石墨烯

石墨烯大的比表面积、π -π 共轭结构、含氧功能团及良好的生物相容性可使 其作为载体有效固载生物分子, 在电化学生物传感领域的应用广泛。
二、电化学生物传感器
生物传感器是指用固定化的生物材料或生物体本身作为敏感元件的传感器。 •传感器种类 1) 电化学酶传感器和无酶传感器 电化学酶传感器是指利用酶的生化反应所产生或消耗的物质的量，通过电 化学装置转换成电信号，进而选择性地检测出待测组分的器件。目前已有 的电化学酶传感器包括：葡萄糖氧化酶传感器、L-乳酸单氧化酶电极传感 器、尿酸酶电极传感器等。近年来，无酶传感器因其稳定性好，可操作性 强，成为代替电化学酶传感器的另一个研究热点。一些无酶传感器也已被 广泛研究和制备出来，例如葡萄糖无酶传感器、过氧化氢无酶传感器、尿 酸无酶传感器等。 2) 电化学 DNA 传感器 以DNA或DNA辅材为敏感元件,电化学电极为信号转换器,以电势或电流等 为特征检测信号的生物传感器就是电化学DNA生物传感器。
电化学DNA生物传感器的工作原理：
两条来源不同的单链DNA分子如果完全互补,则可以通过氢键特异性结 合而形成双螺旋结构,这就是DNA分子的杂交。由于单链DNA与其互补 靶系列杂交具有高度的序列选择性,若将该单链DNA修饰在电极上,则该 修饰电极具有极强的分子识别功能。即在适当的温度、酸度、离子强度 下,电极表面的DNA探针分子能与靶序列选择性地杂交,形成双链DNA, 从而导致电极表面结构的改变。根据杂交前后电极上单链DNA和双链 DNA的性能差异,采用电化学的方法把识别结果转化为可测的电信，从 而实现对DNA结构的识别和浓度的测定 。
二、电化学无酶传感器
CuO纳米方晶-石墨烯纳米复合物用于安培型葡萄糖传感器的研制CuOG 纳米复合物对葡萄糖具有良好的电化学活性和快速的电流响应。在最 优的条件下，传感器对葡萄糖的灵敏度高达 1360 µA· mM–1· cm–2，检 测限低至 0.7μM，对葡萄糖的响应线性范围是0.02~4.0 mM。制备的葡 萄糖传感器具有长期稳定性、良好的重现性和抗干扰能力。
石墨烯在电化学生物 传感器的应用
李宇冰 3101304001
宾娜
3101304002
内容简介：
• 概述 • 石墨烯在电化学生物传感器中的应用 •展望
一 、概述
一、石墨烯

石墨烯的结构 石墨烯是指单片层的石墨,它仅有一个原子尺寸的厚度,是由碳原子紧 密排列而成的二维蜂窝状晶体结构,每一个碳原子经sp2杂化与相邻的三 个碳原子形成共价键,C -C键长约为 0.142 nm,每个晶格内有三个σ键,连 接十分牢固,形成稳定的六边形;而面外有一个pz轨道电子形成离域π键, 垂直于晶面方向上的π键在石墨烯导电的过程中起到了很大的作用。
3、医学 医学领域的生物传感器发挥着越来越大的作用。生物传感技术因其专 一、灵敏、响应快等特点，为基础医学研究及临床诊断提供了一种快 速简便的新型方法。在临床医学中，酶电极是最早研制且应用最多的 一种传感器，目前，已成功地应用于血糖、乳酸、维生素C、尿酸、 尿素、谷氨酸、转氨酶等物质的检测。DNA传感器也是目前生物传感 器中报道较多的一种，用于临床疾病诊断是 DNA 传感器的最大优势， 它可以帮助医生从 DNA、RNA、蛋白质及其相互作用层次上了解疾 病的发生、发展过程，有助于对疾病的及时诊断和治疗。此外，进行 药物检测也是 DNA 传感器的一大亮点。利用 DNA 传感器研究常用 铂类抗癌药物的作用机理，测定血液中顺铂抗癌药物的浓度。此外， 在法医学中，生物传感器可用作 DNA 鉴定和亲子认证等。
