氧化鈰在生物分析與傳感檢測中的應用研究進展

李金成，陳 蕓，賴向東，劉曉輝，姜 暉，王雪梅

（生物電子學國家重點實驗室（吳健雄實驗室），東南大學 生物科學與醫學工程學院，江蘇 南京 210096）

鈰是鑭系元素中除銪以外活性最高的一種稀土元素，也是地殼中儲量最高的一種稀土元素，主要存在于獨居石和氟碳鈰礦中，也存在于鈾、釷和钚的核裂變產物中［1］。鈰具有特殊的電子層結構（［Xe］4f15d16s2），5d軌道上有1個電子，而其余La系元素新增電子均在4f軌道上［2］。鈰有Ce3+和Ce4+兩種氧化態，三價鈰鹽通常為白色，有一個不成對的4f電子，故有順磁性［3］；大多數四價鈰鹽及其溶液為橙紅色到橙黃色，具有反磁性和強氧化性，在分析化學中常用作氧化劑［4］。

氧化鈰（CeO2）是應用最廣泛的鈰化合物，具有螢石型晶體結構，晶格是面心立方（FCC）結構，其中鈰原子位于立方體的面心和頂點，氧原子占據所有四面體位置（圖1）。CeO2晶胞中同時存在三價和四價兩種混合價態的鈰離子以及氧離子，鈰離子為立方配位，每個鈰離子與8個氧離子包圍，氧離子為四面體配位，每個氧離子與4個鈰離子包圍［5］。Ce3+/Ce4+之間可以自發進行氧化還原循環并在晶面上產生氧空位（V?）［5］。混合價態和氧空位對CeO2的性質有重大影響。在缺氧環境中，CeO2可以失去部分晶格氧，而晶體結構仍保持螢石型晶體結構，從而形成大量的氧空位，一個氧空位伴隨兩個Ce3+生成，當環境中富氧時，失去的晶格氧可以被重新填充，因此CeO2具有很強的儲放氧能力，良好的化學穩定性以及高溫下氧空位的快速擴散能力，可以促進反應中的電荷轉移，從而起到良好的催化作用［6］。

圖1 氧化鈰（CeO2）的螢石型晶體結構［7］Fig．1 Fluorite type crystal structure of cerium oxide（CeO2）［7］

CeO2具有良好的氧化還原性能以及儲氧性能（OSC），目前已廣泛應用于發光材料［8］、紫外吸收材料［9-10］、燃料電池［11］、催化劑［12］、染色劑［13］、玻璃拋光［14］、汽車尾氣凈化［15］、電子陶瓷［16］等領域。隨著研究的深入，CeO2的多種生物醫學活性逐漸被發現［17］。據報道，氧化鈰具有抗菌活性［18］、抗癌活性［19］、超氧化物歧化酶（SOD）活性［20］、過氧化物酶活性［21］、過氧化氫酶（CAT）活性［22］、磷酸酶活性［23］和氧化酶活性［24］等，可清除超氧化物、過氧化物、羥自由基及氮氧化物自由基等活性氧（ROS）［25］，可作為輔助治療劑減輕多種疾病引起的炎癥和氧化應激［26］，可用于治療雄激素性脫發［27］、骨質疏松［28］、腸炎［29］、關節炎［30］、糖尿病［31］、腦卒中［32］、阿爾茲海默癥［33］和帕金森［34］等神經退行性疾病以及抗輻射、促進組織再生和藥物/基因遞送載體等，在疾病診療領域具有廣闊的應用潛力［35-36］。

CeO2納米顆粒具有大比表面體積、高表面反應活性、高催化效率和超強吸附能力，在構建高靈敏度傳感器方面具有明顯的優勢。目前，CeO2的催化活性、電化學活性和生物醫學活性已被用于設計開發成多種新型傳感器，可提高目標物在傳感器表面的電子轉移效率，實現對氣體、有機化合物、金屬離子、生物標志物等多種物質的靈敏分析與檢測。由于傳感器的識別單元（包括敏感膜）決定了其特異性或選擇性，而靈敏度也與其換能器的類型密切相關，因而，根據其檢測模式的不同，目前基于氧化鈰（CeO2）納米材料的傳感器主要分為電化學傳感器、比色傳感器、熒光傳感器以及化學發光傳感器等。

