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纳米材料电化学与生物传感器

第24卷第4期2012年4月

化　学　进　展

PROGRESSINCHEMISTRY

Vol.24No.4　Apr.2012

　　收稿:

2011年8月,收修改稿:

2011年10月

　∗国家重点基础研究发展计划（973项目（No.2011CB933700、国家自然科学基金青年基金项目（No.21105073和中国科学院“引进海外杰出人才”百人计划资助

∗∗Correspondingauthor　e⁃mail:

wanglun@;xingjiuhuang@

纳米材料电化学与生物传感器

———有机微污染物检测新途径

∗

尉　艳1,2,3　刘中刚3　高　超3　王　伦2∗∗　刘锦淮3　黄行九3∗∗

（1.皖南医学院化学教研室　芜湖241002;2.安徽师范大学化学与材料科学学院　芜湖241000;

3.中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所　合肥230031

摘　要　本文介绍了近年来纳米材料电化学与生物传感器在有机微污染物检测中的研究现状,分析了这些传感器中纳米材料修饰电极的特点,重点阐述了纳米材料在有机微污染物检测中的重要作用,列举了一些纳米材料电化学与生物传感器在有机微污染物检测中的应用。

最后对纳米材料电化学与生物传感器用于有机微污染物的检测研究进行了简要评述和展望。

关键词　纳米材料　电化学传感器　电化学生物传感器　修饰电极　电化学检测　有机微污染物中图分类号:

O657.1;TB383;X132　文献标识码:

A　文章编号:

1005⁃281X（201204⁃0616⁃12

ElectrochemicalSensorsandBiosensorsBasedonNanomaterials:

ANewApproachforDetectionofOrganicMicropollutants

WeiYan1,2,3　LiuZhonggang3　GaoChao3　WangLun2∗∗　LiuJinhuai3　HuangXingjiu3∗∗（1.DepartmentofChemistry,WannanMedicalCollege,Wuhu241002,China;

2.CollegeofChemistryandMaterialsScience,AnhuiNormalUniversity,Wuhu241000,China;

3.InstituteofIntelligentMachines,HefeiInstitutesofPhysicalScience,

ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,China

Abstract　Thepresenceoforganicmicropollutantsinanaquaticecosystemimpactsdirectlyorindirectlyto

biotaandhumanbeing,whichresultsinanincreasingdemandforthedetectionoforganicmicropollutants.Inthisreviewweexaminerecentdevelopmentandcurrentstatusofelectrochemicaldetectionoforganicmicropullutantsusingelectrochemicalsensorsandbiosensorsbasedonnanomaterials,anddiscussthesensingprinciplesofthenanomaterialsmodifiedelectrodesinthesesensors.Emphasisisgiventotheimportanteffectofrelatednanomaterialsonthedetectionoforganicmicropullutants.Finally,keychallengesandopportunitiesonthedirectionstowardfuturedevelopmentareoutlined.

Keywords　

nanomaterials;electrochemicalsensors;electrochemicalbiosensors;modifiedelectrodes;

electrochemicaldetection;organicmicropollutants

Contents

1　Introduction

2　Organophosphateandcarbamatepesticides

2.1　Detectionbyelectrochemicalenzymebiosensors

basedonnanomaterials

第4期尉　艳等　纳米材料电化学与生物传感器———有机微污染物检测新途径·617　·

2.2　Detectionbyelectrochemicalnon⁃enzymesensors

basedonnanomaterials

3　Phenoliccompounds

3.1　Detectionbyelectrochemicalenzymebiosensors

basedonnanomaterials

3.2　Detectionbyelectrochemicalnon⁃enzymesensors

basedonnanomaterials

4　Nitroaromaticcompounds

5　Othertargetsoforganicmicropollutants

6　Conclusionsandoutlook

1　引言

环境问题一直广受关注,而有机微污染物是导致环境问题的一个关键因素。

有机微污染物是指对人和生态系统具有直接或间接危害的微量有机污染物,常见的有:

