碳纳米管修饰电极在生物传感器方面的应用

【摘要】  本文综述了基于碳纳米管的化学修饰电极和在生物传感器的研究进展。

【关键词】  碳纳米管；修饰电极；生物传感器；进展

    自1991年日本显微镜专家Iijima发现碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)以来，CNTs因其独特的力学、电子特性及化学特性，成为世界范围内的研究热点之一。它可以认为是将石墨片折叠成碳圆柱体的结果，分为MWNTs（MWNTs）和SWNTs（SWNTs）。近年来，随着对CNTs性质研究的深入，越来越多的人将CNTs应用于生物传感器领域，将其作为一种新型的电极材料，取得了理想的效果。

　　1  碳纳米管的特性及研究现状

    CNTs又称巴基管，属于富勒碳系，管状无缝中空，具有完整的分子结构，由碳六元环构成的类石墨平面卷曲而成［1］。管各单层两端由五边形或七边形参与封闭。CNTs中每个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子相连形成六角形网格结构，但通常因产生弯曲而形成空间拓扑结构，从而使某些碳原子呈sp3杂化状态［2］。CNTs的尺寸处在以原子、分子为代表的微观物体与宏观物体交界的过渡区域，使它既非典型的微观系统又非典型的宏观系统，从而具有可观的表面效应、体积效应、量子效应和宏观量子隧道效应［3］。探索和研究这种新型碳结构的电极特性具有十分重要的意义。无论是单壁或多壁的CNTs都可以用来制作CNTs修饰电极，其在电催化、电分析化学和生物传感器等方面上具有广阔的应用前景。

    2  CNTs修饰酶传感器

    与其它分析方法相比，电化学生物传感器具有便携、成本低、灵敏度高、稳定性良好等优点，再加上CNTs本身的催化和增敏效应，使得基于CNTs的生物传感器具有广阔的应用前景。酶传感器是生物传感器中研究和应用最多的一种，是生物传感器的最典型代表。CNTs作为酶的固定材料，同时也作为基础电极的修饰材料制成传感器即成为新型的CNTs修饰酶传感器［4］，该类传感器有许多优点。根据CNTs和基础电极结合方式的不同，可以把CNTs修饰酶传感器分为不可逆吸附型、糊类、原位生长(阵列)型、共价键合型等几种类型。

    2.1  吸附型CNTs修饰酶传感器

    吸附是一种非常简单有效而又古老的电极修饰方法，CNTs可通过范德华力吸附在基础电极表面，有时电极表面还覆盖一层保护膜，以防止CNTs流失，同时也起到保护酶的作用。Azamian等人［5］采用吸附的方法将SWNTs固定在玻碳电极上，制成GOD?SWNTs修饰的玻碳电极。蔡等人［6］研究了CNTs修饰玻碳电极上GOD的直接电子转移，实验结果表明GOD在GCPCNT电极上能保持其生物电催化活性，显示了稳定的直接电子转移。

    2.2  糊类CNTs修饰酶传感器

    糊类电极是圆柱状电极，它是由CNTs和绝缘体混合后而制得，其中的CNTs不仅是电极的修饰物，同时也是该类电极的主体，起着导电的作用。这种宏观修饰就像蓄“酶”池一样有很大的酶负载量。2004年Maria等人［7］采用MWNTs、矿物油与葡糖氧化酶制成CNTs糊电极用于葡萄糖的检测，结果表明：该电极对葡萄糖具有很高的选择性和灵敏性、较低的检测限和较宽的线性范围；Federica等人［8］使用SWNTs制成CNTs糊电极，该电极与传统的碳糊电极相比，具有阴阳极峰电位差减小、阳极峰电流增大、可逆性和灵敏度高等优点。

    2.3  阵列型CNTs修饰酶传感器

    一般情况下制取CNTs时，CNTs是自由生长，会发生随意弯曲，并互相缠绕，造成了很大的影响。因此，制备取向高度一致、管径均匀、不含杂质的CNTs阵列成为一个热门课题。Gao等人［9］用铁酞菁在高温下进行热解，制得在石英玻璃基底上垂直生长的CNTs阵列。先在CNTs阵列上溅射一层Au薄膜，再电镀导电聚合物膜，以此作为平台构造GOD生物传感器。Tang等人［10］在原位生长的定向CNTs上电镀Pt，然后浸渍于GOD溶液中，最后再涂上一层Nafion膜，这样制得的传感器在线性范围、检测限、反应时间、灵敏性和稳定性等各方面都有很优异的表现。

    2.4  共价键合型CNTs修饰酶传感器

    在Au、Pt、C等基础电极表面修饰一层有机功能膜可以有效地提高预处理的效果，这样薄膜上的大量基团能在缩合剂的作用下与CNTs末端的羧基反应，从而将CNTs共价键合。Patolsky等人［11］首次报道了CNTs修饰电极表面氧化还原酶的重构，通过在Au电极表面覆盖一层2?硫醇和胱胺的混合物，实验证明电子传输速率由SWNTs的长度决定。Liu等人［12］的研究亦取得了相似的实验结果。国内学者Xue等人［13］将SWNTs作为生物传感器的固定材料，将羧酸功能化的SWNTs涂覆在铂电极上，从而构成一个葡萄糖生物传感器，该生物传感器在较宽的pH值范围内显示了稳定的伏安反应，并在四个月后仍保持90%的活性，稳定性高。