1 基于氧化鈰的電化學傳感

電化學傳感具有靈敏度高、響應快、成本低、操作方便等優點。由于納米CeO2良好的生物相容性、導電性和轉移氧氣的能力，已被廣泛用于開發電化學傳感器，以增加傳感器的響應性、靈敏度和穩定性。基于CeO2的電化學傳感器早期主要用于對氣體進行檢測分析。當被測氣體與傳感器接觸時可發生電化學反應，從而將被測氣體含量轉化為電流（或電壓）信號。近年來，CeO2電化學傳感器在生物分子檢測中發揮了越來越多的作用。CeO2良好的生物相容性可用作生物酶固定材料，此外CeO2還具有多種模擬酶活性，可以穩定高效的代替生物酶催化某些生化反應。基于CeO2的電化學傳感器具有靈敏度高、選擇性好、操作方便的特點，可通過電流、電位、電導、電量等對多種物質進行檢測。特別是基于CeO2的氣體傳感器，因具有響應迅速、測量準確、穩定性好等優點，受到了廣泛研究（表1）。

表1 用于氣體檢測的鈰基電化學傳感器Table 1 Electrochemical sensors based on cerium oxide for gas detection

1.1 氣體傳感（環境監測）

1.1.1 氧氣傳感CeO2在高溫下可轉化為非化學計量比的CeO2-x，具有良好的結構穩定性和高氧遷移率，可產生許多氧空位，這些氧空位可以提高電子遷移率，是高活性的反應位點。CeO2對氧空位的擴散系數很大，其濃度迅速達到平衡狀態，因此使用CeO2構建氧傳感器響應迅速。這種傳感器一般是電阻式或電流式，即傳感器在工作溫度下的導電性與氧分壓在一定范圍內呈函數關系［37］。

CeO2的粒徑對傳感器的性能影響很大。Izu等［38-39］研究了電阻式氧傳感器的的響應時間（t90）與擴散系數（DV）、表面反應系數（kV）和粒徑（R）之間的動力學函數關系，發現在粒徑為1 μm或更小的情況下，傳感器動力學由表面反應控制，響應時間與R/kV成比例，減小CeO2的粒徑可縮短傳感器的響應時間。隨后他們通過優化制備工藝和使用元素摻雜的方法［40-41］，進一步減小CeO2的粒徑，大大縮短了傳感器的響應時間。除了減小粒徑，氧化鈰與雜元素摻雜［42-43］、與其他材料復合［44］或者改進傳感器的結構［45］均可進一步提升氧化鈰傳感器的性能，但機理可能不同。

1.1.2 其他氣體傳感針對有毒有害氣體的靈敏監測成為一項保障人類生命安全和可持續發展的重要任務。目前基于CeO2的有毒有害氣體傳感器已有大量研究報告。CeO2對CO等廢氣以及某些揮發性有機化合物（VOCs）有吸附和催化作用，可將某些氣體信號轉化為電信號，從而對其進行高靈敏檢測。

CeO2可單獨作為傳感材料直接用于乙醇［46］、三甲胺（TMA）［47］、CO［48］、甲醛［49］等多種氣體傳感，形貌調控可使CeO2暴露更多的活性位點，有利于提升其傳感性能［48］。Khan等［46］將平均尺寸為（25±10）nm的CeO2涂覆在玻碳電極表面作為工作電極，對0．17~170 mmol/L濃度范圍的乙醇表現出良好的靈敏度（0．92 μA/cm2·mmol·L-1）、較低的檢出限（（0．124±0．010）mmol/L）和較短的響應時間。此外，這種氧化鈰對酰胺黑和吖啶橙兩種染料具有光催化活性，在250 W高壓汞燈下照射170 min后，45．6%的酰胺黑和37．7%的吖啶橙被降解。

Izu等［50-53］研究了形貌調控和元素摻雜對氧化鈰的CO傳感性能的影響。他們分別使用了具有多孔結構［50］和核殼結構［51］的CeO2膜檢測CO［52］，提高了傳感器對CO的選擇性和響應值。此外，他們還研究了其他貴金屬（Pt、Ag、Pd、Au等）對CeO2膜CO傳感器響應的影響［53］。結果顯示，添加4 wt%Au可使CeO2傳感器對CO的響應增加40倍，響應時間與未添加時相同。添加Ag納米顆粒的CeO2傳感器在第一次測量中顯示響應增加，但隨著測量次數的增加該響應逐漸降低。Pd的添加會導致CeO2傳感器的響應不均勻，但未觀察到電阻增加。

