石墨烯傳感器的研究進展-范軍領

石墨烯傳感器的研究進展／范軍領

·３第一文庫網１·

石墨烯傳感器的研究進展＊

范軍領

（）青島科技大學機電學院，青島２６６０６１

摘要　　論述了石墨烯電化學和生物傳感器的研究進展，包括石墨烯的直接電化學基礎、石墨烯對生物小分子（，，）的電催化活性、石墨烯酶傳感器、基于石墨烯薄膜和石墨烯納米帶的實ＨｄｒｏｅｎｅｒｏｘｉｄｅＮＡＤＨ，ｄｏａｍｉｎｅｅｔｃ．　ｙｇｐｐ、。用氣體傳感器（可檢測Ｏ石墨烯Ｄ可用于檢測撲熱息痛）ＣＯ和ＮＯＮＡ傳感器和石墨烯醫藥傳感器（２、２）

關鍵詞　　石墨烯　石墨烯氧化物　傳感器　電催化

ｂａｓｅｄＳｅｎｓｏｒｓＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｒｅｓｓｉｎＧｒａｈｅｎｅ　－　　　ｇｐ

ＦＡＮＪｕｎｌｉｎ�。�

（，Ｑ，Ｑ）ＣｏｌｌｅｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｉｎｅｅｒｉｎｉｎｄａｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｉｎｄａｏ２６６０６１　　　　　　�。纾纾纾纾�ｇｙｇ　ｒａｈｅｎｅａｒｔｉｃｕＡｂｓｔｒａｃｔｅｃｅｎｔａｄｖａｎｃｅｓｉｎｂａｓｅｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｓａｎｄｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｉｎ　�。摇　　。�　　　　　　�。�ｇｐｐ，，ｌａｒｆｏｒｄｉｒｅｃｔｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｏｆｅｎｚｍｅｉｔｓｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｔｉｃａｃｔｉｖｉｔｔｏｗａｒｄｓｍａｌｌｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ（ｈｄｒｏｅｎｒａｈｅｎｅ　　　　　　　�。�ｙｙｙｙｇｇｐ　　，，），ｅｒｏｘｉｄｅＮＡＤＨ，ｄｏａｍｉｎｅｅｔｃ．ａｎｄｒａｈｅｎｅｂａｓｅｄｅｎｚｍｅｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｉｎｍｏｒｅｄｅｔａｉｌ．Ｐｅｒｆｏｒ　　　　　　　　�。�ｐｐｇｐｙ

ｍａｎｃｅｓｏｆｔｈｅｒａｃｔｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｓｃｏｍｏｓｅｄｏｆｒａｈｅｎｅｆｉｌｍｓａｎｄｒｉｂｂｏｎｓｆｏｒＯＣＯ，ａｎｄＮＯｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｇｒａ　　　　　　　　　　　　　�。�ｐｐｇｐ２，２ａｂａｓｅｄＤＮＡｓｅｎｓｉｎｉｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ａｎｄａｎｏｖｅｌｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｔｈａｔｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄｗｉｔｈｏｄｉｆｉｅｄｈｅｎｅｒａｈｅｎｅ－　　　　　　　　　　　�。�ｍｇｐｇｐ

（）ａｒａｃｅｔａｍｏｌｈａｒｍａｌａｓｓｃａｒｂｏｎｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓＧＣＥｓｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｔｃａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｉｎ　　　　　　　　　　　�。�ｐｐｇｙ�。颍铮洌酰悖簦螅�ｃｅｕｔｉｃａｌ　ｐ

，（，，ＫｅｗｏｒｄｓｏｘｉｄｅＧＯ）ｓｅｎｓｏｒｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｔｉｃｒａｈｅｎｅｒａｈｅｎｅ　�。纭。穑纾穑�ｙ

