包臘月，陳福榮，張 穎，海文峰，

劉雨雙1,2,3(通信作者)，劉景海1,2,3(通信作者)

(1內(nèi)蒙古自治區(qū)納米碳材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 內(nèi)蒙古 通遼 028000）

（2內(nèi)蒙古民族大學(xué)納米創(chuàng)新研究院 內(nèi)蒙古 通遼 028000）

（3內(nèi)蒙古民族大學(xué)化學(xué)與材料學(xué)院 內(nèi)蒙古 通遼 028000)

0 引言

近年來，研究人員在探索用于生物傳感應(yīng)用的新型碳質(zhì)納米材料方面進(jìn)行了諸多研究。碳納米材料具有較大的表面積、良好的電和熱導(dǎo)率及生物相容性，受到學(xué)者們廣泛關(guān)注[1-2]。石墨氮化碳（g-C3N4）作為一種SP2共軛體系的半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特能帶結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的穩(wěn)定性，并且具有成本低、無毒、易制備等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于能源、光催化分解水制氫及生物傳感領(lǐng)域[3-4]。本文以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，簡要概括基于g-C3N4納米材料對(duì)葡萄糖分子、藥物制劑、神經(jīng)遞質(zhì)及食品安全應(yīng)用的檢測，為進(jìn)一步探索g-C3N4在傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用提供思路。

1 葡萄糖分子的檢測

糖尿病是一組因胰島素絕對(duì)或相對(duì)分泌不足引起的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪代謝紊亂性疾病。在過去的幾十年里，由于糖尿病人群的增加，開發(fā)低成本的檢測設(shè)備可以降低糖尿病的監(jiān)測成本。目前，在基于g-C3N4傳感設(shè)備檢測中，人們開發(fā)出酶標(biāo)和非酶標(biāo)型2種類型的葡萄糖檢測方法。TIAN等[5]開發(fā)了一種以超薄g-C3N4納米片為基底的酶促電極，制備出了g-C3N4/GOD/GCE生物傳感器。在該檢測方法中，利用葡萄糖氧化酶（glucose oxidase，GOD）催化氧化葡萄糖為葡萄糖內(nèi)酯和過氧化氫（H2O2），通過測定該反應(yīng)中產(chǎn)生的H2O2或耗氧量對(duì)葡萄糖定量檢測。該傳感器的檢測限為11 μm。由于酶存在酶活力損失等缺點(diǎn)，相比于酶標(biāo)型生物傳感器，非酶標(biāo)型傳感因無需酶的輔助而得到了廣泛的使用。TASHKHOURIAN等[6]報(bào)道了一種基于Co（OH）2修飾的g-C3N4電化學(xué)傳感器，并實(shí)現(xiàn)了葡萄糖的檢測。在該檢測方法中，采用化學(xué)浴沉積法制備了二維g-C3N4/Co（OH）2納米復(fù)合材料，二者的協(xié)同效應(yīng)能夠有效促進(jìn)傳感器表面的電子轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄糖的檢測。該傳感器對(duì)葡萄糖的檢測范圍為6.6～110 μm，LOD為1.3 μm。此外在該研究中，還利用其他糖類物質(zhì)作為干擾物質(zhì)對(duì)傳感器的特異性進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該傳感器具有很好的特異性以及選擇性。

2 神經(jīng)遞質(zhì)的檢測

帕金森綜合征是一種由人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)中多巴胺（DA）的異常、缺乏、過量或者激素失衡所導(dǎo)致的疾病[7]。隨著患病人群的增加，對(duì)DA的早期檢測日益迫切。ZOU等[8]報(bào)道了一種基于氧化銅（CuO）修飾的g-C3N4電化學(xué)傳感器，并實(shí)現(xiàn)了多巴胺的檢測。在該檢測方法中，采用熱解法制備了二維g-C3N4/CuO納米復(fù)合材料，該二維材料是一個(gè)強(qiáng)大的電子給體，能夠?qū)A氧化成多巴胺醌，生成的多巴醌能夠有效地促進(jìn)傳感器表面的電子轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DA的檢測。該傳感器對(duì)DA檢測的線性范圍為0.002～71.1 μm，LOD為0.1 nm。此外，還利用了其他干擾物質(zhì)對(duì)傳感器的特異性進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該傳感器具有很好的特異性及選擇性，且在實(shí)際血清樣品中的回收率為95～101%。該傳感器為真實(shí)生物樣品中痕量DA的檢測提供了一種簡便而超靈敏的電化學(xué)傳感方法。

與DA類似，腎上腺素（epinephrine，EP）也是神經(jīng)遞質(zhì)的一種。EP水平升高會(huì)導(dǎo)致支氣管哮喘、高血壓和過敏等疾病。因此，對(duì)生物液體中EP的即時(shí)檢測具有非常重要的意義。分子印記技術(shù)，即利用分子印記聚合物（molecular imprinted polymer，MIPs）模擬酶-底物或抗原-抗體之間的相互作用，對(duì)印記分子進(jìn)行專一識(shí)別的技術(shù)。當(dāng)MIPs與傳感器結(jié)合時(shí)，能夠選擇性識(shí)別并檢測特定目標(biāo)化合物，具有設(shè)計(jì)簡單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[9]?；谶@一優(yōu)點(diǎn)，YOLA等[10]報(bào)道了氮摻雜g-C3N4納米復(fù)合材料（g-C3N4/NCDs）的分子印記技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)EP的檢測。在該檢測方法中，g-C3N4/NCDs納米復(fù)合材料有效加快了電極表面的電子轉(zhuǎn)移速率，提高了EP檢測靈敏度。該傳感器對(duì)EP的檢測范圍為1 pm～1 nm，LOD為0.3 pm。

