碳纳米管修饰电极在生命电分析化学中的应用进展.doc

碳纳米管修饰电极在生命电分析化学中的应用进展【摘要】 本文综述了近年来碳纳米管修饰电极在生命电分析化学中的应用进展，主要包括在神经递质、蛋白质、核酸以及其它与生命相关的小分子上的电化学研究，并展望了其应用前景。 【关键词】 碳纳米管 修饰电极 生命电分析化学 评述1引言碳纳米管(carbon nanotube, CNT)自1991年被报道发现以来1，与其相关的研究工作取得了长足的进展，已成为纳米科技中最受瞩目的部分之一。由于CNT具有独特的电子特性，将其制成电极时能促进电子的传递，具有一定的电催化、电分离功能，因此，可将其应用到体系比较复杂、待分析物含量较低的物质分析。目前，常用碳纳米管修饰电极的种类有CNT糊电极2、CNT嵌插电极3、CNT涂层电极4、聚合物包埋CNT修饰电极5等。CNT修饰电极在分析化学中的应用研究有很多报道69，主要涉及CNT修饰电极的制备、在电化学分析及生物传感器等方面的应用。本文重点概述了CNT修饰电极在生命电分析化学中的应用，包括对神经递质、蛋白质、核酸以及其它与生命相关的小分子的检测应用介绍。2碳纳米管修饰电极在神经递质分析中的应用 多巴胺(DA)是一种重要的儿茶酚胺类神经递质，也是碳纳米管修饰电极研究中涉及最多的对象之一。采用CNT修饰电极能明显改善DA在常规电极上过电位高、电极反应缓慢、灵敏度低等问题。此外，该类电极还对其共存物抗坏血酸(AA)、尿酸(UA)等有很好的电分离能力。 碳纳米管糊电极（CNTPE）最早由Britto等2用溴仿作粘结剂制得，在pH 7.4 PBS磷酸盐缓冲溶液中对DA进行研究，DA在此电极上发生可逆性良好的两电子氧化还原反应，氧化还原峰电位差为30 mV，电极用羊脑组织匀浆处理后仍呈现相同的性能。Valentini等10将CNT与矿物油混合后制成CNTPE，以探针Fe(CN)6/ Fe(CN)6研究CNT与矿物油质量比不同时电极的性质。用质量比为60/40时的CNTPE对DA、儿茶酚、咖啡酸及5羟色胺(5HT)等进行测定。考察了处理前后电极的氧化性能的改变，处理过的电极灵敏度更高。 王宗花等3采用嵌入法将羧基化的CNT制成电极，研究DA和AA共存时的电催化作用。作为一种新型的CNT修饰电极，它不仅使DA、AA峰电流增加，还使其氧化峰电位差(Ep)达160 mV，且对DA的响应灵敏度高于AA，有利于大量AA存在下DA的测定，DA 的检出限达1107 mol/L。电分离机理是由于电极的表面有一个多孔性的立体界面层，对DA和AA有较强的电催化及电分离作用，电极的界面性质对电分离影响较大11。此类电极还用于DA和5HT的同时测定，AA不干扰，其中5HT、DA与AA的Ep分别为0.39和0.20 V(vs.SCE)，5HT和DA的检出限分别为0.02和0.1 mol/L 12。Moore等13比较了NADH、EP、去甲肾上腺素(NE)在CNT和石墨粉末嵌插及涂层修饰的热解石墨电极上的电化学行为，相对于裸石墨电极，CNT修饰电极对NADH、EP、NE有很好的电催化作用，其氧化还原峰电位差明显减小，石墨粉末修饰的电极也有类似结果。 CNT涂层和包埋修饰电极由于所用分散剂种类的多样性，是目前研究较多的CNT修饰电极。Zhao等5将MWNT与离子液体OMIMPF6混合后修饰于玻碳电极(GCE)表面对DA进行伏安研究。在pH 7.08磷酸盐缓冲液中，AA和UA不干扰DA的测定，它们与DA的电位差分别为0.2 V和0.15 V。DA的检出限为1.0107 mol/L，对人血清中DA进行了测定。Wang等14,15分别以水和CD为分散剂制得CNT涂层电极。以水为分散剂的电极对DA和EP有显著的增敏和电分离作用，还原峰Ep达390 mV，DA和EP的检出限分别为1106和5107 mol/L；而CD为分散剂的电极对NE有明显的催化氧化作用，检出限为5107 mol/L；两种电极均消除了AA的干扰。将羧基化SWNT分散于N，N二甲基甲酰胺(DMF)并涂于GCE上，对DA的研究表明16：相对于GCE，DA在修饰电极上产生准可逆氧化还原峰的Ep由0.166 V降至0.053 V；且对EP和AA有类似的催化作用。