［］

英國曼徹斯特大學Ａ００４年，ｎｄｒｅＫ．Ｇｅｉｍ等１以石墨　�。�

為原料，通過微機械力剝離法得到一系列叫作二維原子晶體

１　石墨烯的電化學基礎

為了更好地了解碳材料在電化學領域的應用，有必要研究決定碳電極的幾種重要參數的基本電化學行為，即電化學位窗口、電子遷移速率、氧化還原電位等。

［１０］

／（Ｈ為ＺｈｏｕＭｉｎ１ｍｏｌＬＰＢＳ　　ｐｇ等報道稱石墨烯在０．

）中具有大約２．這與石墨、玻碳、７．０５Ｖ的電化學電位窗口，甚至摻雜硼的金剛石電極相似，但是，從交流阻抗譜來看，石

——“”。石墨烯（的新材料—Ｇｒａｈｅｎｅ）ｐ

石墨烯是碳納米材料家族的新成員，具有二維層狀納米

２］２

。由于在石墨烯中碳原子呈ｓ結構，室溫下相當穩定［ｐ雜

化，貢獻剩余一個ｐ軌道上的電子形成了大π鍵，π電子可以

３，４］

、自由移動，使石墨烯具有優良的導電性［新型的量子霍爾５－８］９］

。石墨烯對一些酶呈現出優效應［以及獨特的超導性能［

異的電子遷移能力，并且對一些小分子（如Ｈ２Ｏ具ＮＡＤＨ）２、

有良好的催化性能，使其適合做基于酶的生物傳感器，即葡萄糖傳感器和乙醇生物傳感器。在電化學中應用的石墨烯也稱為功能化石墨大部分都是由還原石墨烯氧化物得到的，

烯片或者化學還原石墨烯氧化物，這種物質通常有較多的結構缺陷和官能團，在電化學應用上具有優勢。

碳是電化學分析和電催化領域應用最廣的材料。例如，碳納米管在生物傳感器、生物燃料電池和質子交換膜（ＰＥＭ）燃料電池方面有著良好的性能�；�于石墨烯的電極在電催化活性和宏觀尺度的導電性上比碳納米管更有優勢。因此，在電化學領域，石墨烯就有了大展身手的機會。石墨烯在電化學傳感器上的應用有以下優點：表面積大；②靈①體積小，敏度高；③響應時間快；④電子傳遞快；⑤易于固定蛋白質并保持其活性；⑥減少表面污染的影響。