生物模板也可用于調控氧化鈰的形貌。Liu等以鳳凰樹葉［54］和玫瑰花瓣［55］為生物模板，大規模制備介孔CeO2納米片，并研究了其對二甲苯的傳感特性。生物模板中的羥基和羧基有利于鈰離子在吸附過程中的分散和固定。介孔納米片的固有結構特性、表面配位不飽和晶格氧、源自Ce3+離子的氧空位和生物模板的印跡效應等協同作用可能是增強響應性和選擇性的主要原因。

元素摻雜主要影響CeO2的粒徑和Ce4+/Ce3+間的比例，從而增加氧空位的濃度和催化性能。釕或銦的摻雜會導致晶格缺陷，增加氧電導率并可能增加電子態，從而增加了NO2在傳感器上的響應，這對CeO2可用作NO2氣體傳感器是有益的［56］。Zr摻雜的CeO2（Ce1-xZrxO2，0≤x≤0．7）對氨氣（NH3）的檢出限可低至3 ppm［57］。Gd的摻雜降低了氧化鈰的晶格參數、粒徑和電阻，增加了對CO2的靈敏度，可能與粒徑和表面電荷濃度有關［58］。添加少量（10%）CeO2可顯著抑制SnO2傳感器對甲烷（CH4）的響應，但對CO的靈敏度不受影響，從而提升了傳感器的選擇性［59］。

Ortega等［60］合成了La和Eu摻雜的CeO2，分別獲得藍色（La）和紅色（Eu）的熒光發射；表明該摻雜材料用于白光LED器件和CO氣體傳感方面很有前途。

Suzuki等［61］改進了傳感器的結構，在傳感器中加入了薄膜加熱器，開發了一種針對太空環境的電阻式氫氣傳感器，能夠在從大氣壓到10-5Pa的壓力范圍內檢測氫氣，其原理可能是低氧分壓時CeO2釋放氧，使表面的氧空位和Ce3+增加，從而使電子傳遞加快，電阻降低所致。

CeO2是良好的酶固定材料，可與酶復合修飾在電極表面以構建生物傳感器。Gumpu等［62］采用CeO2-PANI核殼納米粒子與二胺氧化酶（DAO）復合，通過強靜電吸引力提高固定效率，構建了一種CeO2/DAO/殼聚糖生物傳感器用于虎蝦樣品中腐胺濃度的準確測量，在0．28~1．7 mmol/L范圍內進行的加標回收實驗顯示出良好的準確性，相對誤差為0．012~0．088，回收率為88．9%~98．2%。該電極具有表面積大、導電性好、生物相容性好等特點，表明CeO2的加入使納米界面表現出優異的電子轉移能力，從而提高了傳感性能。

不同形貌的CeO2具有不同的傳感特性。Divya等［63］研究了截角八面體（CeNP）、納米立方體（CeNC）、八面體（CeNO）和納米棒（CeNR）四種不同形態CeO2膜的空氣相對濕度（水蒸氣）傳感性能。測試結果表明，CeNP在濕度傳感方面的效率更高，可能歸因于其較高的表面積和孔隙率。Poonia等［64］使用氣凝膠法制備了高表面積（268 m2/g）的球形CeO2對濕度變化具有出色的可逆性和穩定性。Zhang等［65］制備的CeO2納米片具有檢測濕度和甲醛的雙功能。Fu等［66］通過水熱法合成了CeO2納米線，用于濕度傳感時，水蒸氣被吸附在納米線的表面形成羥基并發生質子轉移，電阻隨著濕度的增加呈指數下降，響應和恢復都非常快。

研究表明，摻雜、復合可進一步提升CeO2的傳感性能。將Ba摻雜到CeO2中可提高CeO2的濕度敏感性［67］；銅的摻雜可提高氧空位，減小CeO2的粒徑，提高傳感器的靈敏度和抗腐蝕能力［68］。聚苯胺（PANI）/CeO2納米復合材料在不同溫度下的電阻隨濕度變化表現出很好的線性［69］。

1.2 生物小分子傳感

生物活性小分子是在復雜的新陳代謝過程中產生，并參與重要的生理生化過程的有機小分子，對其進行檢測具有重要意義。CeO2是一種良好的生物酶固定材料，可將生物酶一起吸附修飾在電極表面，用于構建生物酶傳感器。同時，CeO2又具有多種生物酶模擬活性，可催化多種生物小分子的分解過程，因此可用于構建無酶電化學傳感器。這種電化學傳感器主要是基于生物酶或模擬酶的催化作用，可加速生物活性分子在電極表面的電子傳遞速率，提高分子在電極上的響應，因此具有選擇性好、靈敏度高等優點。

