1、碳納米管在電化學生物傳感器中的應用,作者：南開大學化學學院 徐潮飛,生物傳感器分類,生物傳感器（ biosensor）,生物傳感器( biosensor) 是利用生物特異性識別過程來實現(xiàn)檢測的傳感器件，通常以生物活性單元( 如酶、抗原、抗體、核酸、細胞器、細胞膜、細胞、組織等) 作為敏感基元，與被分析物產(chǎn)生高度選擇性生物親和或生物催化反應產(chǎn)生的各種物理、化學變化被轉換元件捕獲，進而實現(xiàn)將生物學信息轉換為可識別和測量的電信號。,根據(jù)不同的基礎傳感器件，生物傳感器可分為6 大類型: 電化學生物傳感器、介體生物傳感器、熱生物傳感器、壓電晶體生物傳感器、半導體生物傳感器和光生物傳感器。其中，電化學生物

2、傳感器占有重要的位置。,碳納米管的結構和特性,碳納米管（ carbon nanotube ，簡稱CNT）又名巴基管，是由單層或多層石墨繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管，其中碳以sp2軌道雜化方式成鍵。,作為一維納米材料，CNT 重量輕，六邊形結構連接完美，具有獨特的力學性質(zhì)、優(yōu)異的電學性能和穩(wěn)定的化學物理特性，將其用于修飾電極，可以降低化學物質(zhì)氧化還原反應的過電位，改善生物分子氧化還原可逆性。CNT 具有特殊的管狀結構，體積極小，作為高效傳質(zhì)單元能夠容易地穿過細胞壁，因此將其應用于生物傳感器具有極大優(yōu)勢。,碳納米管的結構和特性,CNT 比表面積大，既有利于酶的固定化，促進酶活性中心

3、與電極表面的電子傳遞，還易于吸附有機分子，用它去修飾電極，可以提高對H + 等的選擇性，制成電化學傳感器。,不同溫度下吸附微量氧氣能改變CNT 的導電性，可在金屬和半導體之間轉換。在CNT 內(nèi)局部填充堿金屬可以形成p n結。在CNT 內(nèi)填充光敏、濕敏、壓敏等材料，可以制成納米級的各種功能傳感器。,CNT 在生物傳感器方面的應用,CNT 在制備和純化過程中表面產(chǎn)生的缺陷和基團，通過共價或非共價的方法使CNT 的某些性質(zhì)發(fā)生改變，尤其突出的是分散性，使其更適于研究和應用。對CNT 功能化修飾的研究可以使人們能夠按照特定的目的來改造CNT 的固有特性，從而將大大擴展CNT 的應用前景。,CNT 作為

4、電極材料優(yōu)點: 低電阻，即導電性好; 優(yōu)良的化學穩(wěn)定性; 低質(zhì)量密度; 原子結構和大的長徑比決定了大的比表面積; 特殊的電極/電解質(zhì)界面對溶液有良好的浸潤性，電極 反應的靈敏度和再現(xiàn)性好。,1 利用CNT 改善生物分子的氧化還原可逆性 將MWNT 懸濁液滴加于處理后的玻碳電極表面，待溶劑揮發(fā)后形成MWNT 修飾電極。在pH =6. 3 的磷酸緩沖液中對該電極進行循環(huán)伏安掃描，通過分析掃描結果可發(fā)現(xiàn)，電極反應來自于CNT 表面羧基的氧化還原，并且是一個4 電子、4 質(zhì)子的電極反應過程。其電極反應式表示如下: 還原過程: MWNT-COOH + 4e + 4H + WMNT-CH2 - OH +

5、H2O 氧化過程: WMNT - CH2 - OH + H2O 4eMWNT - COOH + 4H + 實驗表明，將CNT 修飾電極和玻碳電極分別在0 1mol 的亞鐵氰化鉀溶液中作循環(huán)伏安掃描。亞鐵氰化鉀/鐵氰化鉀電對是接近理想狀態(tài)的準可逆電對，對于一個具有理想表面狀態(tài)的電極來說，它的峰電位差(E) 接近59mV( 25) 。經(jīng)過仔細處理后的玻碳電極的E為87 mV，而CNT 修飾電極的E 僅為64mV，表明CNT 修飾電極的表面結構更接近于理想狀態(tài)。,CNT 在生物傳感器方面的應用,CNT 在生物傳感器方面的應用,2 CNT 在酶生物傳感器中的應用 酶生物傳感器的作用機理是在化學電極的表