）ＺＲ２０１０ＥＭ０６９　＊山東省自然科學基金（

墨烯對電荷遷移的阻力比石墨和玻碳電極對電荷遷移的阻力小。

Ｔａｎｇ等通過氧化還原電對的循環伏安法研究了石墨烯

１１］

，如具有良好氧化還原峰的的電子遷移行為［

３－／４－３＋／２＋

［（（。在循環伏安法中所有和［ＦｅＣＮ）ＲｕＮＨ３）６］６］

陰陽兩極的峰值電流都與掃描速率的平方根呈線性關系，表１０］

。在明石墨烯電極的氧化還原過程主要是由擴散控制的［

（循環伏安法）中，石墨烯中一個電子遷移的氧化還原電ＣＶｓ

對的峰值電位差（非常低，很接近于５比Ｅｐ）９ｍＶ的理想值，Δ

１２］３－／４－

；［（玻碳電極的小很多［另外，的峰值電位差ＦｅＣＮ）６］３＋／２＋／），［（的峰值電位差為６１．５３ｍＶ（１０ｍＶｓＲｕＮＨ３）～７６］

／）。峰值電位差與電子遷移系數相為６０５ｍＶ（１００ｍＶｓ～６關，峰值電位差較低表明石墨烯上的單電子電化學反應具有較快的電子遷移速率。

：講師，從事石油化工設備教學與設計工作�。牛�ｍ１９７３年生，ａｉｌｋｅｄａ２９７３＠１６３．ｃｏｍ　范軍領：

·３２·材料導報Ａ：綜述篇　上）第２０１２年４月（６卷第４期�。�

為了研究石墨烯對不同氧化還原系統的電化學響應，

［１１］

［ＴａｎＲｕ－ｇ等系統研究了３種有代表性的氧化還原電對：

３＋／２＋３－／４－３＋／２＋

（、［。眾所周知，［和ＦＮＨ３）Ｆｅ（ＣＮ）ｅＲｕ－６］６］３＋／２＋（幾乎是對大多數電極表面缺陷和雜質不敏感ＮＨ３）６］

的理想球面氧化還原系統，并且能夠在對比幾種碳電極材料３－／４－

［（的電子遷移率時作為基準；對表面敏感，但ＦｅＣＮ）６］３＋／２＋１２］

。從［對表面和氧都敏感［是對氧不敏感；ＦｅＲｕ－

３＋／２＋

（電對循環伏安法計算得來的石墨烯和玻碳電ＮＨ３）６］

學的途徑，并能鑒別未知吸附物的原子結構。通過霍爾電阻的變化間接檢測單原子的吸附和釋放過程，極大地提高了微

１４］

。研究還發現，量氣體快速檢測的靈敏性［高靈敏性來自于

石墨烯還可用于外加電石墨烯電學上的低噪音特性。此外，

荷、磁場以及機械應力等的敏感檢測。由于石墨烯具有六角網狀結構，可用來制備分解氣體的顯微濾網。

［５］

綜述了幾種石墨烯氣體傳感器的研Ｋｌｅｒ．Ｒａｔｉｎａｃ等１ｙ

指出基于石墨烯的小尺度傳感器在環境檢測中前景究狀況，

／／。這極的表觀電子遷移常數分別是０．１８ｃｍｓ和０．０５５ｃｍｓ石墨烯的獨特電子結構，尤其是在一個寬的能量范圍表明，

１２］

。的高的電子密度使得石墨烯具有較快的電子遷移速率［３－／４－

（從［電對計算得來的石墨烯和玻碳電極的表ＦｅＣＮ）６］

很好。但是，基于石墨烯的小尺度氣體傳感器的開發依然面臨著３個方面的困難：其一，低成本批量化的制備技術有待其二，石墨烯氣體傳感器的靈敏度有待提高，才能形成開發；

足夠的競爭力；其三，要避免制備使用過程中的污染，因為石碳氫化合物、水蒸氣分子容易吸附于其上，墨烯是親油性的，

影響靈敏度，所以開發的石墨烯制備技術應該力求避免諸如此類的污染。

［６］

利用ＭＰ微波等離子化學ＲａｋｅｓｈＫ．Ｊｏｓｈｉ等１ＥＣＶＤ（

法在Ｓ氣相沉積）ｉ基Ｎｉ涂層上生長出石墨烯薄膜和納米帶，

／／；在石墨烯觀電子遷移常數分別為０．４９ｃｍｓ和０．０２９ｃｍｓ

３＋／２＋

電極上的Ｆ的電子遷移速率通常比玻碳電極上的電子ｅ１１］

。這些研究結果都表明了石墨烯遷移速率高幾個數量級［

１１，１２］

。的電子結構和表面物化性質有利于電子遷移［

２　石墨烯氣體傳感器

石墨烯獨特的二維特點使之在傳感器領域具有光明的應用前景。巨大的表面積使之對周圍的環境非常敏感。即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以被檢測到。當然目前檢測可以分為直接檢測和間接檢測。通過ＴＥＭ可以直接觀

１３］

，測到單原子的吸附和釋放過程［并且觀察到了碳鏈和空

并利用四點探針技術研究了石墨烯在２５～２００℃之間的電發現石墨烯暴露于Ｃ而阻－溫度變化關系，Ｏ中時電阻增加，

－６

暴露于ＯＯ００×１０２和Ｎ２中時電阻下降。石墨烯薄膜在１－６的Ｃ的ＮＯ石墨Ｏ和１００×１０５；２的傳感信號分別為３和３－６－６烯納米帶在１的Ｃ的ＮＯ００×１０Ｏ和１００×１０２的傳感信

