石墨烯-生物传感器-生物材料学

石墨烯基复合材料在生物传感器中的应用目录1.石墨烯简介2.石墨烯在生物传感器的应用3.石墨烯生物传感器分类4.展望C60CNTgraphite1.石墨烯的简介石墨烯(Graphene)是一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的新型碳材料。这种二维纳米材料的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其厚度仅为一个碳原子的厚度，是目前所发现的最薄的二维材料。石墨烯是石墨形式材料的组成单元，通过不同的配置可以得到零维的富勒烯（C60）、一维的碳纳米管（CNT）和三维的石墨（graphite）结构。由于具有独特的结构和优异的性能，石墨烯已被广泛应用于诸多领域。[1]GeimAK,NovoselovKS.Theriseofgraphene[J].NatureMaterials,2007,6(3):183-191.图1.石墨烯是石墨形式的组成单元［1］石墨烯的相关性能最强性能最薄最轻厚0.34nm，表面积为2630m2/g载流子迁移率最高室温下为0.2x106cm2/Vs（硅的100倍）理论值在106cm2/Vs以上电流密度耐性最大理论上可以达到0.2x109A/cm2（Cu的100倍）强度最大硬度最高破坏强度为42N/m，杨氏模量与金刚石相当导热率最高3000-5000W/mK（与碳纳米管相当）独特性能高性能传感器功能可检测出单个有机分子类似“催化剂”的功能加到金属氧化物材料中，强化电子输送功能吸氢功能已在低温下证实具有一定效果双极半导体无需添加剂即实现CMOS构造半导体元件常温下可实现无散射传输Intel等公司正在积极研究只需变形即可获得施加强磁场的电子能量效果可应用于应变传感器表1.石墨烯的相关性能2.石墨烯在生物传感方面的应用石墨烯基的生物传感器包括电流型传感器、电阻型传感器、场效应晶体管传感器(FETs)、荧光共振能转移(FRET)生物传感器等。基于石墨烯的生物传感器的研究已经广泛涉及到气体分子检测、金属离子检测和多种生物分子检测等。高灵敏度、高选择性、快速和廉价的生物分子检测对于临床诊断和治疗是非常重要的。石墨烯（Gr）作为传感材料优势：①高比表面；②高导电性；③双极性；④理想的电子对受体。不足：自身的卷曲、团聚、层间堆集和难分散性。改进：将Gr进行衍生化，得到的氧化石墨烯(GO)是水溶性的，其表面存在丰富的含氧功能团而且易于功能化，能大大改善了Gr的电学、化学性质。石墨烯及其衍生物可以通过物理吸附或化学偶联方式与亲合素生物素、肽类、DNA酶、蛋白质、适配体、生物小分子、细菌、细胞结合而实现其功能化。这种功能化的Gr复合材料具有特殊性能，可用于构筑相应的生物平台、电化学生物传感器和生物装置等。[2]WangY,LiZ,WangJ,etal.Grapheneandgrapheneoxide:biofunctionalizationandapplicationsinbiotechnology[J].TrendsinBiotechnology,2011,29(5):205-212.石墨烯基生物传感器原理图3.石墨烯基生物传感器原理示意图［3］［3］SolankiPR,KaushikA,AgrawalVV,etal.Nanostructuredmetaloxide-basedbiosensors[J].NpgAsiaMaterials,2011,3(1):17-24.3.石墨烯生物传感器分类关于石墨烯基的生物分子检测主要包括葡萄糖、H2O2、病毒、蛋白质、DNA等的检测。(a)(b)3.1石墨烯基酶传感器酶传感器是应用固定化酶作为敏感元件的生物传感器。石墨烯基酶传感器中常用的固定化酶主要有GOx、过氧化物酶、胆固醇氧化酶、黄嘌呤氧化酶和乙醇脱氢酶等。eg.葡萄糖传感器图4.(a)GOx/AuNPs/CdTe-CdS/G-AuNPs修饰电极的制备步骤；(b)葡萄糖在GOx/AuNP/CdTe-CdS/G-AuNPs修饰电极上的电化学催化氧化反应[4][4]GuZ,YangS,LiZ,etal..ElectrochimicaActa,2011,56(25):9162-9167.3.2石墨烯基免疫传感器免疫传感器是利用抗原抗体的特异性结合而设计。石墨烯容易实现的表面修饰、高导电性、好的水溶液分散性和好的光致发光性能等，在免疫检测方面具有较大的应用潜力。其主要应用方向有高灵敏度、高选择性和快速的病毒、细菌检测和癌症标记物的检测。图5.(A)制备Fc-Ab2和GOx双重标记的Au/TiO2纳米复合物的示意图;(B)检测ProGRP的免疫传感器示意图及放大的伏安响应［5］胃泌素释放肽前体(ProGRP)是小细胞肺癌良好的标志物，国内外采用酶联免疫方法测ProGRP已在临床应用。以二茂铁和GOx双重功能化的Au/TiO2纳米复合物作为示踪标记，当有葡萄糖存在时，通过GOx对葡萄糖电化学还原的高效催化，这样一个三明治型的免疫传感器就能得到放大的信号。[5]ZhuoY,ChaiYQ,YuanR,etalBiosensors&Bioelectronics,2011,26(9):3838-3844.3.3石墨烯基基因传感器石墨烯基基因传感器探测的是DNA和RNA，将能与待测核苷酸链杂交的DNA或RNA链作为探针通过共价键、非共价键等方法固定到石墨烯表面通过这种探针分子与待测分子的杂交，检测到待测核苷酸。可以分为电流型、电阻型和FRET型生物传感器。图6.(A)适体、GOx和HRP多重标记的PtNPs-氧化还原探针-rGO纳米复合物的制备；传感器制备[6][6]BaiL,YuanR,ChaiY,etal.Biomaterials,2012,33(4):1090-6.图7.石墨烯基FRET生物传感器原理示意图[2]3.4FRET型生物传感器ssDNA、适体和MBs吸附到石墨烯表面时，荧光团标记会迅速猝灭。当待分析物与它们相应的探针分子结合后，探针分子的荧光就会恢复，这样就可被检测到。相反，当酶(如螺旋酶)被引入体系前，dsDNA会保持荧光，随后ssDNA被释放，ssDNA上的荧光团通过石墨烯基纳米材料被猝灭。[2]WangY,LiZ,WangJ,etal.Grapheneandgrapheneoxide:biofunctionalizationandapplicationsinbiotechnology[J].TrendsinBiotechnology,2011,29(5):205-212.石墨烯基传感器还能用于生物小分子的检测，如多巴胺，鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶、胞嘧啶等碱基、谷胱甘肽等。3.5小结小结：石墨烯具有极大的比表面积和优异的电子、化学和机械性能，并具有很好的生物相容性，其在酶的直接电化学、生物小分子的电化学检测和在生物及环境电分析中都具有极其优异的性能。基于石墨烯的生物传感器及器件对于多种生物小分子、蛋白质(包括某些病毒和癌症标记物等)和DNA等的检测都显示了很好的灵敏度和选择性，是用于构建高效、快速、灵敏检测的生物传感器的理想材料4.展望虽然在石墨烯基生物传感器方面已经取得零一定的成就，但还有一些影响石墨烯在生物传感器中应用的因素需进一步详细研究：①石墨烯中含氧官能团部分对其电化学性能的影响②如何制备具有高导电性且溶液分散性能好的石墨烯③杂原子掺杂对石墨烯电化学性能及稳定性的影响④传感器中生物分子与石墨烯的连接方式和相互作用⑤石墨烯在不同生物传感应用中的生物相容性问题⑥石墨烯的大规模可控制备方法