3 藥物制劑的檢測

藥物制劑的廣泛應(yīng)用是各種病理生理?xiàng)l件下減輕患者痛苦的主要治療方法。過度使用會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生一定的危害，因此對(duì)生物液體中的藥物水平進(jìn)行評(píng)估具有重要意義。乙酰氨基酚（acetaminophen，ACE）是乙酰苯胺類解熱鎮(zhèn)痛藥，用量過多會(huì)引發(fā)腹痛、嘔吐甚至肝功能損傷[11]。XU等[12]報(bào)道了以聚（3,4-乙二氧基噻吩）（E-PEDOT）與g-C3N4聚和的電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ACE的檢測。g-C3N4與E-PEDOT之間具有較強(qiáng)的親和力和協(xié)同效應(yīng)，極大地改善了復(fù)合材料的電子轉(zhuǎn)移性能，顯著提高了電化學(xué)方法對(duì)ACE的檢測性能。該傳感器對(duì)ACE檢測的線性范圍為0.01～2 μm和2～100 μm，LOD為34.28 nm。此外，對(duì)不同濃度的人血清樣本也進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)該傳感器具有很好的特異性、選擇性和重復(fù)性。因此，該傳感器制備方法為檢測ACE提供了良好的應(yīng)用前景。

阿戈美拉?。╝gomelatine，AG）屬于一種抗抑郁藥物，體內(nèi)含量過多會(huì)導(dǎo)致上腹疼痛、頭暈等不適癥狀，因此監(jiān)測其含量水平具有重要意義。ANSARI等[13]報(bào)道了一種基于氧化鈰（CeO2）修飾的g-C3N4電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)AG的檢測。g-C3N4/CeO2納米材料對(duì)電極表面的修飾，能夠有效提高電極導(dǎo)電性，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移；g-C3N4較大表面積為AG提供更多的活性位點(diǎn)，從而提高了對(duì)AG的檢測性能。該傳感器對(duì)AG檢測的線性范圍為1～20 ng/mL，LOD為0.96 ng/mL。還利用其他結(jié)構(gòu)相似物質(zhì)作為干擾物質(zhì)對(duì)傳感器的特異性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該傳感器具有很好的特異性以及選擇性。

4 食品安全中的應(yīng)用

香蘭素是一種存在于食品中的添加劑，當(dāng)人體攝入過量后會(huì)引起頭痛、惡心等癥狀[14]。因此，及時(shí)的檢測食物中香蘭素的含量在食品安全領(lǐng)域中具有重要意義。FU等[15]報(bào)道了一種g-C3N4納米片的電化學(xué)生物傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)香蘭素的檢測。g-C3N4可以催化氧化香蘭素中的羥基為酮，促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移速率，提高檢測靈敏度。該傳感器對(duì)香蘭素的檢測范圍為10～20 μm和15～200 μm，LOD為4 nm。此外，還利用其他干擾物質(zhì)對(duì)傳感器的特異性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)該傳感器具有很好的特異性以及選擇性。

農(nóng)藥的過度使用對(duì)于生態(tài)環(huán)境的污染，以及人類健康的危害正在逐年遞增。在實(shí)際的生產(chǎn)活動(dòng)中，70%的農(nóng)藥因不被植物吸收而殘留在植物體表面。當(dāng)殘留的農(nóng)藥被攝入到人體后，隨著時(shí)間的積累，會(huì)對(duì)人體組織或各器官產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損傷。在植物生產(chǎn)過程中，使用最多且對(duì)人體健康危害最大的是有機(jī)磷農(nóng)藥（organophosphorus pesticide，OPS）[16]。OPS對(duì)人類健康的影響主要是通過其抑制乙酰膽堿酯酶（acetylcholinesterase，AChE）的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致神經(jīng)遞質(zhì)乙酰膽堿在生物體內(nèi)進(jìn)行積累，而過多的乙酰膽堿會(huì)使得機(jī)體出現(xiàn)血壓低和肝臟中毒等癥狀[17]?；谝陨涎芯勘尘埃琖ANG等[18]開發(fā)了一種鈀（Pd）納米顆粒修飾的g-C3N4納米復(fù)合材料與AChE結(jié)合的電化學(xué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OPS的檢測。OPS與AChE的活性中心（絲氨酸羥基）發(fā)生反應(yīng)，抑制了酶活性，降低了電活性物質(zhì)硫代膽堿的產(chǎn)生，使電化學(xué)信號(hào)發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OPS的檢測。該傳感器對(duì)AChE的檢測范圍為2～2 460 nm，LOD為0.67 nm。

5 結(jié)論

本文簡要介紹了g-C3N4在生物分子及食品安全應(yīng)用這2方面進(jìn)行的檢測。基于g-C3N4生物傳感器的制備有助于診斷各種疾病，如糖尿病、高血壓和心血管疾病等，同時(shí)能夠檢測藥物和食品添加劑中的成分含量水平。然而，基于g-C3N4在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用依然有很大的發(fā)展空間，如可對(duì)g-C3N4進(jìn)行表面改性，調(diào)控其尺寸大小，與一些無毒性物質(zhì)復(fù)合形成一種新的納米材料，這均將推動(dòng)g-C3N4在生物傳感中的廣泛應(yīng)用。