    3  CNTs在DNA生物传感器中的应用

    DNAs生物传感器一般由DNA探针和能把DNA杂交或其他信息转换为可测量信号的换能器两部分组成。通常是把DNA探针固定在电极表面，然后基于DNA分子的杂交识别特性对靶基因进行检测。我国近来在DNA电化学生物传感器及其在转基因植物产品检测应用方面已经作了些工作［14］ ，但囿于检测过程中作为杂交指示剂的电活性物质本身的局限性，实验得到的检测限和精确度并不非常令人满意。众所周知，DNA分子本身是有电活性的(由其碱基引起)，早期的研究多基于此。近来，利用CNT的特性，DNA在CNTs或CNTs修饰的固体电极上的电化学行为与应用得到了广泛研究［15?18］。概括来讲，主要集中在三个大的方向：一是把DNA探针固定在具有大比表面积和强吸附性的CNTs上制备杂交传感器［17］；二是研究DNA上电活性部分在CNTs或CNTs修饰电极上的直接电化学行为［15?16］；三是通过分析CNTs与DNA的相互作用获得DNA的序列信息［18］。随着制作工艺的改进和制备/修饰电极前处理技术的进一步提高，CNTs有望使DNA生物传感器的综合性能得到更大完善。

    CNTs是一种新兴的纳米材料，而传感器是纳米材料可能利用的最有前途的领域之一。羧基化后的CNTs可以进一步衍生化，实现与酶、抗体和DNA的固定。通过各种模式制作成具有特定功能的生物器件，可以用于药物的传递和细胞病的研究。利用CNTs的螺旋结构还可以对手性物质进行拆分。但是，由于CNTs的制备工艺复杂，以及难以得到较纯净的CNTs，给科研工作带来了一定的困难，也不利于CNTs在产业化上的应用。但我们相信，随着制备和纯化工艺的改进，CNTs必定将为生物传感器的发展开创更广阔的前景。

【】
  ［1］ 黄德超，黄德欢.碳纳米材料及应用［J］.物理学发展，2004,24(3):274?288.

［2］ Henning T,Salama F.Carbon in the universe［J］.Science，1998，282(5397):2204?2210.

［3］ 廖静敏，李光，马念章.碳纳米管在生物传感器中的应用［J］.传感技术学报，2004，17（3）：467?471.

［4］ Wang S G,Zhang Q,Wang R,et al.A Novel multi?walled carbon nanotube?based biosensor for glucose detection［J］.Biochem Biophys Res Commun,2003,311(3)：572?576.

［5］ Azamian B R,Davis J J,Coleman K S,et al.Bioelectrochemical Single?walled carbon nanotubes［J］.J Am Chem Soc,2002,124(43)：12664?12665.

［6］ 蔡称心，陈静，陆天虹.碳纳米管修饰电极上葡萄糖氧化酶的直接转移［J］.：B辑，33(6)：511?518.

［7］ Maria D R,Gustavo A R.Carbon nanotubes paste electrode［J］.Electrochem Commun,2003,5(8)：689?694.

［8］ Federica V,Silvia O,Maria L T,et al.Carbon nanotubes as electrode materials for the assembling of new electrochemical biosensors［J］.Sensors Actuat B:Chem,2004,100 (1?2)：117?125.

［9］ Gao M,Dai L M,Wallace G G.Biosensors based on aligned carbon nanotubes coated with inherently conducting polymers［J］.Electroanal,2003,15(13)：1089?1094.

［10］ Tang H,Chen J H,Yao S Z,et al.Amperometric glucose biosensor based on adsorption of glucose oxidase at platinum nanoparticle?modified carbon nanotube electrode［J］.Anal Biochem,2004,331(1)：89?97.

［11］ Patolsky F,Weizmann Y,Willner I.Longrange electrical contacting of redox enzymes by SWCNT connectors［J］.Angew Chem Int Edit,2004,43(16)：2113?2117.

［12］ Liu J Q,Chou A,Rahmat W,et al.Achieving direct electrical connection to glucose oxidase using aligned single walled carbon nanotube arrays［J］.Electroanalysis,2005,17(1)：38?46.

［13］ Xue H G,Sun W L,He B J,et al.Singlewall carbon manotubes as immobilization material for glucose biosensor［J］.Synthetic Met,2003,135?136:831?832.

［14］ 焦奎，张旭志，徐桂云，等.ssDNA/十八酸修饰碳糊电极的制备及伏安法表征［J］.化学学报，2005,63(12):1100?1104.

［15］ 方禹之，何品刚.基于纳米材料的DNA电化学传感器［C］.2005年第九届中国电分析化学学术会议专题报告.

［16］ Wu K,Fei J,Bai W,et al.Direct electrochemistry of DNA,guanine and adenine at a nanostructured film?modified electrode［J］.Anal Bioanal Chem，2003,376 (22)：205?209.

［17］ Hengl Y,Chou A,Yu J,et al.Demonstration of the advantages of using bamboolike nanotubes for electrochemical biosensor applications compared with single walled carbon nanotubes［J］.Electrochem Commun,2005,7(12)：1457?1462.

［18］ Lu G,Maragakis P,Kaxiras E.Carbon nanotube interaction with DNA［J］.Nano Lett，2005,5(5)：897?900.