1.2.1過氧化氫（H2O2）與葡萄糖傳感H2O2是化學、生物、制藥、臨床、環境和食品加工等過程中的關鍵組分，也是許多酶促反應的副產物，對H2O2的分析檢測具有重要意義。CeO2可修飾于電極表面以增加靈敏度、降低檢出限，可用于構建無酶H2O2電化學傳感器，也可用于酶固定材料構建酶傳感器。表2比較了用于H2O2和葡萄糖傳感的各種氧化鈰電化學傳感器的性能。

表2 基于氧化鈰的H2O2/葡萄糖電化學傳感器Table 2 Electrochemical sensors for H2O2/glucose detection based on cerium oxide

Neal等［70］研究了不同比例Ce3+/Ce4+的氧化鈰對H2O2的電催化效果，發現Ce4+比例較高的CeO2在H2O2存在下表現出更好的模擬過氧化氫酶活性和更高的電流響應。Ispas等［71］將CeO2用作固定酶材料，將葡萄糖氧化酶（GOX）固定在CeO2表面，構建了一種葡萄糖電化學傳感器。CeO2可促進GOX的活性中心和GCE表面之間的直接電子轉移，為酶的固定化提供生物相容的微環境，并為開發第三代生物傳感器和生物燃料電池提供進一步的可能性。李燕等［72］采用CeO2作酶固定材料，將血紅蛋白（Hb）吸附在CeO2上，并用5%的Nafion固定在GC電極表面，制備了CeO2/Hb修飾電極。CeO2的加入加速了Hb中亞鐵血紅蛋白和高鐵血紅蛋白之間的轉化，實現了Hb與電極間的直接電子轉移，保留了Hb對H2O2的催化能力，可用于H2O2的有效檢測。

貴金屬常用于提升傳感器性能［73-74］。鈀改性的CeO2（Pd-CeO2）修飾電極對葡萄糖、抗壞血酸（AA）、多巴胺（DA）和尿酸（UA）的氧化具有更高的催化活性［75］，除了非酶法檢測葡萄糖，還具有同時測定AA、DA和UA的潛力。金改性的CeO2（Au-CeO2）電極檢測葡萄糖時，靈敏度高達44 μA/cm2·mmol·L-1，檢出限為10 μmol/L［76］，有望用于分析評估燃料電池、生物體液（如血液、唾液、汗水、尿液和血清）以及食品和飲料中的葡萄糖。

馬曉倩等［77］使用稀土元素Gd摻雜的CeO2構建了一種無酶傳感器，采用水熱法合成了Ce1-xGdxO（4-x）/2納米復合材料，發現Gd摻雜可有效增加氧空位濃度，提高電導率，不同摻雜比率對H2O2的電催化響應和靈敏度不同。Ce0．9Gd0．1O1．95-CHIT/GCE修飾電極對H2O2的線性范圍為0．01~11 mmol/L，檢出限（S/N=3）為1．7 μmol/L。

不同形貌的CeO2對H2O2的傳感性能不同。Ujjain等［78］合成了菱面體形和球形兩種形貌的CeO2，發現均可用于H2O2的電催化氧化，但菱面體形CeO2-HMTA的電催化活性更高。復合材料可提升電極的穩定性。CeO2與碳復合簇C/CeO2用于葡萄糖電催化氧化時，表現出良好的穩定性和抗干擾性能［79］。Xu等［80］將TiO2/CeO2/CePO4復合材料和GOX固定在Pt電極表面，構建了一種在富氧和缺氧環境中均能使用的電流式葡萄糖傳感器。TiO2的加入在一定程度上提高了電極的催化能力和對H2O2的響應。

1.2.2 pH（H+）傳感釤或鋯摻雜的CeO2可用于pH傳感。Shuk等［81］將釤（Sm）摻雜進氧化鈰，增加了氧空位濃度和氧化物離子導電性，對溶液pH值在3~10范圍內與電勢變化呈線性，但不是Nemstian響應，可能與CeO2的離子交換性質有關。室溫下該傳感器可在1~2 min內對分析物的pH值變化做出相對快速且可重復的響應，被用于跟蹤酸堿滴定。Betelu等［82］采用釤或鋯部分替代鈰摻雜進CeO2，可使充電電流分別增加6．5倍和12．0倍。其中Ce0．8Zr0．2O2SPE的測量最精確，在25℃和5．5~13．2的pH范圍內表現出接近Nemstian響應的行為（靈敏度-（51±2）mV/pH），電極響應受pH變化方向的輕微影響，可用于穩定可靠的水pH值監測。