Jiao等17将用二茂铁功能化的SWNT(FcSWNT)分散于DMF后涂于GCE上测定DA，由于Fc与SWNT间强的作用加速了电极与DA间的电子转移，使得电极对DA有很强的电催化作用，检出限为5108 mol/L，UA和AA不干扰测定。Shahrokhian等18制备了MWNT/硫堇/Nafion/CPE电极，该电极能同时测定DA和AA，其阳极峰电位差为379 mV，且含巯基类化合物，如半胱氨酸、青霉胺及谷胱甘肽等在该电极上无明显的电化学氧化响应，不干扰测定。Liu等19以聚丙酸(PAA)为分散剂的涂层电极PAA/MWNTs/GCE对生理水平的DA和UA进行研究，PAA/MWNTs复合物表面积大，对DA、UA吸附作用强，电极对它们的测定有很强的电催化作用，检出限分别为20和110 nmol/L。Jo等20以植酸(PA)为分散剂制备了PASWNTs/Pt电极，DA、UA和AA在电极上分别于0.12、0.26和0.05 V(vs. Ag/AgCl)产生氧化峰，电极可选择性测定DA，检出限为0.08 mol/L。分 析 化 学第36卷第8期王月荣等：碳纳米管修饰电极在生命电分析化学中的应用进展3碳纳米管修饰电极用于蛋白质的电化学研究 由于蛋白质分子的电活性中心往往深埋在其分子结构的内部，难以直接在电极表面发生电子转移。因此，要实现蛋白质分子的电化学过程就需要使其活性中心尽量靠近电极表面。碳纳米管修饰电极上的CNT可作为一种良好的促进剂来加速电子的传递，从而能有效地改善蛋白质在电极上的电子转移，实现对蛋白质的直接电化学研究。 细胞色素c(Cyt c)是蛋白质电化学研究中常见的研究对象之一。Wang等21报道了马心Cyt c在SWNT修饰的GCE上的电化学行为，Cyt c在电极上产生一对可逆性良好的氧化还原峰，它的线性范围为3.01057.0104 mol/L，检出限为1.0105 mol/L。Zhao等22用电化学的方法把Cyt c固定到MWNTs/GCE的表面，Cyt c在电极表面发生强烈吸附得到稳定的近似单层膜，MWNTs的电子促进转移作用实现了Cyt c的直接电化学测定。Liu等23将SWNT、MWNT与Cyt c交联后以单层膜法修饰到ITO电极上，CNT有利于Cyt c单层膜的形成，增强了Cyt c与电极间的电子传递。为更好地促进Cyt c与电极间的电子传递，除单一使用CNT外，掺杂其它纳米材料也是一种有效的方法。Xiang等24,25制备了半胱氨酸(Cys)/金纳米颗粒(GNPs)/壳聚糖(Chit)/MWNTs/ GCE电极和GNPs/室温离子液体(BF4)/MWNTs/GCE电极，并将Cyt c固定在电极上，Cyt c在两电极上均产生良好的准可逆氧化还原峰，其中Cys/GNPs/Chit和GNPs/ RTIL膜对Cyt c与MWNT/GCE间的电子传递有明显的促进作用。微过氧化酶11 (MP11)是由马心Cyt c水解后得到的氧化还原蛋白质，将它固定于SWNT阵列修饰电极中SWNT的末端，SWNT起电子导线的作用，实现了MP11的直接电化学研究26。Wang等27报道了在pH 7.0的PBS溶液中，MP11在CNT修饰GCE上产生一对良好的氧化还原峰，且MP11仍保持对H2O2的生物电催化活性。 将血红蛋白(Hb)固定在分散于表面活性剂CTAB的CNT修饰电极上28，Hb在电极上发生单电子单质子电化学反应。把Hb通过EDC交联到CNT上再涂覆于GCE得到Hb/EDC/CNT/GCE电极，EDC有加速Hb在电极上的直接电子转移(DET)作用，电子转移速率常数为（1.020.5） s1 29。将肌红蛋白(Mb)吸附固定在CNT修饰电极表面，循环伏安法结果显示，Mb能进行有效和稳定的直接电子转移，电子转移表观速率常数为(3.110.98) s1 30。通过静电作用将Hb和Mb吸附在MWNTs上，再将HbMWNTs、MbMWNTs涂覆在石墨电极上，蛋白质在电极上产生良好的准可逆峰，是蛋白质中Fe()/Fe()的特征峰，可对Hb和Mb进行直接电化学测定31。