金納米顆粒在電化學傳感中的應用

（伊犁師范學院電子與信息工程學院，新疆伊寧835000）

近年來，功能化的納米材料引起了研究者的廣泛關注，其中，金納米顆粒因其獨特的電子、光學、熱性能以及在物理、化學、生物學、藥學和材料科學中的特性受到青睞。尤其在分析化學領域，功能化的金納米顆粒可用于制造各種靈敏度高、選擇性好、可靠性高、成本低、性能優異的電化學傳感器（圖1），對信號起到增強、放大的作用。

圖1 電化學傳感器的原理Fig.1 Principle of electrochemical sensor

金納米顆粒作為一種新型的電化學傳感介質，結合適宜的配體修飾電極，不僅能促進檢測分子與電極之間的電子轉移，而且能提高體系的靈敏度、催化性與檢測限。另外，金納米顆粒能固定活的生物細胞，保留其生物活性，為生物分子提供適宜的微環境，放大電化學傳感器的分析信號。

金納米顆粒因其良好的生物兼容性，可用于酶、蛋白質和DNA 的檢測。基于金納米顆粒，結合電化學測量手段可實現重金屬離子的檢測，實時、在線解決環境問題。基于癌細胞的生物分析，將金納米顆粒用于醫療診斷可解決癌細胞檢測繁冗、費用高、儀器貴等問題。基于金納米顆粒，還可構建比色傳感器、熒光傳感器、表面等離子體共振傳感器、表面增強拉曼散射傳感器等。作者在此介紹了金納米顆粒的合成與表面修飾，對金納米顆粒在電化學傳感中的應用進行了綜述，擬為電化學傳感器的研究提供新策略。

1 金納米顆粒的合成與表面修飾

1.1 金納米顆粒的合成

自Schmid和Brust等突破性報道金納米顆粒的合成后，目前已發展了多種金納米顆粒合成方法。金納米顆粒在制備過程中受到各種因素的影響，包括pH 值、保護劑用量、反應溫度、試劑濃度、外界條件等。Park等［1］通過控制金離子與穩定劑十二烷基硫酸鈉（SDS）的比值R和超聲波功率，合成了多種形狀和尺寸的金納米顆粒，當R＝1時，金納米顆粒平均粒徑為18nm，顯示球形或者三角形；當R＝0.2時，平均粒徑為10nm，也顯示球形或者三角形；當R＝0.1時，粒徑繼續減小，顯示為桿狀或圓盤狀。Sugano等［2］采用無閥微泵混合脈沖法制備金納米顆粒，其粒徑隨頻率的增大而增大，50 Hz、100 Hz、200 Hz對應的平均粒徑分別為11.2nm、16.1nm、22.8nm。Jiang等［3］利用（110）晶面，通過種子生長法合成了五星形多面體的金納米顆粒，通過改變生長液的濃度來調整金納米顆粒的粒徑，合成的金納米顆粒對提高催化、能量轉換等具有十分重要的意義。L?hde等［4］在200～800 ℃下，通過氣溶膠輔助合成了不同粒徑的金納米顆粒。

金納米顆粒根據其分散性可分為多分散性金納米顆粒和單分散性金納米顆粒。單分散性金納米顆粒的合成方法主要有離心沉降法、相轉移法、還原劑還原法（檸檬酸鈉還原法、抗壞血酸還原法、鞣酸－檸檬酸鈉還原法、白磷還原法）、種子生長法和電泳法等。

還原劑還原法是制備金納米顆粒最常用的方法，通過改變還原劑和保護劑的用量來有效控制金納米顆粒的粒徑。以還原能力較強的檸檬酸鈉為例，將其與氯金酸（HAuCl4）溶液混合，剛開始時，只有部分金離子（Au－）被還原成金原子（Au），隨著反應的進行，逐漸形成金核，金核的粒徑很小，具有很大的表面能；當金原子形成穩定的晶核時，會將檸檬酸根負離子吸附到表面，阻礙AuCl－4與金核的進一步接觸，防止金核的過生長；繼續加入檸檬酸鈉，兩者的接觸面逐漸擴大，導致金納米顆粒粒徑逐漸減小；反應停止后，金納米顆粒表面吸附的檸檬酸根負離子有效阻止了顆粒間的團聚，避免其二次生長。但檸檬酸鈉用量過多時會因為大量的鈉離子與金納米顆粒表面的檸檬酸根負離子發生中和反應而減小顆粒間的斥力，加速團聚。