6、面組裝固定化酶膜，當酶膜上發(fā)生酶促反應時產(chǎn)生電極活性物質(zhì)，電極對之響應。由于響應信號與底物的濃度之間存在一定的線性關系，因而可以測得被檢測物的濃度。以葡萄糖氧化酶( Glucose oxidase，GOD) 傳感器為例，其電催化工作原理為: 酶層: glucose + GOD2FAD gluconolactone+ GOD2FADH2 GOD2FADH2 + O2GOD2FAD + H2O2 電極: H2O22H + + O2 + 2e 氧在電極上的氧化還原反應產(chǎn)生響應電流，電流大小與氧在溶液中的濃度以及傳質(zhì)速度有關。 若要消除氧濃度變化而引起的檢測誤差，可以檢測酶反應所產(chǎn)生的過氧化氫。,CN

7、T 在生物傳感器方面的應用,研究發(fā)現(xiàn)，CNT 修飾電極對過氧化氫的還原表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化效果。這就有可能將CNT 修飾電極用于開發(fā)酶生物傳感器。CNT 作為酶的固定材料，同時也作為基礎電極的修飾材料制成傳感器即成為新型的CNT 修飾酶傳感器。該類傳感器的優(yōu)點主要有以下3點: ( 1) CNT 良好的電學性質(zhì)使得它作為一種修飾材料，在電化學反應中能夠有效地促進電子傳輸，提高酶傳感器的檢測速度，降低過電位，提高檢測的靈敏度; ( 2) CNT 大的比表面積能夠提高酶的負載量，從而改善傳感器的靈敏度; ( 3) CNT 良好的生物相容性，有利于保持酶的活性，因而有利于提高酶傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。

8、,通過共價鍵形成的GOD MWNT 傳感器,CNT 在生物傳感器方面的應用,3 CNT 在生物氣體傳感器中的應用 CNT 具有特殊的一維中空結構，大的比表面積以及較石墨( 0.335nm) 略大的層間距( 0.343nm) ，能夠吸附許多物質(zhì)，填充其中。由于吸附的氣體分子與CNT 發(fā)生相互作用，改變其費米能級，引發(fā)其宏觀電阻發(fā)生較大改變。因此CNT 可應用于氣敏傳感通過測量其表觀電阻的變化來檢測氣體成分。 Collins 等研究了SWNT 表面對分子氧的吸附。真空環(huán)境下分子氧的吸附可以增加CNT 的電導。同樣的環(huán)境下高溫加熱CNT 可以徹底解吸附。Kong 發(fā)現(xiàn)，用SWNT 制成的微小化學探針

9、，室溫下對低濃度的NO2和NH3分子能產(chǎn)生快速的吸附，靈敏度很高。 CNT 氣體傳感器和普通氣體傳感器相比具有尺寸小、反應快、靈敏度高、表面積大、能在室溫或更高溫度下操作等諸多優(yōu)點，并可將SWNT 置于新環(huán)境或者通過加熱后重新使用。CNT 可制得最小的生物醫(yī)學分子級氣敏元件，其響應時間比目前使用的同類金屬氧化物或聚合物傳感器至少快一個數(shù)量級。,CNT 在生物傳感器方面的應用,4 CNT 在DNA 生物傳感器中的應用,CNT 在生物傳感器方面的應用,Cheng構建CNT 摻雜殼聚糖DNA 傳感器檢測大馬哈魚精DNA，亞甲基藍作為DNA 指示劑。實驗證明，CNT 將電極有效面積提高3 倍，且有效提

10、高亞甲基藍與電極之間電子傳遞速度。該傳感器檢測限達到0.252nmol /L，當干擾劑人血清白蛋白濃度達到5g /mL 時，選擇性仍很高。Kerman 等將MWNT 制作的納米線與DNA 作用后直接吸附到碳糊電極( CPE) 上，循環(huán)伏安測量的結果表明: 用結合有DNA 分子的MWNT修飾的CPE 電極的伏安信號比僅僅用MWNT 修飾的CPE 電極或裸CPE 電極的伏安信號強得多。DNA 鏈與cDNA 鏈的雜交或與有錯配DNA 的雜交前后的信號都能被檢測到，說明DNA 修飾MWNT電極具有極強的分子識別功能、選擇性好、靈敏度高、響應快等優(yōu)點，用于電化學檢測是極好的電極材料。,展 望,縱觀當前的研究，CNT 生物傳感器電極的研究基本都是采用無序的CNT 固定或鑲嵌在基礎電極 表面上的方法，其CNT 隨意彎曲、互相纏繞，對其性質(zhì)研究和實際應用都造成了很大的影響。而定向排列的CNT 陣列電極，其取向高度一致、管徑均勻、CNT 陣列不含雜質(zhì)，有利于電活性物質(zhì)在其表面的快速反應，使傳感器的性能得到很大的提高。因此，制作高靈敏性CNT 陣列傳感器是一個重點的研究方向。 國內(nèi)外對CNT 在生物傳感器中的應用研究主要集中于CNT 修飾生物傳感器對基底物質(zhì)檢測性能和電化學性能的變化。盡管目前CNT 生物傳感器的研究工作已取