1.2.3 氨基酸傳感?zel等［83］將谷氨酸氧化酶（GmOx）與CeO2/TiO2納米粒子共同固定在Pt微電極上，成功制備了一種谷氨酸氧化酶微電極，可用于缺氧條件下L-谷氨酸（GluA）的測量。CeO2納米顆粒的氧氣輸送能力使谷氨酸氧化酶在無氧條件下仍能穩定工作。結果顯示，該傳感器在有氧和無氧條件下的檢出限分別為0．594 μmol/L和0．493 μmol/L，靈敏度分別為793 pA/μmol·L-1（RSD：3．49%，n=5）和395 pA/μmol·L-1（RSD：2．48%，n=5），響應時間分別為2 s和5 s。該生物傳感器具有良好的操作穩定性和對常見干擾物質的選擇性，可用于體內缺氧條件下谷氨酸的檢測。

1.2.4 乳酸傳感Sardesai等［84］利用CeO2的儲存和釋放氧氣的能力，將Pt摻雜的CeO2和乳酸氧化酶（LOX）依次涂布在經過親水改性的Pt電極表面，構建了一種可在缺氧環境下使用的乳酸生物傳感器。這種生物傳感器克服了傳統LOX生物傳感器對氧氣的依賴，與純CeO2相比，Pt的摻雜提高了CeO2的電催化活性和儲氧能力。體外評估表明，該傳感器具有高選擇性和穩定性，響應時間6 s，在100 pmol/L~15．5 mmol/L的寬濃度范圍內具有良好的線性和靈敏度；體內測試結果表明，該傳感器可在腦缺血和再灌注的麻醉大鼠模型中以高空間和時間分辨率連續監測和定量研究缺氧性腦損傷中的乳酸含量。

1.2.5 核苷酸傳感Jafari等［85］將ssDNA探針固定在還原氧化石墨烯修飾的CeO2（CeO2-RGO）納米復合材料改性的玻璃碳電極上，然后采用快速傅里葉變換方波伏安法（FFT-SWV）檢測［Ru（bpy）3］2+/3+在該CeO2-RGO修飾電極上的氧化還原信號。當ssDNA與其互補靶標核苷酸雜交后，可導致［Ru（bpy）3］2+/3+的FFT-SWV信號急劇下降。該CeO2-RGO修飾電極用于檢測嗜水氣單胞菌編碼氣溶素蛋白的DNA寡核苷酸序列時表現出優異的選擇性，線性范圍為1×10-15~1×10-8mol/L。該課題組還用此電極檢測了魚塘水中提取的嗜水曲霉DNA，質量濃度高達0．01 μg/mL，RSD為5%。

1.2.6 多巴胺傳感多巴胺（DA）是兒茶酚胺類神經遞質，可調控哺乳動物中樞神經系統的生理功能，與多種疾病相關。Nayak等［86］使用CeO2與氧化石墨烯納米片復合，提高了電子轉移效率，對DA具有更高的電化學響應和選擇性。氧化鈰/還原氧化石墨烯（CeO2/rGO）復合材料對抗壞血酸（AA）和DA均表現出優異的電化學活性，還可以光催化降解亞甲基藍［87］。

1.3 免疫傳感

免疫傳感器是一類重要的生物傳感器，與上文提及的基于催化過程的生物活性小分子傳感不同，免疫傳感基于特異性免疫反應，使用抗體、適配體等具有特異性識別功能的生物分子作為捕獲和識別元件。利用CeO2與抗原、抗體和DNA分子間的強吸附性，可將抗原、抗體或核酸適配體固定在CeO2表面，從而可捕獲某些大分子或疾病標志物并轉化為可檢測信號。免疫傳感器具有特異性強、識別快、精度高、穩定性好等優點，具有較高的應用價值。