種子生長法主要用于合成粒徑比較大的金納米顆粒。該方法是用預先合成的單分散小顆粒（505nm）作為晶種，加入氯金酸溶液、羥胺、還原劑，促使金離子自行還原，從而實現金納米顆粒的二次生長，通過控制氯金酸與晶種的比例，可合成不同粒徑的顆粒。反應完成時，需加入適量的穩定劑［如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）］，防止因粒徑過大而導致聚沉。

1.2 金納米顆粒的表面修飾

眾所周知，金納米顆粒是由金鹽在水溶液、有機相或者兩相中的化學反應合成，若沒有修飾劑保護，表面能極高的金納米顆粒易發生團聚或表面鈍化，應用到電化學傳感中很難觀察到響應信號。因此，對金納米顆粒的表面修飾一直是該領域的研究熱點。

萬菁等［5］利用Au－S之間的鍵合作用，將肝素鈉固定到金納米顆粒表面，通過肝素與蛋白質之間的特異性作用以及金納米顆粒良好的生物相容性，為研究病毒、細胞分子、糖提供了一種媒介。Schofield等［6］用乳糖衍生物修飾金納米顆粒，通過比色法檢測霍亂毒素。Kong等［7］用半胱胺和硫基葡萄糖修飾金納米顆粒，通過X－射線或γ－射線照射癌細胞，發現修飾后的金納米顆粒能有效提高對癌細胞的殺傷能力。

對于聚合物分子修飾金納米顆粒，由于低濃度的均聚物和嵌段共聚物即可有效穩定金納米顆粒，所以聚合物修飾是目前應用最多的金納米顆粒表面修飾方法。巰基、硫醇、羧基、氨基以及巰基衍生的一些配基基團都可作為表面修飾劑，它們通過物理吸附或者共價鍵的方式形成較牢固的鍵合力，使金納米顆粒性質趨于穩定，再結合電化學測量手段達到檢測的目的。

對于樹型超大分子修飾金納米顆粒，由于其特殊的結構和性能特點，一般以氨基為端基基團、聚酰胺－胺（PAMAM）樹狀大分子為模板對金納米顆粒進行修飾，將金納米顆粒封裝于PAMAM 的內部空腔，可保持金納米顆粒的穩定性，再通過PAMAM 可控表面引入大量的功能性基團，為生物檢測、分析化學、電化學傳感、材料改進等領域提供了新策略。

對于生物分子修飾金納米顆粒，由于其良好的生物相容性和大的比表面積，可靈活應用于生物分子的識別，包括生物鑒定、生物成像和生物傳感器等。例如，DNA 探針技術［8］是巰基化的DNA 鏈修飾到金納米顆粒上構成納米金探針，可實現對寡核苷酸的比色檢測；若蛋白質通過共價鍵物理吸附到納米金探針上，則可實現對蛋白質的檢測。

2 金納米顆粒在電化學傳感中的應用

金納米顆粒的高表面能和界面可控性提高了修飾分子在其表面的固定率、增強了分析信號，良好的生物相容性促進了生物分子與電極之間的電荷傳遞，這些優異的催化性能使得金納米顆粒在電化學傳感中得到廣泛應用。金納米顆粒一般通過靜電吸附、共價鍵、電化學沉積等方法修飾電極，因此，金納米顆粒修飾的電化學界面是光電化學傳感器增強信號響應的關鍵。

