【石墨烯基在酶生物傳感器中的應(yīng)用探究4200字（論文）】

石墨烯基在酶生物傳感器中的應(yīng)用研究目錄TOC\o"1-2"\h\u11126石墨烯基在酶生物傳感器中的應(yīng)用研究 087601引言 0295562不同材料修飾的石墨烯基電化學(xué)酶生物傳感器 197052.1有機(jī)分子修飾的石墨烯基酶生物傳感器 120452.2聚合物修飾的石墨烯基酶生物傳感器 2290832.3無機(jī)納米粒子修飾的石墨烯基酶生物傳感器 3206372.4生物分子修飾的石墨烯基酶生物傳感器 3157972.5基于石墨烯碳納米管的酶生物傳感器 3325172.6雜原子摻雜石墨烯基酶生物傳感器 4277703結(jié)語 428253參考文獻(xiàn) 5摘要：石墨烯被認(rèn)為是納米結(jié)構(gòu)碳材料的“新星”，自2004年被發(fā)現(xiàn)以來就引起了人們極大的興趣。石墨烯由于其獨(dú)特的性能，如高比表面積、高導(dǎo)電性和良好的生物相容性，在生物電化學(xué)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。電化學(xué)生物傳感器是生物電化學(xué)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，最受關(guān)注的一種傳感器是電化學(xué)酶生物傳感器。其中，第三代電化學(xué)酶生物傳感器以其反應(yīng)體系簡單、生物相容性優(yōu)良等優(yōu)勢成為了人們研究的熱點(diǎn)。將石墨烯進(jìn)行功能化是第三代酶生物傳感器開發(fā)中的關(guān)鍵一步。在適當(dāng)功能化的基礎(chǔ)上，將各種官能團(tuán)引入到石墨烯表面，不僅使石墨烯更具親水性和生物相容性，而且可以賦予石墨烯新的功能。以舉例方式重點(diǎn)介紹了石墨烯功能化材料在第三代電化學(xué)酶生物傳感器中的研究概況。關(guān)鍵詞：石墨烯；碳材料；功能化；電化學(xué)生物傳感器；酶1引言電化學(xué)酶生物傳感器是將酶反應(yīng)特異性與電化學(xué)信號傳導(dǎo)結(jié)合起來的一種傳感器。電化學(xué)酶生物傳感器具有成本低、易于使用、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)不同的媒介體，電化學(xué)生物傳感器的發(fā)展歷史可分為三代。在第一代生物傳感器中，氧氣充當(dāng)酶和電極之間電子傳遞的中介。然而，第一代生物傳感器存在著應(yīng)用電勢過高、氧氣干擾、制備過程復(fù)雜等缺點(diǎn)。第二代生物傳感器借助電子媒介體進(jìn)行電子傳遞，克服了第一代傳感器的一些缺點(diǎn)，如消除了對氧氣的依賴、顯著降低了應(yīng)用電位等。然而，電子媒介體在促進(jìn)了電極和酶之間的電子轉(zhuǎn)移的同時(shí)，也促進(jìn)了各種干擾反應(yīng)。在第三代生物傳感器中，電子轉(zhuǎn)移可以直接在電極和氧化還原蛋白之間進(jìn)行。氧化還原蛋白本身作為電催化劑，可促進(jìn)電極和底物分子之間的電子轉(zhuǎn)移，在這一過程中不涉及媒介體。與基于媒介體的生物傳感器不同，直接電子轉(zhuǎn)移使這種生物傳感器具有更好的傳感器性能，主要表現(xiàn)在抗干擾性強(qiáng)、生物相容性好、靈敏度高、反應(yīng)體系簡單等方面。近年來，在第三代生物傳感器的構(gòu)建方面，人們一直致力于開發(fā)通用、穩(wěn)定的、能夠保持蛋白質(zhì)活性的載體作為電極修飾材料以促進(jìn)氧化還原蛋白質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移。研究表明，碳納米材料具有導(dǎo)電性強(qiáng)、生物相容性好等特點(diǎn)，是一種很有發(fā)展前景的蛋白質(zhì)載體材料。相比于碳納米管等其他碳納米材料，石墨烯具有更優(yōu)越的電性能和更大的比表面積。石墨烯不僅可以作為連接電極表面和酶的“連接臂”以實(shí)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，還可以增強(qiáng)電化學(xué)信號的響應(yīng)。