號分別為１．５和１８。該氣體傳感器的機制主要是石墨烯表面吸附氣體后引起了電荷輸運的改變�；�于石墨烯的氣體傳感器具有耐久性、可靠性和重現性

。

實時研究了其動力學過程，如圖１所示。位，

這些技術提供了一種研究更復雜化學反應的真實動力

圖１　吸附原子像Ｆｉ．１�。粒洌幔簦铮恚椋恚幔澹蟆。纾�

石墨烯傳感器的研究進展／范軍領

·３３·

敏度。因此，在生物環境下區分ＤＡ、ＡＡ和ＵＡ是一個挑

戰。

ＳｈａｎＡ的多層石墨烯膜修飾的電極ｇ等報道了探測Ｄ（），該多層膜是由無催化微弧等離子增強的化學氣ＭＧＮＦｓ

１７］

。ＭＧＮ相沉積合成的［Ｆｓ呈現出良好的區分ＡＡ、ＤＡ和／ＵＡ的能力，ＤＡ的探測極限是０．１７ｍｏｌＬ。垂直于石墨烯μ

納米片端部的缺陷使其具有良好的生物傳感性，它們能夠作

１７］

。為納米連接器，把電子輸送到基體底面［

［１７］

Ｗａｎｇ等報道了石墨烯對多巴胺的寬的線性選擇性

／范圍為５～２比多壁碳納米管要好很多。這是因００ｍｏｌＬ，μ

３　石墨烯生物小分子傳感器

３．１�。龋玻希�

在生Ｈ２Ｏ２通常是氧化酶和過氧化酶基體酶化的產物，

１０］

。Ｈ２Ｏ物過程和生物傳感器的發展中起著重要作用［２也是１０］

，藥品、醫療、工業和環境分析的基本介質［因此探測食品、

Ｈ２Ｏ２有著重要意義。開發探測Ｈ２Ｏ２電極的關鍵是減少氧

化／還原過電位。碳納米管等多種碳材料都可用來構建探測石墨烯在這方面有著良好的前景。Ｈ２Ｏ２的生物傳感器，

［０］

研究了石墨烯修飾電極上的Ｈ２ＯＺｈｏｕ等１２的電化學

行為，與石墨／玻碳和玻碳電極相比，石墨烯修飾電極的電子

為多巴胺和石墨烯表面的高導電性、高表面積和π－π鍵的相互作用。

／），遷移速率顯著提高。如圖２所示，Ｈ２ＯＲ－ＧＯＧＣ（ａ２在Ｃ

））石墨／和Ｇ上的氧化還原開始電位分別是：ＧＣ（ｂＣ電極（ｃ／／－０．／－０．表明石墨烯０．２００．１０Ｖ、０．８０３５Ｖ和０．７０２５Ｖ，

／對Ｈ２ＯＲ－ＧＯＧＣ電極上，２具有更好的催化活性。在Ｃ比以前報道的碳納米Ｈ２Ｏ０．２Ｖ存在線性關系的范圍，２在－

［］０

。這些都歸因于石墨烯棱面的高密度缺陷，管的范圍要寬１

１７］

�；�于這些位置為生物樣品的電子遷移提供了活性中心［

４　石墨烯酶傳感器

由于電極表面和生物大分子（如蛋白質和Ｄ之間能ＮＡ）對于生物傳感器的開發至關重要，所否進行有效電荷傳遞，

以要了解蛋白質和ＤＮＡ的直接電化學性質。氧化還原蛋白質（酶）的直接電子轉移研究不僅為生物體內電子轉移機理還為第三代電化學生物傳感器的構置提供了研究提供參考，

１７］

。然而，重要手段［蛋白質和酶的氧化還原活性位點包埋在

石墨烯的電極探測Ｈ２Ｏ２的增強效應會導致電化學傳感器的

高選擇性和高靈敏度

。

疏水的多肽鏈中，其活性中心很難與電極表面相連，難于實、、蛋白質和酶在傳統的Ａ玻碳現直接電子轉移。因此，ｕＰｔ

電極上不能進行直接電化學表征。另外吸附的大分子雜質或蛋白質也降低了電子傳遞。為了促進蛋白質或酶與電極表面之間的電子傳遞，人們做了大量的工作。鑒于石墨烯優功能化石墨烯有望促進良的電子傳輸性能和高的比表面積，

修飾電極由于電極基體和酶之間的電子遷移。石墨烯（ＧＥ）其獨特的電學和結構性質，有利于蛋白質直接電化學研究。在Ｇ研究了一些重要分析物特別是生物小分Ｅ修飾電極上，

１０］

圖２　扣除背底的循環伏安圖［

子和藥物分子。尤其是存在于哺乳動物中樞神經系統中十如多巴胺、腎上腺素和去甲腎上腺素的分重要的神經遞質，

測定，人們倍感興趣。然而，哺乳動物神經和大腦組織中有高濃度的抗壞血酸，而神經傳導質與抗壞血酸的氧化電位接因而用傳統的電極進行電分析時存在相互干擾。近，

［８］［１９］

和ＫＳｈａｎ１ａｎｇ等均報道了石墨烯上的葡萄糖氧化

酶（的直接電化學。ＳＧＯＤ）ｈａｎ所用的化學還原的石墨烯氧

Ｆｉ．２�。拢幔悖耄颍铮酰睿洌螅酰猓簦颍幔悖簦澹洌茫郑螅�　ｇｇ

［１０］

３．２�。危粒模�

煙酰胺腺嘌呤二核甘酸）和它的還原態形式ＮＡＤ＋（煙酰胺腺嘌呤二核苷酸）是許多脫氫酶的輔助酶。ＮＡＤＨ（

并產生ＮＡ在乳酸鹽、乙ＮＡＤＨ作為陽極信號，Ｄ＋輔助酶，酸或葡萄糖等生物傳感器中非常重要。這些陽極探測的固有問題是ＮＡＤＨ氧化的大電壓和反應產物的表面沉積石墨烯在解決這些問題上有著很大的潛力。

