別能力。

Huang等[34]將GR與Au納米棒和聚硫堇的復合物（G/AuNR/PT）修飾到玻碳電極表面（GCE），制備出一種無酶和無標記超靈敏檢測人乳頭瘤病毒（HPV）的電化學DNA生物傳感器。該項工作設計了兩種輔助探針，用于遠程自組裝DNA納米結構。EIS和DPV電化學測量試驗結果表明，GR可以增加電極比表面積，協(xié)同提高G/Au NR/PT/GCE修飾界面的電子傳遞能力，結合DNA的自組裝納米結構功能，能夠多重放大HPV DNA的電化學響應信號，從而大大增強了制備傳感器的檢測靈敏度，檢測限值達到4.03×10-14 mol/L。采用不同方法對該試驗過程進行優(yōu)化后，也可以應用于對復雜人群血清樣品中的HPV DNA檢測。

Zhang等[35]設計出一種利用聚乙烯亞胺（PEI）還原氧化石墨烯（rGO）和空心金納米粒子（HAuNPs）作為信號放大基質，萄糖氧化酶（GOx）作為識別元素構建的電化學發(fā)光（ECL）伴刀豆球蛋白A（ConA）生物傳感器。SEM形貌表征明顯觀察到空心球型的AuNPs吸附在PEI-rGO表面。傳感器的主要制備原理過程：首先，有豐富氨基官能團的rGO被固載到玻碳修飾電極上，用于吸附HAuNPs粒子增強ECL信號。接著，GOx通過Au與-NH2之間的相互作用力組裝到修飾電極表面。當有葡萄糖（Glucose）存在時，GOx催化葡萄糖產(chǎn)生H2O2，ECL信號源得到聯(lián)合加強。當ConA存在時，制備電極的響應信號降低，從而實現(xiàn)對ConA的檢測。ConA的濃度對數(shù)與ECL信號強度呈線性關系，線性檢測范圍為1.0～20 ng/mL，并獲得一個較低的檢測限為0.31 ng/mL。此結果比之前報道ConA的低濃度檢測限值提高了1 000倍，表明PEI/rGO復合修飾材料制備傳感器具有極佳的檢測靈敏度。

1.3? 對有機生物分子的檢測

Rani等[36]采用一種簡單的化學合成方法，獲得片層石墨烯與Fe3O4納米粒子的復合物（Fe3O4/rGO），應用Fe3O4/rGO作為傳感膜層界面電化學檢測多巴胺（DA）。制備出的復合物形貌表征顯示，F(xiàn)e3O4的納米結構類似綻放出6個對稱分布的花瓣（圖2），即便是在rGO存在的條件下，F(xiàn)e3O4的立方反尖晶石結構形貌、大小及組分都沒有發(fā)生改變。電化學試驗研究表明，rGO修飾納米結構復合物對DA具有顯著的催化活性，DA的氧化測量電流響應時間為5 s，寬的線性檢測濃度范圍為0.010～0.270 mmol/L，并獲得一個高的靈敏度檢測單位為19.75 mA/mmol/L·cm2。選擇性試驗表明，即使有其他干擾物質如AP、UA、HA等存在條件下，制備傳感器變亦能顯示出對DA優(yōu)越的識別能力。對人體尿液樣本DA的精確度檢測進一步說明制備的復合物納米功能材料具有實際應用性能。

Sun等[37]利用氟磺酸（Nafion）良好的成膜性可以有效固載蛋白質分子，通過電共沉積方法將肌紅蛋白（Mb），海藻酸鈉（SA）和Fe3O4-graphene（Fe3O4-GR）的復合物修飾到碳離子液體電極（CILE）上，得到一種Mb-SA-Fe3O4-GR/CILE復合材料電化學傳感界面。SEM表征圖譜（圖3）可以看到，F(xiàn)e3O4-GR復合物納米尺寸的粒子形貌，Mb-SA-Fe3O4-GR在CILE電極表面可得到均勻一致的復合膜層，這有利于增強制備傳感器的穩(wěn)定性能。紅外光譜（FT-IR）和紫外可見吸收光譜（UV-vis）表征證實，Mb后可以保留原有結構被固定在SA-Fe3O4-GR復合膜層上。電化學循環(huán)伏安法（CV）圖譜顯示，修飾電極上有一雙對稱的氧化還原峰曲線，說明Mb在制備電極上實現(xiàn)了直接的電子轉移，電子轉移數(shù)（n），電荷轉移系數(shù)（a）和電子轉移速率常數(shù)（ks）分別為每秒0.982、0.357和0.234。這可歸結為Fe3O4-GR復合物優(yōu)異的電催化性能，SA良好的生物相容性以及SA和Fe3O4-GR結合的協(xié)同提高效應。該修飾材料制備電極對三氯乙酸（TCA）具有較寬的線性檢測濃度范圍（1.4～119.4 mmol/L）。