然而，石墨烯在水中分散度不足，疏水性較強(qiáng)，容易形成不可逆的團(tuán)聚體，極大地限制了這一材料的應(yīng)用。因此，石墨烯的功能化成為生物傳感器開發(fā)中的關(guān)鍵一步。在適當(dāng)功能化的基礎(chǔ)上，將各種官能團(tuán)引入到石墨烯表面，不僅使石墨烯具有親水性和生物相容性，而且可以賦予石墨烯新的功能?；诖耍疚膶⒅攸c(diǎn)介紹幾種不同材料修飾的石墨烯基電化學(xué)酶生物傳感器。2不同材料修飾的石墨烯基電化學(xué)酶生物傳感器2.1有機(jī)分子修飾的石墨烯基酶生物傳感器有機(jī)分子表面活性劑是分散石墨烯的常用穩(wěn)定劑。研究發(fā)現(xiàn)，表面活性劑的疏水尾部可以通過疏水作用吸附在石墨烯表面，而親水頭則朝向水相。由于表面活性劑分子的吸附，改性石墨烯是穩(wěn)定的，通過靜電力互相排斥聚集，可以有效防止石墨烯的重新聚集。例如：2012年，Wen利用表面活性劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）與石墨烯制備了一種高靈敏度的一氧化氮（NO）生物傳感器。該生物傳感器的制備方法如圖１所示。該生物傳感器對NO的檢出限可達(dá)6.75×10-9M。圖１Hb-CS/GR-CTAB/GCE的組裝示意圖除了非共價(jià)方法，利用化學(xué)還原石墨烯或氧化石墨烯上存在的含氧官能團(tuán)，通過共價(jià)修飾也可以將有機(jī)分子修飾到石墨烯上。例如:Zheng等川通過共價(jià)改性制備了3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)功能化石墨烯。其中，APTES既可作為石墨烯的分散劑，又可作為氣相色譜電極和石墨烯的胺類表面改性劑。以1-乙基-3-(3一二甲氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)為交聯(lián)劑，將葡萄糖氧化酶(UOD)共價(jià)鍵合到石墨烯功能化電極上，制成UOD/APTES-graphene/UC電極。在商業(yè)人工血糖檢測的線性標(biāo)準(zhǔn)范圍1.4-27.9mM內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了所開發(fā)的生物傳感器對血糖的檢測效果，它可作為糖尿病血糖監(jiān)測的理想選擇。同時(shí)，該生物傳感器表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，當(dāng)生物傳感器在室溫下的干燥狀態(tài)下儲存時(shí)，前3周生物傳感器響應(yīng)信號沒有下降，后2周的信號只下降了12%。2.2聚合物修飾的石墨烯基酶生物傳感器將聚合物與石墨烯復(fù)合，由于石墨烯可以在聚合物基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因而復(fù)合材料會表現(xiàn)出較石墨烯更好的導(dǎo)電性能。不同的研究小組已經(jīng)用不同的聚合物對石墨烯進(jìn)行了表面修飾，以構(gòu)建第三代電化學(xué)酶生物傳感器。2019年，Zhang等采用一步電沉積的方法制備了電化學(xué)還原氧化石墨烯滾賴氨酸復(fù)合膜(ERUO-PLL)。以ERGO-PLL為載體，通過固載葡萄糖氧化酶（GOx）構(gòu)建了葡萄糖傳感器，并研究了其直接電子轉(zhuǎn)移性能和酶催化活性。循環(huán)伏安掃描結(jié)果表明，GOx表現(xiàn)出一對明確的可逆氧化還原峰，通過計(jì)算得到該傳感器的電子轉(zhuǎn)移速率常數(shù)為18.7s-1，這表明固載于ERGO-PLL的GOx與底層電極之間成功實(shí)現(xiàn)了直接電子轉(zhuǎn)移。此外，該酶生物傳感器具有良好的電催化活性，線性檢測范圍為0.005～9.0ｍＭ，檢出限為2.0μＭ。