综上所述，CNT修饰电极不仅能对蛋白质进行直接电化学研究，而且蛋白质在这类电极上都能保持对各自底物的电催化活性。铁氧化还原蛋白(Fd)是以FeS原子簇为电活性中心的蛋白质。吕亚芬等32利用静电作用将Fd固定到修饰了CTAB的CNT上，再用Nafion将CNT固定于GCE。Fd在CNT表面能进行有效和稳定的直接电子转移，电子转移表观速率常数为(0.730.04) s1。 烟碱腺嘌呤二核苷酸(NADH)是一种辅酶，在低的过电位下对其氧化在生物传感器的应用中非常重要。Antiochia等33将3,4二羟基苯甲醛(3,4DHB)电沉积于CNTPE，研究NADH的电催化氧化行为。Musameh等34用浓H2SO4作为分散剂制备了CNT修饰电极，NADH在此电极上于50 mV处产生氧化峰，过电位降低了490 mV。将胆红素氧化酶(BOD)共价吸附于MWNT/GCE，用此电极研究了O2的生物电催化还原过程，该电极对O2的还原有增强作用。在厌氧条件下，蛋白质可产生一对氧化还原峰，这是由BOD中三环T2/T3簇产生的35。Wen等36用聚合物电解质PDDA作包埋剂先与MWNT制成复合物涂覆于GCE，再将葡萄糖氧化酶(GOD)固定在此电极上，PDDA与GOD间的静电作用有利于GOD的固定，GOD在电极上可产生一对可逆的氧化还原峰，电子转移速率较快，速率常数为2.76 s1。4碳纳米管修饰电极用于核酸的电化学研究 核酸是重要的生命物质基础，与蛋白质分子不同，核酸具有典型的电子堆积结构，表现出特有的电学及电化学性质。可利用核酸分子的电学特性和电化学性质对核酸的含量及杂交过程进行监测。 唐婷等37将羧基化CNT修饰于金电极表面，利用偶联试剂EDC和NHS在CNT表面固定ssDNA1，其5端修饰了氨基(5XATGGGTATTCAACATTTCCG，X=NH2)，检测了与其碱基序列互补的ssDNA2(5CGGAAATGTTGAATACC)，CNT特有的结构对检测结果有放大作用，提高了检测的选择性和灵敏度。Guo等38将小牛胸腺DNA通过PDDA组装到CNT修饰的金电极上，利用压电阻抗技术对DNA的组装进行实时监测，发现DNA仍保持活性，可与药物盐酸氯丙嗪发生相互作用。Cai等39采用电化学阻抗法对DNA杂交进行检测无需指示剂或标记物，所用电极为MWNT复合导电聚吡咯修饰的GCE，导电聚合物中掺杂寡聚核苷酸探针。Yang等将DNA固定在MWNTs/纳米ZrO2/Chit/GCE电极上，杂交反应用电活性道诺霉素作指示剂来检测，电极能快速灵敏地检测DNA，检出限为7.51011 mol/L。 Erdem等41将MWNT修饰的GCE和石墨电极用于核酸的直接电化学研究，根据核酸中鸟嘌呤的微分脉冲伏安曲线变化对电极性能进行比较，石墨电极因其多孔性结构的特点，修饰后性能优于GCE。在0.1 mol/L PBS中，聚硫堇/GNPs/MWNTs/GCE电极被用于DNA中腺嘌呤和鸟嘌呤的同时测定，电极对测定有明显的电催化作用，它们的检出限分别为1108和8109 mol/L42。Pedano等43在CNTPE上对核酸进行了吸附溶出电位法测定，该电极对鸟嘌呤氧化信号有增强作用，可对微量的寡聚核苷酸(21个碱基的寡聚核苷酸的检出限为2.0 g/L)和多聚核苷酸(小牛胸腺DNA的检出限为170 g/L)进行测定。汪振辉等44制备的SWNT复合聚吖啶橙修饰电极对DNA中的腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶都有良好的电催化作用，嘌呤碱和嘧啶碱的氧化峰可完全分离。Bollo等制备了GCE/ChitCNT电极，通过交联剂戊二醛固定DNA，根据 其中鸟嘌呤的氧化信号进行DNA检测而无需氧化还原指示剂。Ye等46制备的MWNT修饰印刷碳电极可对DNA和RNA进行快速、灵敏的检测，电极对核酸嘌呤残基有直接的电催化氧化作用。在富集5 min后，小牛胸腺ssDNA和酵母tRNA的检测浓度范围分别为17.0345 mg/L和8.24.1 g/L。5碳纳米管修饰电极用于其它相关小分子的研究 CNT修饰电极还广泛用于嘌呤及其代谢物、生物碱、药物、氨基酸等的研究中。