有机磷类和氨基甲酸酯类有机农药杀虫剂、酚类、硝基芳香类、多氯联苯类（PCBs、有机卤化合物以及多环芳烃类（PAHs等。

有机微污染物一般可在环境中长期存在,并可长距离迁移,具有致畸性、致癌性和神经毒性[1—6],而且因其较强的亲脂憎水性,可在生物组织器官内积累并随食物链逐渐放大,部分污染物的分解产物依然具有很强毒性,严重危害人类健康和环境卫生[7]。

常用检测有机微污染物的方法有色谱法、色谱-质谱联用、毛细管电泳、光谱法等[8—14],这些方法虽然可达到检测的目的,但又不可避免地存在耗时、成本高、仪器复杂难操作、难以在现场及时检测等缺点[15—18],而且检测前样品须经特殊处理[19],种种缺陷敦促人们探究新型高效灵敏的检测方法。

相比而言,电化学方法的化学与生物传感器规模小、成本低、灵敏度高、选择性好、响应迅速、易操作,是可用于现场分析的理想技术[16,18,20—24],因而逐渐被深入研究并应用于污染物检测中。

电化学与生物传感器的灵敏度和选择性主要取决于电极上的敏感材料。

而纳米材料具有传统材料所无法比拟的优异性能,如优异的电子传导性;大的比表面积,高的表面自由能使吸附性能提高,可有效吸附检测物;表面效应使其具有高的化学活性[22,25,26]等。

基于此,将其应用于电极修饰,制备成纳米材料修饰电极的传感器,这类传感器可以整合纳米材料和电极自身的优良性能,从而取得优异的检测效果,使电极更稳定,检测更快、更灵敏。

本文以有机微污染物的种类为主线,详细阐述了不同纳米材料的电化学与生物传感器对有机微污染物检测的研究现状,分析了相关纳米材料修饰电极的特点,并对该研究方向的发展提出展望。

2　有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂

有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂是广泛使用的有机杀虫剂。

其使用范围广且使用历史长,在有机微污染物中占比重较大,其中以有机磷类研究最多。

常见的有机磷类杀虫剂主要有对氧磷（paraoxon、甲基对氧磷（methylparaoxon、对硫磷（parathion、甲基对硫磷（methylparathion、毒死蜱（chlorpyrifos、久效磷（monocrotophos、马拉硫磷（malathion、乐果