2.1 用于小分子的檢測

金納米顆粒已經用于增強許多小分子（如葡萄糖、多巴胺、去甲腎上腺素、尿酸、亞硝酸鹽、抗壞血酸、氨基酸、蘋果酸、苯磷二酚等）的電化學檢測信號。

Willner等通過印跡金納米顆粒復合材料的交聯聚合來提高對TNT 的檢測靈敏度，此過程是TNT 和π－供體修飾電極之間的相互作用或者π－供體交聯金納米顆粒共軛到電極上，通過金電極上聚苯胺單元的橋接、金納米顆粒的電化學聚集檢測TNT，檢測限是2 nmol·L－1。Kannan等［9］利用1，6－己二硫醇連接的金納米顆粒和溶膠－凝膠修飾的電極，對尿酸進行了電催化檢測，檢測限是1μmol·L－1。之后又通過羥胺增大金納米顆粒粒徑來提高其電催化活性，將2，5－二巰基－1，3，4－噻二唑（DMT）修飾到金電極上，通過共價鍵連接擴大沉積面積的金納米顆粒來檢測尿酸的電催化活性，發現尿酸的氧化電位轉移到一個較小的正電位，而且其峰值電流增大，檢測限增加3倍多。

Wang等［10］用二硫蘇糖醇（DTT）、硫醇（DDT）和膠體金納米顆粒自組裝的混合單層膜修飾的金電極（圖2）對腎上腺素進行電催化活性檢測，發現該電極具有極高的靈敏度和快速響應性，其檢測限是60 nmol·L－1。

圖2 DTT、DDT與AuNPs自組裝修飾金電極Fig.2 Au Electrode modified by self－assembly of DTT，DDT and AuNPs

Liu等［11］將乙二胺連接金納米顆粒的電催化單層固定到預先處理好的玻碳電極上，對亞硝酸鹽進行電催化活性檢測，發現該電極表現出靈敏的電化學響應。這是因為，金納米顆粒的尺寸效應提供了一個較大的活性表面，其檢測限是45μmol·L－1（S／N＝3），線性范圍是1.3×10－4～4.4×10－2mol·L－1。該法已用于實際樣品中亞硝酸鹽的檢測。Xiao等［12］構建了一種基于金納米顆粒的生物電催化系統（圖3），用于提高葡萄糖的檢測，該系統在葡萄糖氧化酶（GOx）和電極之間存在著高效的電子轉移。

圖3 基于金納米顆粒的生物電催化系統Fig.3 Biological eletrocatalytic system based on gold nanoparticles

具體過程是：1.4nm 的金納米顆粒被黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）修飾，然后FAD 修飾金納米顆粒上的載脂蛋白葡萄糖氧化酶（apo－GOx）和巰基化單層相連的金電極進行重組，相對于功能化的金納米顆粒首先組裝到金電極上，隨后和apo－GOx 重組。結果表明，金納米顆粒促進了酶的氧化還原中心和電極之間快速的電子轉移，電子轉移率約為5 000s－1。

2.2 用于重金屬離子／非金屬有毒物質的檢測

重金屬離子／非金屬有毒物質對環境和人類健康的危害已引起廣泛關注，因此，建立高效、靈敏、快捷、選擇性好的檢測方法具有十分重要的意義。有人對肼做了電解氧化，發現金納米顆粒修飾電極對肼表現出了極高的催化活性。Raj建立了一個對肼超靈敏的電化學檢測方法，具體過程是：用金納米顆粒自組裝到溶膠－凝膠衍生的三維硅酸鹽網絡中，構建修飾金電極，發現在沒有氧化還原介質的情況下，相對于金電極，修飾金電極的過電位（約800 mV）顯著降低，峰電流明顯增大。該納米結構的電化學平臺表現出極好的靈敏度，檢測限達到200pmol·L－1。

Ciftci等［13］報道了一種用于銅離子檢測的電化學傳感器（圖4）。具體過程是：用殼聚糖（Ch）包覆的金納米顆粒（Ch／AuNPs）修飾玻碳電極，以微分脈沖伏安法（DPV）測定電催化性能。由于金納米顆粒的特性，Ch／AuNPs所修飾的電極具有高的催化活性和大的比表面積，相對于未修飾的玻碳電極（GCE）和殼聚糖修飾的玻碳電極（Ch／GCE），Ch／AuNPs所修飾電極的峰電流顯著增大。在電流噪聲比為3∶1時，檢測限低至5×10－9mol·L－1，富集時間8min。