二 、石墨烯在电化学生物传感器中的应用
一、电化学酶传感器
• 基于酶的聚吡咯－石墨烯－葡萄糖氧化酶的生物传感器，用于葡 萄糖的检测，其线性范围为0.08～12mmol· Ｌ－１。 • 经 过 聚Ｌ－络 氨 酸（PLL）功能化的石墨烯材料修饰到电极表 面，再在修饰电极表面吸附辣根过氧化物酶（ＨＲＰ），该修饰 电极对于过氧化氢具有良好的电化学响应。 • 将石墨纳米片、葡萄糖氧化酶进行复合后修饰到电极表面，其对 于 葡萄糖具有良好的电化学响应。 • 制备葡萄糖氧化酶－石墨烯－壳聚糖修饰电极，用于葡萄糖的检 测。

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注： EIS (电化学交流阻抗）基本原理：当电极系统受到一个正弦波形电 压（电流）的交流讯号的扰动时，会产生一个相应的电流（电压）响应 讯号，由这些讯号可以得到电极的阻抗或导纳。
2. 制备 Au-IL/PTCA/graphene 复合物并用于 DNA 的免标记阻抗检 PTCA 修饰的石墨烯在水溶液中具有较好的分散性并为 Au-IL的固载提供 了活性位点,以NH2-IL(离子液体）为还原剂和保护剂制备的金纳米粒子均 布PTCA/graphene 表面,平均直径 3 nm,金纳米粒子的负载有效增强。复 合物的比表面积和导电性,正电性的外围ssDNA的固载提供了有利条件,而 无需预先对 ssDNA 进行标记理,ssDNA 的固载及与cDNA的杂交引起 Au-IL/PTCA/graphene界面性质的改变,采用 EIS技术记录这些变化并作 DNA 杂交检测的信号,效果令人满意。由于排除了标记步骤,该方法具有简 便、高效及免标记的优势。
3. 以未修饰的 GO （石墨氧化物）为平台,一种简单、免标记 DNA 杂交检 测方法,特定设计的 ssDNA 序列由两部分构成即探针序列用于杂交反应、 固载序列用于其在 GO 表面的固定,ssDNA 的碱基可与 GO 的碳环发生 ππ堆积等作用,而使 ssDNA“平躺”在 GO 表面,当探针序列与目标互补序列 杂交后,探针序列与GO 的π-π 相互作用被抑制,导致 dsDNA 双螺旋结构 “站立”在 GO 表面而非从表面脱离,因为与其相连的固载序列仍“平躺” 在 GO表面,固载序列可牵制dsDNA 双螺旋结构,得到“信号开”的过程。 采用电化学交流阻抗技术记录杂交后引起的电极界面构型及负电性的变化, 并作为免标记杂交检测的信号,实现了对一系列浓度目标物的检测,且能有效 区分错配及非互补序列。这种检测方式不需要繁复的对 GO 修饰及 DNA 标 记过程，因而具有简单有效的优势,此种特殊设定的 ssDNA 序列及杂交后 dsDNA 的保留有望应用于 DNA 纳米微结构及纳米微电子的构筑。
•电化学生物传感器的应用
1、环境监测
由于环境污染问题日趋凸显，人们迫切需求一种能对污染物实现连续、 快速、实时监测的仪器，生物传感器满足了人们的要求。目前，已有相当 部分的生物传感器应用于环境监测中。 2、发酵工业 在各种生物传感器中，微生物传感器具有成本低、设备简单、不受发酵液 混浊程度的限制、可消除发酵过程中干扰物质的干扰等特点。因此，在发 酵工业中广泛地采用微生物传感器作为一种有效的测量工具。基于钴，铁 氰化铜和聚乙烯为媒介，固定葡萄糖氧化酶的电化学酶传感器，用来检测 葡萄糖汁发酵过程中的葡萄糖。以二茂(络)铁为电活性介质，在碳电极上 固定了葡萄糖氧化酶、山葵过氧化物酶，建立一种可快速灵敏自动监测酒 发酵过程中的葡萄糖的方法，避免溶液中其它电化学活性物质的干扰。