2.3無機(jī)納米粒子修飾的石墨烯基酶生物傳感器研究表明，將無機(jī)納米粒子與石墨烯復(fù)合制備得到的新型材料，可以協(xié)同加速固定化酶與電極表面之間的電子轉(zhuǎn)移，降低電化學(xué)過程中的過電壓，進(jìn)一步提高石墨烯的電化學(xué)性能。各種無機(jī)納米粒子已被納入到石墨烯復(fù)合物的二維結(jié)構(gòu)中。2010年，Dey等開發(fā)了以鉑納米粒子－石墨烯納米復(fù)合材料為電極材料固載膽固醇氧化酶（ChOx）和膽固醇酯酶（ChEt）的雙酶傳感器。該生物傳感器的制備方法是采用H2PtC16在水溶液中原位還原的方法，用鉑納米粒子修飾石墨烯納米片。結(jié)果表明，納米復(fù)合修飾電極能在0.4Ｖ電位下有效催化H2O2電化學(xué)氧化，其正電位相對于PT電極少100mV以上。所制備的生物傳感器可以對膽固醇和膽固醇酯進(jìn)行線性響應(yīng)，線性范圍寬，靈敏度高。2.4生物分子修飾的石墨烯基酶生物傳感器生物分子改性的石墨烯已經(jīng)作為電極材料用于構(gòu)建性能優(yōu)異的生物傳感器。2018年，Sillva等基于還原氧化石墨烯（rGO）和乙酰膽堿酯酶（AChE）開發(fā)了一種新型、靈敏的電化學(xué)生物傳感器，并成功應(yīng)用于食品樣品中農(nóng)藥胺甲萘的檢測。在最佳的微分脈沖伏安條件下，獲得了納米摩爾的檢出限，實(shí)現(xiàn)了番茄中胺甲萘的測定。實(shí)驗(yàn)表明，乙酰膽堿酯酶可以有效地固定在還原氧化石墨烯表面，這為農(nóng)藥分析提供了一種低成本的傳感器。2.5基于石墨烯碳納米管的酶生物傳感器碳納米管（CNTs）和石墨烯作為一維和二維納米碳材料的代表，在結(jié)構(gòu)和性能上是互補(bǔ)的。例如，化學(xué)還原的石墨烯通常導(dǎo)電率約為100-200Sm-1，比導(dǎo)電的單壁CNTs（通常為1×104Sm-1）低２個(gè)數(shù)量級。近年來，通過一維碳納米管和二維石墨烯的結(jié)合設(shè)計(jì)的層次結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在電化學(xué)領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)，CNTs不僅可以有效地增加石墨烯的間距，防止納米片的不可逆團(tuán)聚，還可以彌補(bǔ)石墨烯與石墨烯之間的電子轉(zhuǎn)移缺陷，增加電解液與電極的接觸面積。2020年，Zou等利用離子功能化石墨烯（G-IL）和CNTs制備了一種具有穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，開發(fā)了一種新型雙酶葡萄糖傳感器。其主要工作是通過氧化石墨烯的環(huán)氧基團(tuán)與離子液體的胺基發(fā)生親核開環(huán)反應(yīng)，將正電荷引入石墨烯表面，使其表面形成正電荷層，靜電斥力使石墨烯層間間距增大，阻止石墨烯片團(tuán)聚，進(jìn)而將石墨烯成功剝離成單層，從而在水中具有極佳的分散性。G-IL與CNTs共混后，形成了三維結(jié)構(gòu)，CNTs像導(dǎo)線一樣插入石墨烯薄片之間，進(jìn)一步提高了石墨烯的分散性和穩(wěn)定性。其中，石墨烯片為固定２種酶提供了較大的表面積，碳納米管顯著降低了電子轉(zhuǎn)移電阻。在固載葡萄糖氧化酶和辣根過氧化物酶之后，該葡萄糖傳感器對葡萄糖顯示出良好的電催化活性，響應(yīng)范圍為0.004-5mM，檢出限為3.99×10-7M。2.6雜原子摻雜石墨烯基酶生物傳感器元素?fù)诫s是調(diào)整石墨烯本質(zhì)性質(zhì)的有效策略。研究表明，摻雜石墨烯可以調(diào)整石墨烯的電子性能。以N摻雜石墨烯材料為例，氮摻雜石墨烯表現(xiàn)出與未摻雜石墨烯截然不同的電子性能。2010年，Wang等首次構(gòu)建了一種氮摻雜石墨烯基電化學(xué)生物傳感器用于測定葡萄糖。其中，氮摻雜石墨烯是通過氮等離子體處理化學(xué)還原石墨烯而得到的，該方法具有簡單、快速、可調(diào)等特點(diǎn)。通過控制等離子體暴露時(shí)間，可以很容易在0.11％～1.35％調(diào)節(jié)氮摻雜率。制備的N摻雜石墨烯具有良好的電催化活性。