尿酸(UA)是嘌呤代谢的最终产物，通过对血液、尿液中其含量的测定，可以了解体内物质代谢状况。Sun等47采用MWNT修饰的GCE对UA和黄嘌呤进行同时分析，它们的线性范围分别为1.01071.0104 mol/L(黄嘌呤)、2.01082.0105 mol/L(UA)，并对人血清进行直接测定。Ye等48制备了以钽为基底的CNT阵列电极，相对于GCE，UA和AA的过电位分别降低了0.028和0.416 V，电极能选择性地测定尿样中UA，检出限为0.1 mol/L。Yan等49用MWNT离子液体(BMIMPF6)修饰GCE对UA进行伏安测定，UA能很好地吸附在电极上，产生灵敏的阳极峰，尿样中UA的测定结果良好。Shahrokhian等50制备了MWNTs/Nafion/CoNSal/CPE电极用于UA和AA的电催化、电分离测定，Ep约为315 mV，两峰能很好地分离，检出限分别为6108 mol/L(UA)、1107 mol/L(AA)。Zhang等51报道了CNT修饰的碳纤维微电极用于鼠脑活体AA的测定，电极对AA的电化学测定有很好的催化活性，抗干扰能力很强，鼠脑中共存物高原儿茶酸、UA、5HT等不干扰测定。 Wang等52采用CD/CNT修饰电极对腺嘌呤和鸟嘌呤进行了同时和单独的测定，在开路电位下，腺嘌呤和鸟嘌呤可富集在电极上并产生良好的氧化峰，Ep分别为0.79和1.09 V，电极可用于DNA的检测。Lawrence等53用CNTPE对同型半胱氨酸的电化学行为进行研究，它在此电极上的氧化过电位相对于常规碳糊电极减小了约120 mV，提高了测定灵敏度，且氨基酸类物质，如半胱氨酸、谷胱甘肽、n乙酰半胱氨酸均在CNTPE上产生类似的响应结果。瞿万云等54研究了异烟肼在MWNT/GCE上的电化学行为，富集60 s后其检出限为1.5107 mol/L，对异烟肼片剂和血清中异烟肼的含量进行了测定。Lin等55采用CNTPE对栎精和芦丁进行同时可逆微分脉冲伏安研究，预富集后伏安信号明显增强且两峰分离良好，并对它们在血清和尿液中的含量进行了测定。王月荣等56采用CNTPE对丹酚酸B进行了伏安测定，在pH 1.81的BrittonRobinson缓冲溶液中丹酚酸B在CNTPE上产生灵敏的氧化峰，检出限为0.661 g/L。Goyal等采用SWNTs涂层GCE对降压药比索洛尔延胡索酸盐进行研究，电极对它的电化学氧化有催化作用，检出限为8.27107 mol/L，对人尿样的测定只作适当稀释而不需前处理。Yadegari等用GC/CNT电极对抗艾滋病毒复制的药物去铁酮进行测定，药物在电极上产生两个灵敏的不可逆氧化峰，CNT对其氧化速度有促进作用，电子转移速率常数为3.83103 cm/s。去铁酮的检出限为5.25107 mol/L，可对加标人血清和尿液进行直接测定。6展望 CNT修饰电极用于生命分析化学是将纳米科技、生命科学以及分析化学有机结合的研究前沿。对于CNT修饰电极在生命分化学中的应用前景，可概括为：（1）从所用修饰电极来看，CNTPE和CNT嵌插电极制备简单，但由于修饰方式相对单一，在生物大分子、小分子的应用相对少一些，而CNT涂层和聚合物包埋修饰电极由于分散剂的种类多样化而应用广泛。因此，发展使用性能优良、绿色环保的分散剂用于CNT修饰电极的研究仍是一个重要的研究方向。（2）近年来，将CNT与其它纳米材料(如纳米金颗粒、纳米ZrO2等)掺杂复合修饰于常规电极的研究表明，因各种材料能对电化学检测起到增效的作用，使得该类电极有更好的性能，是目前CNT修饰电极的又一研究热点。（3）对于蛋白质、核酸等大分子的研究，CNT修饰电极不仅实现对它们的直接电化学研究，而且它们在电极上仍能保持生物活性。因此，以CNT为材料的生物传感器(如酶传感器、DNA传感器等)的研究仍是热点，它为生命分析化学中原位、实时、快速、灵敏、选择性的检测提供了重要的研究基础。（4）CNT修饰电极在生命电分析化学中涉及的电化学机理的深入探讨也是未来研究重点之一。【参考文献】 Iijima S. 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