三、石墨烯在DNA生物传感器中的应用
1. 以 PTCA (苝系分子衍生物-苝四羧酸 )对石墨烯进行了修饰,为石墨烯引 入大量的–COOH 基团,经 EDC （电化学交流阻抗水体系碳二亚胺）和 NHS 活化后, 5‘-NH2-ssDNA 可共价固载到PTCA/graphene（石墨烯） 表面,与互补序列杂交后,平躺的 ssDNA 变成站立的 dsDNA,引起识别层 界面负电性和构型的改变,通过 EIS (电化学交流阻抗）技术监测了这些 变化并作为DNA 杂交检测的信号,实现了对 HIV-1 pol (人体免疫缺陷病 毒）基因片段的免标记电化学检测。
三 、展望

石墨烯在生物传感领域的应用还处于方兴未艾的阶段，随着石墨烯越来越多的特性 为人们所发掘，石墨烯在生物传感上的应用范围也将越来越广阔。功能化石墨烯也 被越来越多的科学工作者所青睐，可以预期石墨烯及其复合材料将尽早地应用于国 民经济生活的各个领域，石墨烯的研究将推子学、生物信息学和微电子学的不断渗透融 合，生物传感器的研究工作将会围绕着以下几个方面继续发展： １）体积小型化随着生物技术、微电子技术的交叉发展，生物传感器不断向微型化发 展，人们在家中可自己进行疾病诊断，在市场上可直接进行食品检测。 ２）采用石墨烯材料用于传感器的构建。由于石墨烯材料具有一些独特的性质，如表面 反应活性高、比表面积大、表面吸附能力强、生物兼容性好、电化学性质良好等优 点，可广泛用于生物分子的固定。 ３）人工智能化、集成化、微型化在生命科学究和临床医学检测中，需要对费时、试剂 用量大的各种各样的生物大分子进行选择性测定，因此，构建一 个选择性高、快速、 简单、灵敏、使用时间长的分析方法和廉价的小型化分器材，成为一个重要的研究 课题。
•石墨烯的电学性能
如前所述 , 石墨烯的每个碳原子均为 sp2 杂化 , 并有一个 p 轨道电子形成大 π 键,π 电子可以自由移动,赋予了石墨烯优异的导电性。由于原子间作用力非常 强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞,石墨烯中的电子受到的干扰也 很小 , 电子在石墨烯中传输时不易发生散射 , 载流子迁移率可达 2 × 10 5 c ㎡ /(V·s),约为硅的140倍。石墨烯的电导率可达106S/m。 • 热学性能 石墨烯的室温热导率约为 5×103W/m·K[14],高于碳纳米管和金刚石,是室 温下铜(401 W/m·K)的 10 多倍。 此外,单片层石墨烯的厚度仅为 0.35 nm, 是世界上最薄的二维材料,其具有大的比表面积,理论值可达 2630 ㎡/g。
氧化石墨烯,顾名思义呈氧化状态的石墨烯,片层结构中含有大量的含氧基 团如:环氧基、羧基、羟基、羰基、酯及酸酐等分布在石墨烯的大的碳基平 面及边缘处,这些功能化基团的存在使氧化石墨烯呈 sp3/sp2杂化,因而在一 定程度上破坏了石墨烯的 π-π 共轭结构,为氧化石墨烯发生共价键合反应提 供条件,并增强了其在水溶液中的分散性,氧化石墨烯经进一步的还原处理可 得到石墨烯。