Pachauri等［88］將口腔癌生物標志物細胞角蛋白片段21-1（Cyfra-21-1）的特異性抗體偶聯到ncCeO2-RGO/ITO電極表面，構建了一種診斷口腔癌的免疫電化學傳感器。使用微分脈沖伏安法（DPV）可在0．625 pg/mL~0．01 ng/mL范圍內觀察到最佳線性響應，檢出限為0．625 pg/mL，靈敏度為14．5 μA·ng-1·mL·cm-2，R2=0．98，可抵抗葡萄糖、氯化鈉（NaCl）、粘蛋白16（MUC-16）和白細胞介素8（IL-8）等多種干擾物。馬霄等［89］利用CeO2固定癌胚抗原抗體（anti-CEA），構建了一種新型的癌胚抗原（CEA）免疫傳感器。該傳感器在最適條件下對CEA的響應良好，線性范圍為0~80 ng/mL（r=0．998 25），檢出限為0．08 ng/mL。Dhiman等［90］將赭曲霉毒素A（OTA）抗體偶聯的CeO2集成在微流控芯片上，構建了一種微流控電化學免疫傳感器（圖2）。循環伏安法（CV）和差分脈沖伏安法（DPV）測試顯示，該傳感器可在350 pg/mL~75 ng/mL范圍內對OTA具有線性響應，靈敏度為7．5 mA·ng-1·mL·cm-2。

圖2 Anti-OTA/CeO2/ITO微流控芯片傳感器檢測赭曲霉毒素A［90］Fig．2 Anti-OTA/CeO2/ITO microfluidic chip sensor for detection of ochratoxin A［90］

2 基于氧化鈰的比色傳感

比色傳感器檢測可見光信號，通過直接或間接反應將被測物信號轉化為顏色變化，無需借助復雜儀器，僅憑肉眼即可分辨檢測結果。該方法成本低、易操作，無需昂貴儀器，特別適合現場實時檢測。CeO2納米粒子在氧化還原過程中會發生肉眼可見的顏色變化，可用作顯色指示劑。此外，它還能直接或間接催化某些底物（如鄰苯二胺（OPD）、3，3'，5，5'-四甲基聯苯胺（TMB）、2，2'-聯氮雙（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）等）發生顯色反應，因此CeO2在開發構建比色傳感器方面極具潛力。

Ornatska等［91］首次使用CeO2納米粒子作為比色探針，并與GOX共同固定在濾紙上，構建了一種葡萄糖傳感器（圖3）。在葡萄糖存在情況下，GOX可分解葡萄糖產生H2O2誘導Ce3+/Ce4+之間的轉換，使固定在生物活性傳感紙上的CeO2納米顆粒發生肉眼可見的顏色變化。該比色測定過程無需有機染料和過氧化物酶（HPR）等外部試劑，反應完全可逆，可以連續地重復使用至少10個測量周期而不會顯著喪失活性，在室溫下放置79 d仍可保持穩定的分析性能，可用于人血清樣本中葡萄糖的分析檢測。值得注意的是，該比色傳感器可擴展于所有以H2O2為產物的酶促反應底物的分析與檢測。介孔CeO2材料在其孔內捕獲氧化酶（如GOx或ChOx）也可用于葡萄糖或膽固醇的比色檢測［92］。

圖3 基于氧化鈰的比色紙傳感器檢測葡萄糖［91］Fig．3 Cerium oxide based colorimetric paper sensor for detection of glucose［91］

Gaynor等［93］研究了H2O2與CeO2納米粒子的氧化還原變色反應機理，認為該變色反應是由于過氧化物和氧分子吸附在CeO2納米顆粒上，與鈰離子之間產生雙電子轉移過程，導致CeO2在電磁光譜的可見區域吸收增加。他們還觀察到這種比色反應對H2O2的敏感性隨著CeO2微晶尺寸的減小而顯著增加，可能是由于表面積增加以及表面上Ce3+濃度增加所致。

Sharpe等［94-95］發現CeO2與某些抗氧化劑（如抗壞血酸、沒食子酸、香草酸、槲皮素、咖啡酸等）相互作用后表面顏色改變，由此設計了一種便攜式比色傳感器。該傳感器的特點是無需專門設備，適用于大量樣本的高通量分析，已成功應用于實際樣品（茶葉和藥用菌）中抗氧化劑的活性評估［96］。茶葉中茶多酚是很好的抗氧化劑，霍丹群等［97］利用茶多酚還原CeO2，構建了3×3的交叉陣列比色傳感器，實現了對5種茶多酚和14種茶葉，共95個樣本的快速準確識別。

