石墨烯及其复合材料在酶电化学生物传感器中的应用.pdf

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1、第41卷分析化学(FENXIHUAXUE)特约来稿第5期2013年5月ChineseJournalofAnalyticalChemistry641—649DOI：10．3724／SP．J．1096．2013．30177石墨烯及其复合材料在酶电化学生物传感器中的应用张谦张玲李景虹(辽宁大学化学院，沈阳110036)(沈阳师范大学化学与生命科学学院，沈阳110034)(清华大学化学系，北京100084)摘要石墨烯作为新型的二维碳基纳米材料，具有良好的导电性、较大的比表面积和较好的生物相容性。石墨烯及其复合物适合于构建酶电

2、化学生物传感器。本文介绍了石墨烯功能化的方法，并对石墨烯及其复合物在酶电化学生物传感器方面的研究进行了综述。关键词石墨烯；功能化；酶；电化学生物传感器；综述1引言石墨烯(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。自从2004年由英国Manchester大学的Geim研究组发现以来，石墨烯引起了强烈的反响和广泛关注。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(0．335nm)，是目前所发现的最薄的二维材料’。这种特殊的结构使得石墨烯表现出优

3、异的物理化学性质。石墨烯的理论比表面积高达2600m／g，其结构中长程有序的7r键电子结构使石墨烯具有优异的导热性能(3X10w／(m·K))和力学性能(1．06×10GPa)以及室温下的高的电子迁移率(1．5X10cm／(V·S))曲J。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。近年来，随着对石墨烯结构、性质等方面的深入研究，其在电化学，尤其是生物电化学领域的研究Et益受到关注¨。由于具有优良的导电性和电催化性能，石墨烯是制备酶电化学生物传感器的一种理想的电极材料l2。-25]。石墨烯良好的电学

4、性质使其可以在电化学过程中有效地促进电子传输，提高生物传感器的灵敏度和响应信号，缩短响应时间_2。而且，石墨烯具有较大的比表面积可有效提高酶的负载量，由此改善传感器的灵敏度等性能7¨。此外，石墨烯还具有良好的生物相容性，能够保持负载酶的生物活性，有利于生物传感器的稳定。目前，已有诸多综述性文章从不同方面对石墨烯的合成、性质和应用等进行了评述，本文仅对石墨烯及其复合物在酶电化学生物传感器领域中的新进展进行综述。2石墨烯的功能化由于石墨烯化学稳定性高，其表面呈现隋性状态，致使其与其它介质的相互作用较弱，难以有效分散在极性

5、或非极性的溶剂中。石墨烯片层间还存在较强的范德华力和仃一7r相互作用，易发生不可逆的团聚，从而丧失其单层二维纳米片的结构特性，妨碍了石墨烯的进一步研究和应用。因此，需要对石墨烯进行功能化修饰，提高其溶解性、稳定性及其在基质中的分散性。通过功能化修饰引入特定的化学基团或其它功能性组分，还可赋予石墨烯更为独特的性质，从而拓展了其应用领域”。如图1所示，石墨烯功能化方法主要集中以下3个方面：共价功能化、非共价功能化以及化学掺杂。共价功能化方法主要利用氧化石墨烯表面上以及石墨烯片层表面边缘上所存在含氧官能团，诸如羟基、羧基或

6、环氧基等的反应活性将化学基团或功能性分子选择性键合于片层上。利用这种方法所制备的材料尽管比较稳定，但共价键的引入容易导致石墨烯部分性能的丧失。与共价功能化相比较，非共价功能化方法主要利用特定结构的功能性分子，例如具有大7r共轭结构的芳香性小分子、共轭聚合物、生物大分子以及表面活性剂与石墨烯间的7r一相互作用以及范德华力、静电相互作用、疏水作用或氢键20134)2-26收稿；2013_o4．ol接受本文系国家自然科学基金(Nos．21235004，21203126，20901035)，科技部973计划(No．2013C

7、B934004)和辽宁省自然科学基金(No．201202088)资助E—mail：jhli@mail．tsinghua．edu．cn642分析化学第4l卷等实现石墨烯的表面修饰。引。该修饰方法较为简单且对石墨烯结构的破坏较小，可以最大程度保留石墨烯的本征特性。但是由于修饰分子或功能性组分与石墨烯问的相互作用力较弱，这类复合物的稳定性相对较差。掺杂功能化是实现石墨烯功能化的重要途径之一。利用这种方法可以有效调节石墨烯的电子结构，并改善其物理化学性质，从而实现石墨烯性能的优化。例如，通过氮掺杂不仅可使石墨烯显示出n型半导

8、体的导电特性，还能有效地改变石墨烯的电负性，从而有利于O：等小分子的吸附活化，进而促进其对O，的电催化还原。图1石墨烯的修饰方法示意图Fig．1Schematicillustrationoffunctionalizationofgraphene3石墨烯及其复合物在酶电化学生物传感器中的应用3．1基于有机小分子修饰石墨烯的酶生物传感器通过非共价修