石墨烯生物传感器——用于持久性新兴污染物监测

引言

持久性新兴污染物（Persistent Emerging Pollutants，PEPs）是一些在环境中难以降解或转化，具有生物累积性和毒性，对人类和生态系统造成潜在危害的化学物质。PEPs包括一些工业化学品、农药、药物、个人护理产品、纳米材料等。由于PEPs的种类繁多，分布广泛，检测手段有限，目前对PEPs的监测和评估还存在很大的挑战。

生物传感器是一种利用生物组分与目标分子发生特异性反应，产生可检测的信号，从而实现快速、灵敏、选择性地检测目标分子的装置。生物传感器具有操作简便、成本低廉、可在线实时监测等优点，因此被广泛应用于环境监测领域。然而，目前的生物传感器在检测PEPs方面还存在一些局限性，主要包括以下几个方面：

l  生物组分的稳定性和活性受到环境因素的影响，如温度、pH、盐度、有机溶剂等。

l  生物组分与PEPs之间的反应可能不够特异性和灵敏性，导致假阳性或假阴性的结果。

l  生物传感器的信号转导和放大机制不够有效和可靠，导致信号噪声比低，信号输出难以读取和分析。

为了克服这些局限性，本文介绍了一种新型的生物传感器结构，它利用了一种特殊的纳米材料——石墨烯（Graphene），作为生物组分和信号转导器之间的界面材料，从而提高了生物传感器检测PEPs的性能。本文首先介绍了石墨烯的特性和优势，然后介绍了石墨烯在生物传感器中的应用原理和方法，最后介绍了石墨烯生物传感器在检测PEPs方面的实验结果和展望。

石墨烯的特性和优势

石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化轨道排列成蜂窝状结构的二维纳米材料。石墨烯具有以下几个显著的特性和优势：

• l  具有极高的电导率、电子迁移率和载流子密度，使其成为一种优异的电子材料。
• l  极高的热导率、机械强度和弹性模量，使其成为一种优异的结构材料。
• l  石墨烯具有极大的比表面积、高的吸附能力和良好的生物相容性，使其成为一种优异的界面材料。

由于石墨烯的这些特性和优势，它在生物传感器中的应用具有以下几个方面的潜力：

• l  作为电极材料，提高生物传感器的电子信号转导和放大效率。
• l  载体材料，增加生物传感器的生物组分负载量和活性保持率。
• l  功能化材料，改善生物传感器的生物组分与目标分子之间的特异性和灵敏性。

石墨烯在生物传感器中的应用原理和方法            

石墨烯在生物传感器中的应用原理主要是利用其与生物组分和目标分子之间的相互作用，产生可检测的信号变化。根据不同的信号类型，石墨烯生物传感器可以分为以下几类：

• l  电化学传感器：利用石墨烯作为电极材料，检测生物组分和目标分子之间发生的氧化还原反应或电荷转移反应所引起的电流、电压、电阻或阻抗等电学参数的变化。
• l  光学传感器：利用石墨烯作为光学材料，检测生物组分和目标分子之间发生的荧光猝灭或增强、表面等离激元共振或拉曼散射等光学效应所引起的光强、光谱、相位或偏振等光学参数的变化。
• l  压力传感器：利用石墨烯作为压敏材料，检测生物组分和目标分子之间发生的结合或解离所引起的形变或压力等力学参数的变化。

石墨烯在生物传感器中的应用方法主要是通过不同的制备和修饰技术，将其与生物组分和信号转导器结合在一起，形成一个整体的传感结构。根据不同的结构类型，石墨烯生物传感器可以分为以下几类：

• l  层层组装法：通过静电作用、氢键作用、范德华力等弱相互作用，将多层不同性质的材料交替堆积在一起，形成一个多层膜结构。其中，一层或多层是由石墨烯构成，另一层或多层是由生物组分或信号转导器构成。
• l  化学键合法：通过共价键或配位键等强相互作用，将单层或多层的材料连接在一起，形成一个单层膜或复合膜结构。其中，一部分是由石墨烯构成，另一部分是由生物组分或信号转导器构成。
• l  物理混合法：通过机械搅拌、超声波处理、高速离心等物理方法，将不同性质的材料均匀混合在一起，形成一个分散液或胶体结构。其中，一部分是由石墨烯构成，另一部分是由生物组分或信号转导器构成。

石墨烯生物传感器在检测PEPs方面的研究            

石墨烯生物传感器在检测PEPs方面已经取得了一些令人鼓舞的实验结果。以下是一些具有代表性的例子：

一种基于石墨烯-酶复合膜的电化学传感器，能够灵敏地检测水中的苯并[a]芘（Benzo[a]pyrene，BaP），一种具有致癌性的多环芳烃类PEP。该传感器利用了石墨烯的高电导率和高比表面积，以及酶的催化作用，将BaP的氧化还原反应转化为可检测的电流信号。该传感器的检测限为0.1 nM，线性范围为0.5-50 nM，响应时间为5 min，重现性和稳定性良好。

石墨烯-荧光素复合膜制备的光学传感器，能够灵敏地检测水中的双酚A（Bisphenol A，BPA），一种具有内分泌干扰性的工业化学品类PEP。该传感器利用了石墨烯的荧光猝灭效应和荧光素的荧光增强效应，以及它们之间的静电吸附作用，将BPA的结合反应转化为可检测的荧光信号。该传感器的检测限为0.01 nM，线性范围为0.05-10 nM，响应时间为10 min，选择性和稳定性良好。

石墨烯-抗体复合膜压力传感器，能够灵敏地检测血液中的地西泮（Diazepam），一种具有滥用性和依赖性的药物类PEP。该传感器利用了石墨烯的压敏效应和抗体的特异性结合作用，以及它们之间的共价键合作用，将地西泮的结合反应转化为可检测的压力信号。该传感器的检测限为0.1 ng/mL，线性范围为0.5-50 ng/mL，响应时间为15 min，重现性和稳定性良好。

以上这些例子表明，石墨烯生物传感器在检测PEPs方面具有很大的优势和潜力。然而，目前还存在一些需要改进和完善的方面，主要包括以下几个方面：

• l  石墨烯生物传感器的制备和修饰技术还需要进一步优化和标准化，以提高其批量生产和质量控制能力。
• l  石墨烯生物传感器的信号转导和放大机制还需要进一步探索和创新，以提高其信噪比和信号输出质量。
• l  石墨烯生物传感器的生物组分和目标分子的选择和设计还需要进一步拓展和多样化，以提高其检测范围和适用性。

总结

本文介绍了一种新型的生物传感器结构，它利用了石墨烯作为生物组分和信号转导器之间的界面材料，从而提高了生物传感器检测PEPs的性能。阐述了石墨烯的特性和优势，以及它在生物传感器中的应用原理和方法。另外还介绍了石墨烯生物传感器在检测PEPs方面的实验结果和展望。可以看出，石墨烯生物传感器是一种具有很大发展前景的环境监测技术，但也需要进一步的改进和完善。