CeO2可以催化無色的鄰苯二胺（OPD）氧化，生成黃色產物2，3-二氨基吩嗪（oxOPD）。Peng等［98］利用這一氧化顯色反應，使用白細胞介素6（IL-6）捕獲抗體（一抗）標記的四氧化三鐵（Fe3O4-Ab1）和信號抗體（二抗）標記的CeO2（CeO2-Ab2），構建了一種比色傳感器用于血清樣品中IL-6的檢測。CeO2優異的氧化酶活性放大了比色信號，提高了靈敏度。該傳感器在血清樣品中癌癥生物標志物的監測方面也具有很大潛力。利用CeO2的過氧化物酶活性，可在H2O2存在下催化3，3'，5，5'-四甲基聯苯胺（TMB）氧化顯藍色，以構建H2O2比色傳感器［99-100］。此外，CeO2納米顆粒的類氧化酶活性可催化ABTS顯色用于氟化物的比色檢測［101］。

3 基于氧化鈰的熒光傳感

熒光是一種廣泛存在的光致發光（PL）過程，這一過程可以描述為物質吸收光子躍遷到較高能級的激發態后返回低能態，同時放出光子的過程。熒光傳感器通過光譜儀記錄熒光峰值、量子產率、熒光壽命以及新熒光峰的出現等變化，儀器操作簡便，可靈敏、迅速的對目標物質進行定性和定量檢測。該檢測過程可能涉及到光誘導電子轉移（PET）、熒光共振能量轉移（FRET）、分子內電荷轉移（ICT）、激基締合物（Monomer-excimer）的形成或消失、激發態分子內質子轉移（ESIPT）等一個或多個復雜的光物理學現象。熒光傳感器目前面臨的問題主要在于受環境因素影響大，靈敏度有待提高，對目標物難以達到專一、高效地識別。CeO2可在紫外激發下發出綠色熒光（~530 nm），微環境中的一些因素會影響CeO2的熒光發射光譜；同時，CeO2又可增強或猝滅許多熒光過程，因此CeO2已被開發為多種熒光傳感器。

Shehata等［102-103］利用液體中溶解氧（DO）可猝滅CeO2納米粒子在520 nm處的熒光發射，分別使用CeO2和鋁摻雜的CeO2構建了DO熒光傳感器，鋁摻雜增加了CeO2中的氧離子電導率，從而提高了CeO2納米粒子對DO的敏感性。隨后該課題組［104-105］還使用靜電紡絲技術，制備了CeO2與PVA和殼聚糖的復合納米發光纖維，用于生物醫學和環境領域中過氧化物和自由基濃度的監測。此外，他們還將CeO2與金納米顆粒復合，用于水中鉛粒子、DO和鐵粒子的檢測［106-107］。

CeO2的氧化還原特性和光致發光特性與晶體中Ce3+與Ce4+的比率相關。Krishnan等［108］利用這一特性，將維生素C用作熒光恢復劑，設計了一種“Turn-on”型熒光傳感器。采用0．5 mmol/L高錳酸鉀溶液將Ce3+氧化成Ce4+，使CeO2的綠色熒光完全猝滅，然后用維生素C將Ce4+還原成Ce3+，CeO2的熒光恢復，通過獲取各樣品的光致發光光譜可對維生素C進行定量。Malyukin等［109］利用CeO2與H2O2的相互作用導致Ce3+→Ce4+，同時伴隨著納米CeO2發光的猝滅，構建了一種可多次循環使用的H2O2熒光傳感器。

Liu等［110］使用CeO2作為熒光猝滅劑，利用H2O2和DNA間的競爭性置換反應，構建了一種熒光傳感器（圖4）。基于CeO2強烈吸附磷酸鹽的特性，熒光分子標記的DNA作為熒光探針可被CeO2吸附，熒光被完全淬滅。采用H2O2競爭性置換使DNA從CeO2表面解吸附，可使熒光信號增強至20倍。該傳感系統可靈敏地檢測低至130 nmol/L（4．4 ppb）的H2O2，還可與GOX結合在緩沖液中檢測低至8．9 μmol/L的葡萄糖。

圖4 基于氧化鈰的熒光傳感器檢測H2O2［110］Fig．4 Fluorescent sensor for detection of H2O2 based on cerium oxide［110］

4 基于氧化鈰的化學發光傳感

與光致發光相比，化學發光（CL）傳感器無需激發光源，因此背景發射更低，靈敏度更高，具有很高的實際應用價值，目前已在許多商業化檢測試劑盒中得到廣泛應用。CL傳感器可分為基于酶催化的化學發光和基于電化學的化學發光。電致化學發光（ELC）結合了化學發光與電化學技術的優勢，克服了傳統CL需要添加發光試劑的缺點，具有靈敏度高和電位可控的優點。釕、鈰等金屬元素由于特殊的電子結構可以產生化學發光。CeO2可以催化魯米諾（3-氨基-苯二甲酰肼）的化學發光過程。