ＴａｎＤＨ的電化學ｇ等研究了石墨烯修飾電極上的ＮＡ

行為，與石墨／電子遷移速率有了顯著提ＧＣ、ＧＣ電極相比，高

［１１］

［１７］

，

化物和ＫａｎＯＤ相ｇ所用的熱剝離石墨烯氧化物均顯示出Ｇ圖４表示在Ｐ似的優良的直接電化學。圖３、ＢＳ溶液中測得的石墨烯、石墨－葡萄糖氧化酶和石墨烯－葡萄糖氧化酶修飾。只在石墨烯－葡萄糖氧化的玻碳電極的循環伏安曲線（ＣＶ）這是在酶修飾的電極上觀察到了一對清晰的氧化還原峰，的可逆電子遷移過程的ＧＯＤ中的氧化還原活性中心（ＦＡＤ）

特征，表明成功得到了石墨烯電極上的ＧＯＤ的電子遷移證據。Ｇ陽極對ＯＤ的氧化還原峰具有６９ｍＶ的峰值電位差，并且峰值電流密度與掃描速陰極的電流密度比值大約為１，

１９］

。這些研究結果都表明石墨烯電極上的率成線性關系［

１９］

。局限于表面的過程［ＧＯＤ氧化還原過程是一個可逆的、

）石墨烯電極上的ＧＯＤ的電子遷移速率常數為（２．８３±０．１８－１１８］

，，比報道的碳納米管的電子遷移速率常數高［表明功能ｓ

。ＮＡＤＨ氧化的峰值電位從ＧＣ和石墨上的０．７０Ｖ變

［１］

。這都歸因于Ｃ化到ＣＲ－ＧＯ上的０．４０Ｖ１Ｒ－ＧＯ棱面的高

密度缺陷，這些缺陷提供了電子遷移的活性位置。

３．３　多巴胺

多巴胺（是一種重要的神經傳遞介質，在中樞神經、ＤＡ）腎臟、荷爾蒙和心血管系統方面扮演重要角色。然而，在傳統的固態電極上，抗壞血酸）以及ＤＡ和它的共存物質ＡＡ（

尿酸）有著重疊的伏安響應，導致ＤＵＡ（Ａ的低選擇性和靈

·３４·材料導報Ａ：綜述篇　上）第２０１２年４月（６卷第４期�。�

化石墨烯提供了電子在酶的氧化還原中心和電極表面快速

１９］

。石墨烯電極由于其高的表面積，傳遞的通道［具有高的酶－９２

／），的負載量（是石墨烯基生物傳感器靈１．１２×１０ｍｏｌｃｍ

／／它碳材料的電極的范圍要寬。在ＧＯＤＣＲ－ＧＯＧＣ電極上

／的葡萄糖的探測極限（在－０．比報道２０Ｖ時為２．００ｍｏｌＬ）μ／／的碳材料修飾的生物傳感器的低。ＧＯＤＣＲ－ＧＯＧＣ電極），穩態響應是（并且高對葡萄糖的響應是非�？斓模ǎ埂溃保�ｓ，／／度穩定（這使得Ｇ５ｈ仍保持原來信號的９１％）ＯＤＣＲ－ＧＯ快ＧＣ電極可作為連續測量糖尿病中血漿葡萄糖的潛在的、

速穩定的生物傳感器。

［１９］

Ｋａｎｇ等使用生物相容的殼聚糖來分散石墨烯和構建葡萄糖生物傳感器，發現殼聚糖能夠幫助形成良好分散的石

敏性的優勢所在。石墨烯上的ＧＯＤ的電子遷移是穩定的，（）如在飽和的Ｎ溶液中ＧＢＳＯＤ－ＧＥＣｈｉｔｏｓａｎＨ＝７．４－ｐ２的Ｐ修飾的電極的１５個循環伏安響應里沒有觀察到明顯的變