（dimethoate、草甘膦（glyphosate、三唑磷（triazophos、敌敌畏（dichlorvos和杀螟松（fenitrothion等。

常见的氨基甲酸酯类杀虫剂主要有西维因（carbaryl、呋喃丹（carbofuran和黄草灵（asulam等。

2.1　基于纳米材料电化学酶生物传感器的检测

对有机磷类和氨基甲酸酯类有机杀虫剂的检测,研究多是基于乙酰胆碱酯酶（AChE传感器。

其检测机理是对AChE活性的抑制,通过酶活性的改变来间接检测该类物质。

固定到电极表面的AChE可催化底液中硫代乙酰胆碱（ATCl水解,产生电活性物质硫代胆碱（TCh,在一定电势下,TCh可经电化学氧化,产生氧化电流。

因有机磷类和氨基甲酸酯类有机杀虫剂能不可逆地与AChE结合,使AChE失活,进而抑制了ATCl的水解反应,使TCh的浓度降低,从而使测得的氧化电流降低。

基于此,该类有机杀虫剂的浓度可通过TCh的氧化电流来定量测定[1,27]。

虽然AChE传感器已得到广泛研究,但是如何将酶有效地固定到电极表面并保持其良好的生物活性仍制约电化学酶生物传感器的应用。

为了解决这一难题,各种各样的基底材料被用来尝试酶的固定。

而纳米材料因具有利于酶固定的有序结构和大的活性表面积以及性能的可设计性而得到广泛应用,大大地改善了该类传感器的灵敏度、稳定性和检出限。

2.1.1　基于金属纳米粒子的电化学酶生物传感器

金纳米粒子（AuNPs具有优异的导电传感界面和催化性能以及良好的生物相容性,能为酶等生物活性物质提供适宜的微环境,保持了酶的活性。

这使得AuNPs广泛用于构建电化学酶生物传感器的研究中。

然而,AuNPs本身不稳定,易团聚,从而失去其优异特性。

对此,可采用不同物质,如溶胶⁃凝胶、聚合物、生物物质、表面活性剂等,用于稳定和

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化　学　进　展

第24卷

分散AuNPs,同时,这些物质也能很好地固定酶并保持其活性。

硅酸盐溶胶⁃凝胶具有良好的化学惰性、多孔性、热力学稳定性和物理韧性,适用于分散AuNPs和固定酶。

Du等[17,28]将AuNPs与硅酸盐溶胶⁃凝胶（SiSG结合修饰于玻碳电极上,然后将AChE固定于其上,制备得到性能优良的酶传感器用以检测图1　（aAChE电化学传感器检测杀虫剂原理[28];（b安培法检测久效磷杀虫剂的抑制曲线[17];（c线性伏安

法检测马拉硫磷的伏安曲线[30]

Fig.1　（aPrincipleofAChEelectrochemicalbiosensorusedfordeterminationofpesticide[28].（bRelationshipbetweenpeakcurrentsandconcentrationsofmonocrotophos.Insets:

Calibration

curves

for

monocrotophos

determination[17].（cLinearsweepvoltammogramsof

AChE⁃CHIT⁃AuNPs/Auafterincubationin0,0.1,0.5,4,

6,8,10,15,20,100ng·ml-1malathionfor15minandbaregoldforreductivedesorptionofthiocholinein0.1MKOHfrom-1.3to-0.9V.Insets:

linearrelationship

betweendesorptioncurrentsandconcentrations

[30]

久效磷、甲基对硫磷和西维因（图1。

硅酸盐溶胶⁃凝胶所含的大量羟基基团为酶催化提供了良好的微环境。

壳聚糖（CHIT是常用的生物相容性聚合物,具有优异的成膜能力、良好的附着性和高的机械强度。

另外,CHIT具有大量的羟基和氨基官能团而易于化学修饰,同样适用于分散AuNPs和固定酶。

该课题组将AChE直接固定于CHIT修饰的Au电极[29],该电极的特性在于AChE作用的产物TCh可

以在该修饰电极表面催化AuNPs的产生,而无需添加籽晶,生长的AuNPs具有良好的导电性,可明显增大峰电流,减小峰电势差。

该修饰电极（AChE⁃CHIT⁃AuNPs/Au对马拉硫磷检出限达0.03ng·ml-1。

随后该课题组通过对TCh的化学吸附/解吸过程,用线性扫描伏安（LSV对马拉硫磷进

行了检测[30]。

聚吡咯（PPy是一种重要的导电聚合物,其制

备简单、稳定性好、导电性高,广泛应用于酶修饰电极中酶的固定,特别是PPy纳米线因其有序的链状结构、高的体表面积比而得到极大关注。

Gong等[31]利用PPy纳米线分散AuNPs和固定酶,构建了AChE⁃Au⁃PPy/GCE三维网状结构修饰电极,其中AuNPs均匀分散在交错的PPy纳米线基底上,有效地催化氧化了AChE作用的产物TCh,对甲基对

硫磷检出限可达2ng·ml-1。

另外,Yin等[32]借助良好生物相容性的蚕丝蛋白及AuNPs构建AChE酶修饰电极,可有效、快速、稳定地检测甲基对氧磷、呋喃丹和倍腈松,对甲基对氧磷的检出限可达20pM。

近来,双金属纳米粒子体系可结合两种金属纳米粒子表面特性,具有显著的催化性能而备受关注。

Upadhyay等[33]研究了Au⁃Pt双金属纳米粒子体系。

Au纳米粒子的生物相容性有利于酶固定,且表面积大、导电性好,而Pt纳米粒子对H2O2有显著的氧化还原能力,可增强传质作用,降低对H2O2的氧化过电势,而氧化过电势的降低可以避免其他电活性物

