石墨烯量子點在生物傳感器中的應用研究進展

鄭梅瓊，聶 彤，許煒璇，賴婷婷，朱彩君，楊劍萍

(廣東第二師范學院化學系，廣東 廣州 510303)

石墨烯由于優良的導電性、生物相容性、低毒性和巨大的比表面積而成為構建高靈敏生物傳感器的理想候選材料[1]。Yang等[2]采用電化學法和水熱法成功制備了石墨烯納米薄片，用于制備高靈敏的葡萄糖傳感器。石墨烯量子點(GQDs)是指單層、雙層或多層的微型石墨烯片[3-5]，其厚度小于10 nm，橫向尺寸小于100 nm。石墨烯量子點不僅具備石墨烯的性質，而且具備獨特的尺寸結構、量子限制效應和邊界效應，使其表現出一些特殊光學性質和電化學性質[6-11]，比如穩定的光致發光、熒光、電化學發光等，已被廣泛應用于生物環境安全評估、監測和分析等領域，在臨床分析和疾病診斷等方面具有巨大的應用潛力。

1 石墨烯量子點的制備

目前，制備石墨烯量子點的方法大致可以分為兩種：第一種是尺寸調控，包括自上而下和自下而上兩種方法，其中自上而下是將石墨烯、碳纖維、碳納米管等含大量石墨烯結構的碳物質通過物理方法、化學方法或電化學方法進行分割得到石墨烯量子點[12-16]。該方法的優點是工藝流程相對簡單，原料易得；缺點是難以精確調控石墨烯量子點的尺寸和結構。如Zhang等[17]通過熱解法制備了石墨烯量子點，用于構建靈敏的熒光傳感器。而自下而上是將有機小分子碳物質通過熱解縮合等化學手段直接制備石墨烯量子點。該方法的優點是可精確調控石墨烯量子點的尺寸和結構，缺點是操作步驟復雜。第二種是表面化學反應，即在石墨烯量子點表面修飾羥基、羰基和羧基等基團或摻雜氮、硫、硼等雜原子，以改變石墨烯量子點的性質[18-23]。Bayoumy等[24]通過殼聚糖生物高聚物功能化石墨烯量子點以提高其機械性能，用于制備生物傳感器。以上兩種制備方法各有優缺點，可根據所需石墨烯量子點的性質要求來選擇合適的制備方法。

2 石墨烯量子點在生物傳感器中的應用

2.1 石墨烯量子點熒光傳感器

石墨烯量子點熒光傳感器是通過待測物和識別基團的特定作用使得石墨烯量子點的熒光強度、熒光壽命和熒光發射波長等熒光性質發生變化，以定量或定性分析待測物的一種裝置。基于石墨烯量子點的熒光傳感器主要用于檢測Fe3+、Cu2+、Al3+和有毒離子Hg2+、Ni2+、Cr6+等[25-29]。榮杰峰等[30]通過Cr6+和二苯碳酰二肼反應生成對石墨烯量子點具有猝滅作用的絡合物，建立了一種基于石墨烯量子點熒光信號猝滅特異性檢測實際地表水樣中Cr6+含量的方法。

石墨烯量子點由于小橫向尺寸、邊緣有富氧官能團和良好的體內穩定性而成為構建疏水抗癌藥物的理想載體[31-34]。Ding等[35]通過在石墨烯量子點表面裝載抗癌藥物阿霉素(DOX)和熒光染料Cy5.5(Cy)，研制出一種新型的熒光傳感器(圖1)，用于追蹤抗癌藥物的傳遞、釋放以及抗癌藥物誘導癌細胞的凋亡，有助于建立個性化癌癥治療。由此可見，基于石墨烯量子點的熒光傳感器成為可以在不需要額外熒光標記的情況下將化療藥物追蹤遞送至癌細胞的一個理想平臺。

2.2 石墨烯量子點電化學傳感器

圖1 基于石墨烯量子點的熒光傳感器治療診斷平臺示意圖Fig.1 Schematic of theranostic platform for graphene quantum dots-based fluorescent sensor

Hasanzadeh等[41]在玻碳電極上通過電沉積Fe3O4磁性納米顆粒和石墨烯量子點高靈敏檢測氨基酸；Hou等[42]用石墨烯量子點和金納米顆粒修飾玻碳電極構建電化學傳感器以檢測孔雀石綠；Zhang等[43]制備了一種基于T7核酸外切酶輔助循環擴增和DNA介導的銀納米顆粒的電化學發光生物傳感器用于分析microRNA(圖2)。由此可知，電極表面修飾石墨烯量子點可以縮短電子傳輸距離，提高電化學發光效率。

圖2 基于石墨烯量子點的電化學傳感器示意圖Fig.2 Schematic of graphene quantum dots-based electrochemical sensor

2.3 石墨烯量子點免疫傳感器

石墨烯量子點免疫傳感器是通過抗原與抗體特異性識別作用來改變檢測信號的傳感平臺。Bhardwaj等[44]通過合成金納米顆粒和石墨烯量子點的復合物，將抗黃曲霉素修飾在電極表面以構建高靈敏特異性的免疫傳感器；Zhao等[45]通過石墨烯和石墨烯量子點的相互作用，設計了一種靈敏檢測人免疫球蛋白G的熒光免疫分析方法，通過石墨烯和石墨烯量子點之間的π-π疊加相互作用以及石墨烯表面與小鼠抗體的非特異性結合相互作用[46-47]，使得發光共振能量轉移(LRET)，導致石墨烯量子點的發光被猝滅。

2.4 石墨烯量子點適體傳感器

石墨烯量子點適體傳感器是通過體外篩選能特異性結合寡核苷酸的傳感平臺，對特定的配體顯示出高親和力和高特異性，配體的存在會誘導構象變化[48]。Lu等[49]用SiO2納米微球、石墨烯量子點和ssDNA2組成的混合納米復合物修飾電極，構建了一種基于發射藍光的石墨烯量子點適體傳感器來檢測三磷酸腺苷。Shekari等[50]用石墨烯量子點、N-摻雜的石墨烯和金納米顆粒修飾玻碳電極，通過形成血紅素-G四鏈體構建適體傳感器以特異性檢測癌胚抗原。基于石墨烯量子點的適體傳感器，不僅可以用于癌癥診斷，也可用于病原體或小分子的檢測，在生物臨床方面具有巨大的應用潛能。

3 展望

石墨烯量子點生物傳感器在分析化學和生物醫學研究領域具有巨大的發展潛力。目前，基于石墨烯量子點的生物傳感器仍面臨以下挑戰：(1) 石墨烯量子點的量子產率仍然較低，從而導致光致發光傳感器的靈敏度下降；(2) 基于石墨烯量子點的生物傳感機制需要進一步完善；(3)難以精確獲取良好尺寸、結構、層數或表面官能團的高質量石墨烯量子點；(4)現有的制備方法還不能大規模制備石墨烯量子點，而且，制備的石墨烯量子點粒徑分布廣，熒光效率低。因此，設計不同的制備路線，使石墨烯量子點具備不同的激發和發射波長、不同的直徑和橫向尺寸，有利于進一步探索和拓寬石墨烯量子點的應用領域。