圖4 用于銅離子檢測的電化學傳感器Fig.4 Electrochemical sensor for detection of Cu2＋

Abollino 等［14］用金納米顆粒修飾玻碳電極（AuNPs／GCE），通過陽極溶出伏安法（ASV）對汞離子進行檢測，發現AuNPs／GCE 較固體金電極具有較低的檢測限和較高的重復性。這是因為，沉積的金納米顆粒具有大的比表面積，從而提高了檢測靈敏度，同時金納米顆粒解決了金層不可逆污染問題，減少了記憶效應。當汞離子濃度為0～50μg·L－1時，AuNPs／GCE 靈敏度為3.5μA·L·μg－1，而固體金電極（SGE）為1.71μA·L·μg－1，汞離子的最低檢測限（LOD）是0.0015μg·L－1。

Dai等［15］報道了金納米顆粒修飾玻碳電極對砷離子的檢測，用線性伏安掃描法（LSV）所獲得的檢測限為0.0096×10－9。Lu等［16］研究了石墨烯、金納米顆粒和殼聚糖修飾的玻碳電極（GR－AuNPs－CS／GCE）對鉛離子的檢測，在信噪比為3 的情況下，檢測限達到

1ng·L－1。

2.3 用于癌細胞的檢測

目前，癌細胞早期診斷技術成本高且時間長，因此有必要發展一種成本效益優化的技術，可以定性或定量地對癌細胞進行早期檢測。最近，有研究者發展了一種檢測特異性腫瘤細胞的電化學平臺（圖5）。具體過程是：細胞表面的分子通過抗體與金納米顆粒共軛來識別，以氫的催化還原來提供對腫瘤細胞的檢測。

圖5 腫瘤細胞的電化學檢測平臺Fig.5 Electrochemical detection platform for tumor cells

Selwyna等［17］開發了一種對乳腺癌監測的無標記的電化學免疫傳感器，檢測限是5～75 U·mL－1，它是基于CA 15－3在血清中的水準、癌細胞標記物與金納米顆粒修飾的特異性抗體之間的相互作用對CA 15－3進行監測，金納米顆粒較大的比表面積可以提高反應效率，較高的電導率可利用電化學阻抗譜（EIS）和恒電位儀為傳感器提供檢測信號，時刻反映病變狀態。

Annie等［18］開發了一種基于ENO1 作為肺癌細胞診斷標記的電化學檢測平臺（圖6）。具體過程是：以anti－ENO1單克隆抗體在聚乙二醇（PEG）修飾的一次性絲網印刷碳電極（SPCE）上的物理吸附作為電化學檢測平臺，以金納米顆粒標記的第二多克隆anti－ENO1聚集作為電化學探針信號，對ENO1 進行檢測，其檢測限低至11.9fg。該傳感器中金納米顆粒的標記優于其它標記是因為：（1）提高了整個系統的電化學穩定性；（2）使整個系統的構造更簡單、明確；（3）金納米顆粒的生物相容性不妨礙其它生物分子的標記。

圖6 肺癌細胞的電化學檢測平臺Fig.6 Electrochemical detection platform for lung cancer cells

金納米顆粒也可用于其它癌細胞的檢測。Yan等［19］報道了金納米顆粒修飾血癌K562細胞的電化學行為，此過程金納米顆粒促進了電極和細胞活性中心的電子轉移。Du等［20］利用金納米顆粒固定活的As－PC－1細胞（胰腺癌細胞）在電極表面，發現該電極表現出不可逆的伏安響應。

3 結語

金納米顆粒優異的化學性能為電化學傳感器的設計與研究提供了新策略。利用金納米顆粒的生物相容性將生物分子固定在襯底上，可以提高生物傳感器的穩定性。利用金納米顆粒的催化性能，可以提高電化學傳感器的靈敏度與選擇性。此外，將金納米顆粒擴展到其它功能性材料（如碳納米管、碳納米棒、碳納米線等），再結合量子點、石墨烯等新型材料，可以增強傳感器界面的光電響應，提高檢測限與檢測范圍，更好地應用于藥物檢測、環境檢測、生命分析等各個領域。

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