在H2O2還原方面，與氣相色譜電極相比，N摻雜石墨烯電極在循環(huán)伏安圖中的還原峰正移400mV，電流增強(qiáng)20倍。固載葡萄糖氧化酶（GOD）后，在N摻雜石墨烯－GOD電極上可以得到一對明確的、準(zhǔn)可逆的氧化還原峰，對應(yīng)于氧化還原酶的直接電化學(xué)反應(yīng)。由于N摻雜石墨烯的費(fèi)米勢發(fā)生了變化，且通過摻雜提高了電子轉(zhuǎn)移效率，因而N摻雜石墨烯基酶電極獲得的氧化還原峰電流遠(yuǎn)高于未摻雜石墨烯電極。由于N摻雜石墨烯具有良好的生物相容性和導(dǎo)電性，該生物傳感器表現(xiàn)出較高的靈敏度和選擇性，可用于濃度低至0.01mM的葡萄糖的檢測。3結(jié)語用CTAB等有機(jī)分子、聚賴氨酸等聚合物、Pt等無機(jī)納米粒子、乙酰膽堿酯酶等生物分子、碳納米管等對石墨烯進(jìn)行修飾，或者通過氮等雜原子摻雜可以有效實(shí)現(xiàn)石墨烯的功能化。石墨烯功能化拓寬了石墨烯在第三代電化學(xué)酶生物傳感器中的應(yīng)用范圍，使得石墨烯基電化學(xué)生物傳感器在臨床診斷、衛(wèi)生保健檢測和環(huán)境監(jiān)測方面具有巨大的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)[1]張建斌,左國防,王鵬,等.石墨烯基納米結(jié)構(gòu)新材料在非酶電化學(xué)生物傳感器中的應(yīng)用綜述[J].傳感器與微系統(tǒng),2018,37(11):6.[2]張琦.基于G-四鏈體和氧化石墨烯衍生物的生物傳感的設(shè)計(jì)[D].南開大學(xué),2015.[3]常靖,岳紅彥,張虹,等.三維泡沫石墨烯基生物傳感器的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,2015(7):4.[4]劉中寬,毛月圓,陳亮,等.基于DNA氧化石墨烯生物傳感器的研究[C]//中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第四分會:生物分析和生物傳感.2016.[5]WenW,ChenW,RenQQ,etal.Ahighlysensitivenitricoxidebiosensorbasedonhemoglobin–chitosan/graphene–hexadecyltrimethylammoniumbromidenanomatrix[J].Sensors&ActuatorsBChemical,2012,166-167(none):444-450.[6]PatellaB,BuscettaM,VincenzoSD,etal.Electrochemicalsensorbasedonr-GO/AunanoparticlesformonitoringH2O2releasedbyhumanmacrophages[J].SensorsandActuatorsBChemical,2020.[7]ZhengD,VashistSK,Al-RubeaanK,etal.Mediatorlessamperometricglucosebiosensingusing3-aminopropyltriethoxysilane-functionalizedgraphene.[J].Talanta,2012,99(none):22-28.[8]DeyRS,RetnaC.DevelopmentofanAmperometricCholesterolBiosensorBasedonGraphene-PtNanoparticleHybridMaterial[J].TheJournalofPhysicalChemistryC,2010,114(49):21427-21433.[9]DaSilvaMKL,VanzelaHC,DefavariLM,etal.Determinationofcarbamatepesticideinfoodusingabiosensorbasedonreducedgrapheneoxideandacetylcholinesteraseenzyme[J].SensorsandActuatorsB:Chemical,2018,277(DEC.):555-56