Pur等［111］使用CeO2/三（2，2-聯吡啶）釕（II）/殼聚糖修飾的還原氧化石墨烯（CeO2NPs-RGO/Ru（bpy）2+3/CHIT）開發了一種用于快速檢測細胞色素C（Cyt C）的新型超靈敏ELC傳感器。ECL信號由電極表面上的Ru（bpy）2+3和三丙胺（TPA）之間的電化學作用產生。將Cyt C添加到溶液中會競爭性抑制Ru（bpy）2+3和TPA間的相互作用，從而降低ECL信號。該傳感器對Cyt C的檢測具有較高的靈敏度和選擇性，以及良好的穩定性，可用于人血清樣品中Cyt C的測定。

Li等［112］利用CeO2可在堿性條件下催化魯米諾與H2O2之間的化學發光反應，設計了一種化學發光傳感器陣列，可用于H2O2的靈敏、快速、高通量檢測，對H2O2的線性范圍為1．0×10-8~5．0×10-5mol/L（R2=0．999 1），響應時間為1 s，檢出限為1．0×10-9mol/L。該CL體系的最大發射波長位于425 nm，其發光機理可能是CeO2對魯米諾-H2O2體系的催化作用。由于H2O2是爆炸物三過氧化三丙酮（TATP）的合成原料，所以該體系還可以用于TATP的快速、安全檢測。

Pang等［113］將CeO2納米粒子首次與K2S2O8用于ECL領域（圖5），基于氧化石墨烯/羧化多壁碳納米管（GO/MWCNTs-COOH）的優異導電性和大比表面積特點用于負載CeO2納米顆粒，附著CEA抗體的Au納米顆粒也沉積在該基質上以增強靈敏度。進一步將該GO/MWCNTs-COOH/Au@CeO2納米復合材料用于修飾玻碳電極，構建了一種高靈敏檢測人血清樣品中CEA的ECL傳感器。該傳感器靈敏度高、重復性好，展示了CeO2用于化學發光的潛力。

圖5 GO/MWCNTs-COOH/Au@CeO2納米復合材料電化學發光（ECL）傳感器檢測癌胚抗原（CEA）［113］Fig．5 GO/MWCNTs-COOH/Au@CeO2 nanocomposite electrochemiluminescence（ECL）sensor for detection of carcinoembryonic antigen（CEA）［113］

5 總結與展望

近年來，基于CeO2的新型傳感器層出不窮，已廣泛應用于包括光學、電學、化學、醫學等眾多領域，發展出了電化學傳感、比色傳感、熒光傳感、化學發光傳感等多種模式。獨特的光電和化學特性使CeO2能夠用于構建各種類型的傳感器，本文回顧和總結了近年來的眾多文獻報道，發現CeO2在傳感器中具有催化、固定、識別、換能等多種用途，可提高傳感器的特異性和靈敏度。盡管基于CeO2的傳感器取得了許多進展，但仍不能滿足迅速增長的實際需求。因此，如何提升CeO2的各項傳感性能使之更好地適應各種需求是當前研究的熱點課題。CeO2的催化和傳感能力高度依賴于其形態，目前的手段主要是通過形貌粒徑調控、雜元素摻雜和多組分復合的方式，以提升CeO2的表面積、導電性、晶格中氧空位比例，進一步降低檢出限，提高響應速度、靈敏度和選擇性，以獲得更佳的傳感能力，擴展其在環境監測、生產生活、醫療健康等領域的進一步應用。

目前基于CeO2傳感器設計研發的可能方向主要包括：一是以新穎性為導向，主要研究基于CeO2的新型傳感材料的制備、摻雜和復合以進一步提高傳感性能；另一個是以實際需求為導向，主要研究基于CeO2的傳感器產業化應用。新型傳感材料是產業化的未來，產業化又為新型傳感材料的研發提供內在動力，二者緊密聯系，互為依托。新冠肺炎的大爆發讓我們看到了快速、精準的醫療檢測技術在當前的迫切需求。迄今為止，只有少數關于CeO2傳感材料在醫療診斷領域的應用研究，科學家仍需時間驗證這些傳感器的各項性能。隨著研究的進一步深入，我們相信這類基于CeO2傳感器將大量涌現并應用于新冠肺炎等疾病的快速診斷。