［９］

。并且經過１周的放置后，這些響應仍能保留９化，５％以上１

墨烯懸濁液，并且能夠固定酶分子�；�于石墨烯的酶傳感器／和葡萄糖測具有良好的選擇性（３７．９３Ａ·ｍｍｏｌＬ·ｃｍ－２）μ量的長期穩定性。

石墨烯／金屬納米粒子修飾的生物傳感器也有所報道。

［０］

／殼聚糖復合材料薄膜修飾研究了石墨烯／Ｓｈａｎ等２ＡｕＮＰｓ

的生物傳感器，該傳感器對Ｈ２Ｏ２和Ｏ２有良好的催化活性。［１］

／／／研究了ＧＷｕ２ＯＤＧＥＰｔＮＰｓＣｈｉｔｏｓａｎ修飾的葡萄糖生物

／傳感器，該傳感器對葡萄糖的探測極限為０．６ｍｏｌＬ。這些μ

增強的功能在于石墨烯的大的表面積和良好的導電性以及

２２］

。石墨烯和金屬納米粒子的協同作用［

功能化石墨烯對ＮＡＤＨ氧化的優良催化活性表明石墨

［０］

烯是一種有前途的脫氫酶生物傳感器。Ｚ研究了基ｈｏｕ等１

于ＧＥ－ＡＤＨ的乙醇生物傳感器。ＡＤＨ－ＧＥＣ電極比－Ｇ

／更ＡＤＨ－石墨／ＧＣ和ＡＤＨＧＣ電極具有更快的響應速度、更低的對乙醇探測的極限。這些優良性能可寬的線性范圍、

解釋為：含有酶的石墨烯基質的產物和基體之間的有效遷

１０］

。以及石墨烯的固有的生物相容性［移，

５　石墨烯ＤＮＡ電化學傳感器

ＤＮＡ傳感器電化學使得探測ＤＮＡ序列或者診斷和人更高的選擇性和低類疾病相關的突變基因有更高的靈敏度、

的成本，并且為疾病的診斷提供了一個簡單的、精確的、便宜

２３］

。Ｄ的平臺［ＮＡ傳感器電化學使許多小體積器件微型化，［０］

。最簡單的ＤＮＡ傳感器就是ＤＮＡ的直接氧化傳感器１［０］

研究了石墨烯修飾的ＤＺｈｏｕ等１ＮＡ傳感器的電化學。／在ＣＲ－ＧＯＧＣ電極上，ＤＮＡ的４個自由基的電流信號都有

鑒于石墨烯對Ｈ２ＯＯＤ直接電２高的電催化活性和對Ｇ

化學的優良性能，石墨烯能夠作為氧化酶生物傳感器的優良電極材料。

［１８］

／ＳｈａｎＥＰＥＩ－功能化離子液體ｇ等報道了第一個由Ｇ

納米復合材料修飾的電極構建的石墨烯葡萄糖生物傳感器，

／表明Ｃ但是效的分開了，Ｒ－ＧＯＧＣ能同時探測４種自由基，／石墨和玻碳電極都不能。這歸因于ＣＲ－ＧＯＧＣ電極的抗積

１０］

。Ｃ垢性能和對自由基氧化的高電子遷移動力學［Ｒ－ＧＯ棱有面的高密度缺陷位置和含氧官能團提供了許多活性位置，

１７］

。利于電極和溶液中樣品之間電子遷移的加速過程［

／該傳感器具有寬的線性葡萄糖響應（２～１４ｍｍｏｌＬ，Ｒ＝）、／良好的重現性（在－０．對６０．９９４５Ｖ時，ｍｍｏｌＬ葡萄糖的

電流響應的相對標準偏差為３．和高的穩定性（２％）１周后的響應電流為＋４．９％）。

［０］

研究了基于Ｃ化學還原石墨烯氧化Ｚｈｏｕ等１Ｒ－ＧＯ（

物）的葡萄糖傳感器。基于ＣＲ－ＧＯ的生物傳感器能夠大大

［１９］

／ＣＲ－ＧＯＧＣ電極能夠有效地分開單鏈和雙鏈ＤＮＡ的４

個自由基。在沒有預水解的生理ｐ氧化超過３個Ｈ狀態下，／自由基會更難，因而，允許在沒有混合或標識的ＣＲ－ＧＯＧＣ電極上探測單核苷酸（聚體。這一特性是ＣＳＮＰ）Ｒ－ＧＯ獨特的物化性能所賦予的（高導電性、大表面積、抗積垢性能、高