1.4? 對重金屬Hg2+的檢測

Peng等[38]合成一種三維還原氧化石墨烯（3D-rGO）與等離子聚丙胺基（PPG）的納米復合材料，制備出高靈敏度的DNA生物傳感器，用于檢測重金屬Hg2+離子。其制備原理為：①標記上Hg2+的DNA鏈及其含有的豐富T堿基（胸腺嘧啶），與3D-rGO@PPG納米復合物上大量的氨基官能團通過強烈的靜電相互作用，被固定于傳感修飾界面上。②DNA與檢測離子Hg2+形成T-Hg2+-T的化學結合作用，并轉化為電化學響應信號，從而實現(xiàn)對Hg2+的傳感分析。電化學測量結果表明，3D-rGO復合修飾膜層作為傳感界面對Hg2+顯示出高的靈敏度，線性檢測范圍為0.1～200 nmol/L，檢測限值達到0.02 nmol/L，并具有較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。選擇性試驗表明制備傳感器可以消除其他金屬離子對Hg2+檢測的干擾。該復合材料可進一步應用于對水環(huán)境中重金屬離子的檢測。

Zhuo等[39]基于核苷酸與二茂鐵-石墨烯（Fc-GN）納米片層之間的π-π相互作用，制備出一種電化學發(fā)光方法（ECL）對Hg2+檢測的生物傳感界面。構建原理及主要過程見圖4， 將單鏈DNA（ssDNA）探針組裝到修飾上Ru（bpy）32+和金納米粒子（GNPs）的玻碳電極（GCE）表面，由于GR與核苷酸之間強的作用，ssDNA探針能夠強烈吸附GR，當存在Hg2+時，DNA構象的單鏈結構轉變?yōu)殡p鏈結構，抑制了對GN的吸附。最后，以ssDNA作為探針指示劑、Fc-GN復合物作為Ru（bpy）32+的電化學發(fā)光淬滅裝置，當Fc-GN離開Ru（bpy）32+時，淬滅效率發(fā)生轉化，從而實現(xiàn)對Hg2+的檢測。該傳感制備界面對不同濃度的Hg2+具有高靈敏的響應信號，檢測限達到18 pmol/L，應用于對自然水中的Hg2+檢測，表現(xiàn)出優(yōu)良的選擇性能。

2? 結論與展望

本研究綜述了以GR復合物修飾材料作為傳感界面，采用電化學或電化學發(fā)光方法檢測多種生物分子如DNA、H2O2、葡萄糖、DA以及重金屬離子Hg2+等的研究進展。研究表明，GR復合修飾材料具有以下功能性特點：納米尺度的空間結構、豐富的表面缺陷、大量的含氧官能團、功能分子的目標選擇、活性位點的催化效應和協(xié)同放大的電化學信號等?；诖耍珿R復合修飾界面提高了電化學檢測的靈敏度和選擇性識別能力， 拓寬了線性檢測范圍并降低了檢測限，傳感器的電化學穩(wěn)定性也得到進一步增強。但是，GR功能修飾材料在電化學應用領域仍待深入研究以下問題[40-45]：①GR復合物的納米尺寸、功能結構以及成分組成如何進行更加有效的調控和優(yōu)化，以使其電化學檢測性能得到最大程度的發(fā)揮;②GR復合物各組分之間的協(xié)同催化機理及其對目標檢測物的影響與聯(lián)系;③功能生物分子在GR復合材料界面上的組裝模式與提高檢測性能的最佳選擇途徑;④二維、三維GR材料復合其他納米粒子或功能分子的微結構形成過程，包括比表面積、多孔構型等，對反應動力學和選擇性的重要影響作用;⑤GR功能修飾材料制備電極的重現(xiàn)性、再生性和抗干擾能力與提高其電化學檢測性能的有機統(tǒng)一等。隨著對GR復合功能材料的深入研究，將賦予其更多豐富的功能化作用，構建協(xié)同發(fā)揮的電化學傳感平臺，從而能夠實現(xiàn)對多種目標物的高性能分析與檢測。

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