［１０］

。電子遷移動力學等）

／增強葡萄糖的安培信號：有著寬的線性范圍（０．０１０ｍｍｏｌ～１、／高的選擇性（和低的探測極Ｌ）２０．２１Ａ·ｍｍｏｌＬ·ｃｍ－２）μ

／／）。對于探測葡萄糖的線性范圍比其限２．００ｍｏｌＬ（ＳＮ＝３μ

６　石墨烯醫藥傳感器

［２４］

撲熱息Ｋａｎｇ等研究了用于選擇檢測對乙酰氨基酚（

石墨烯傳感器的研究進展／范軍領

痛）的電化學傳感器，該傳感器是根據功能化石墨烯的電催化活性構建的。他們用循環伏安法和方波伏安法表征了石墨烯修飾的玻碳電極上的對乙酰氨基酚的電化學行為。結果表明，石墨烯修飾的電極上的對乙酰氨基酚具有良好的電催化活性。對乙酰氨基酚在修飾電極上有著準可逆的氧化還原過程，與裸玻碳電極相比，對乙酰氨基酚的過電位下降了。這種電催化行為歸因于石墨烯獨特的物理和化學性能，即精妙的電子特征、強有力的π－π鍵合以及強的吸附能力。該傳感器對于檢測對乙酰氨基酚有著優良的性能：檢測限為

－８

／可再現性為相對標準偏差的５．可接受３．２×１０ｍｏｌＬ，２％，

的回復從９６．４％到１０３．３％。

·３５·

１３７９

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］ｄｎａｍｉｃｓｏｆｌｉｈｔａｔｏｍｓａｎｄｍｏｌｅｃｕｌｅｓｏｎＪ．Ｎａｒａｈｅｎｅ［　　　　　　�。�ｙｇｇｐ，ｔｕｒｅ２００８，４５４：３１９

１４ＳｃｈｅｎｉｎＦ，Ｇｅｉｍ　Ａ�。耍�ＭｏｒｏｚｏｖＳＶ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆｉｎ　　　　　�。�

［］ｄｉｖｉｄｕａｌａｓｍｏｌｅｃｕｌｅｓａｄｓｏｒｂｅｄｏｎｒａｈｅｎｅＪ．ＮａｔｕｒｅＭａ　　　　　　－ｇｇｐ，ｔｅｒ２００７，６：６５２

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７　結語

本文闡述了石墨烯的一般性質及基于石墨烯的電化學傳感器，介紹了幾種制作石墨烯修飾電極的方法及其優缺點。石墨烯電極的應用是基于高靈敏性、快速響應性、重現性和穩定性好的優點。石墨烯由于其獨特的電化學特性和生物相容的納米結構，為開發超靈敏電化學生物傳感器提供了可能性。

作為碳材料的構成基元，石墨烯具有獨特的電子結構、優異的性能和物化性質。石墨烯對于酶直接電化學性能優良，可以用于電化學檢測生物小分子，以及電化學分析（用作。在這些領域，石墨生物分析和環境分析的電化學傳感器）

烯比碳納米管更有優勢。但是，石墨烯基的材料／器件的研發仍然處于初期階段。前文述及了幾種合成石墨烯的方法，但是并沒有經濟實惠又高產的方法。在電化學領域石墨烯氧化物的化學還原是一種比較可行的方法。

更好地理解石墨烯表面的物理和化學性質，以及石墨烯界面的化學和生物分子的相互作用是很有價值的，為石墨烯化學／生物傳感、藥物輸送領域的應用奠定了基礎。在催化、

分子在石墨烯上的吸附機制、生物分子在石墨烯上的定向排列以及它們之間的相互作用影響著石墨烯的輸運性質。這些研究為進一步理解石墨烯和分子相互作用的機制創造了條件，能夠促進石墨烯科學和它在催化與傳感器領域的發展。

參考文獻

１�。危铮觯铮螅澹欤铮觯耍�，Ｇｅｉｍ　Ａ�。�，ＦｉｒｓｏｖＡ　Ａ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔ

］，ｉｎａｔｏｍｉｃａｌｌｔｈｉｎｃａｒｂｏｎｆｉｌｍｓ［Ｊ．Ｓｃｉｅｎｃｅ２００４，３０６：６６６　　�。��。病。停澹澹颍剩�，Ｇｅｉｍ�。痢。�，ＮｏｖｏｓｅｌｏｖＫＳ，ｅｔａｌ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　　　　　ｙ

］，ｏｆｒａｈｅｎｅｓｕｓｅｎｄｅｄｓｈｅｅｔｓ［Ｊ．Ｎａｔｕｒｅ２００７，４４６：６０　　　ｇｐｐ

［］ｅｉｍ�。痢。�，ＮｏｖｏｓｅｌｏｖＫＳ．ＴｈｅｒｉｓｅｏｆＪ．Ｎａ３�。牵颍幔瑁澹睿濉　　　　。�ｇｐ，ｔｕｒｅＭａｔｅｒ２００７，６：１８３

４　ＡｖｏｕｒｉｓＰ，ＣｈｅｎＺＨ，ＰｅｒｅｂｅｉｎｏｓＶ．Ｃａｒｂｏｎｂａｓｅｄｅｌｅｃ　　　　－�。�

］，ｔｒｏｎｉｃｓ［Ｊ．ＮａｔｕｒｅＮａｎｏｔｅｃｈｎ２００７，２：６０５�。怠。祝椋欤欤椋幔恚螅剩遥�ＤｉｃａｒｌｏＬＣ，ＭａｒｃｕｓＣ�。停�Ｑｕａｎｔｕｍ�。龋幔欤�

ｅｆｆｅｃｔｉｎａａｔｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｎｕｎｃｔｉｏｎｏｆｒａｈｅｎｅ［Ｊ］．　　　－　－　　�。纾穑辏纾�，Ｓｃｉｅｎｃｅ２００７，３１７：６３８６�。危铮觯铮螅澹欤铮觯耍樱�ＪｉａｎＺ，ＺｈａｎＹ，ｅｔａｌ．Ｒｏｏｍｔｅｍｅｒａｔｕｒｅ　　�。�ｇｇｐ

，ｕａｎｔｕｍｒａｈｅｎｅ［ｈａｌｌｅｆｆｅｃｔｉｎＪ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ２００７，３１５：　　　　ｑｇｐ

ｒａｈｅｎｅａｃｔｉｖｉｔｏｆＰｔｓｕｂｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒｓｏｎｎａｎｏｓｈｅｅｔｓｕｒｆａｃｅ　　　　　　ｇｐｙ

［］，Ｊ．ＮａｎｏＬｅｔｔ２００９，９：２２５５　，Ｗ，Ｋ，２１ＷｕＨｏｎａｎＪｕｎａｎＸｉｎｈｕａｎｅｔａｌ．Ｇｌｕｃｏｓｅｂｉｏ　　�。�ｇｇｇｇ

ｌｕｃｏｓｅｌａｔｉｓｅｎｓｏｒｂａｓｅｄｏｎｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｏｘｉｄａｓｅｉｎ　　　　　　　�。�ｇｐ

／／ｒａｈｅｎｅｎｕｍａｎｏａｒｔｉｃｌｅｓｃｈｉｔｏｓａｎａｎｏｃｏｍｏｓｉｔｅｉｌｍ�。睢。睢。妫纾穑穑穑郏荩�Ｊ．Ｔａｌａｎｔａ２００９，８０：４０３

Ｓ，ＤｉｋｉｎＤＡ，ＰｉｎｅｒＲＤ．Ｓｓｔｈｅｓｉｓｏｆｒａｈｅｎｅ２２Ｓｔａｎｋｏｖｉｃｈ　　　　　　　－ｙｇｐ

ｂａｓｅｄｎａｎｏｓｈｅｅｔｓｖｉａｃｈｅｍｉｃａｌｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｅｘｆｏｌｉａｔｅｄｒａ　　　　　　�。�ｇ］，ｈｉｔｅｏｘｉｄｅ［Ｊ．Ｃａｒｂｏｎ２００７，４５：１５５８　ｐ

２３ＳａｓｓｏｌａｓＡ，ＬｅｃａｏｕｖｉｅｒＢ，ＢｌｕｍＬＪ．ＤＮＡｂｉｏｓｅｎｓｏｒｓａｎｄ�。�Ｂ　　　　�。�，ｍｉｃｒｏａｒｒａｓ［Ｊ．Ｃｈｅｍ　Ｒｅｖ２００８，１０８：１０９ｙ，Ｗ，Ｗｕ，２４ＫａｎＸｉｎｈｕａｎａｎＪｕｎＨｏｎｅｔａｌ．Ａｒａｈｅｎｅ　　　－ｇｇｇｇｇｐ

ｂａｓｅｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓｅｎｓｏｒｆｏｒｓｅｎｓｉｔｉｖｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｏｆａｒａ　　　　　　�。�ｐ］，ｃｅｔａｍｏｌ［Ｊ．Ｔａｌａｎｔａ２０１０，８１：７５４

（責任編輯　林　芳）

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