质对测定的干扰。

他们构建了双酶双金属体系的生物传感器来检测有机磷杀虫剂,其中用3⁃氨丙基三乙氧基硅烷（3⁃APTES作偶联剂将Au⁃Pt双金属纳米粒子电沉积至GCE表面,然后将AChE和胆碱氧化酶（ChOx经戊二醛交联固定于修饰电极上。

其检测机理为:

AChE催化乙酰胆碱水解为胆碱,ChOx可进一步氧化胆碱产生H2O2,而H2O2具有电化学活性,可经电化学氧化产生电流信号,基于有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂对AChE活性的抑制,通过

测定H2O2氧化电流的减小即可测得对氧磷和涕灭威的浓度。

该传感器可在低电势下进行检测,从而

有效避免其他电活性物质对测定的干扰。

2.1.2　基于CNTs的电化学酶生物传感器

碳纳米管（CNTs以其特有的力学、电学、化学

特性一直广受研究人员的青睐[34]。

碳纳米管可分

为单壁碳纳米管（SWCNTs和多壁碳纳米管

（MWCNTs。

CNTs特殊的电子结构,使其具有高导电性,此外,还具有较高的机械强度、良好的吸附能

力、较大的比表面积、长径比和较多的催化位点以及较好的生物相容性,易于固定酶并保持其活性。

因此,CNTs非常适合应用于电化学与生物传感器,以提高其检测性能。

在AChE传感器中,硫代胆碱

第4期尉　艳等　纳米材料电化学与生物传感器———有机微污染物检测新途径·619　·

（TCh在裸电极表面的氧化需要非常高的工作电势,易造成电极表面污染,通过修饰CNTs则可有效改善。

然而,CNTs用于电极敏感材料的主要限制在于其疏水性,且易于聚成束状而影响其性能。

通过强酸或强氧化剂氧化CNTs可以提高其溶解性,但是会使其结构产生大量缺陷,损害其性能。

针对这种现象,目前已报道的改善方法主要有:

（1经聚合物分散,如CHIT、全氟磺酸（Nafion、聚苯胺（PANI等;（2经自组装单层膜（SAMs分散;（3经与有机分子结合分散,如β⁃环糊精;（4经离子液体分散;

（5经表面活性剂分散;（6经DNA分子包覆分散等。

这些方法不仅可以很好地分散和稳定CNTs,还使其保持良好的生物相容性,能为酶等生物活性物质提供适宜的微环境,有利于固定酶和保持其生物活性。

Du课题组在这方面做了一系列工作。

他们利用不同的CNTs分散方法,如MWCNTs混合于CHIT与硅溶胶⁃凝胶（SiSG中[35];MWCNTs与CHIT构建复合网状结构[36];MWCNTs控制吸附至己硫醇（C6H13SH自组装单层[37];分散性良好且多孔的β⁃环糊精与MWCNTs复合[38];聚吡咯⁃聚苯胺共聚物包覆MWCNTs[39]等,构建了一系列基于AChE的电化学酶生物传感器,用于有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂的检测。

离子液体（ILs有良好的导电性和较宽的电化学窗口,常被用作电解质和电极材料,而且对CNTs有很好的分散性。

Zamfir等[40]利用MWCNTs与离子液体1⁃丁基⁃3⁃甲基咪唑四氟硼酸盐构成的凝胶修饰碳糊电极,构建AChE传感器用以检测毒死蜱（CPF。

凝胶层有效促进电子传导和催化硫代胆碱氧化,降低氧化电势,避免了酶流失和离子液体对酶的影响。

其对CPF的检出限可达4nM;用双复磷（obidoxime可再活化酶,使修饰电极表现出良好的稳定性和重现性。

聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA是一种水溶性阳离子聚合物电解质,可改变CNTs的疏水性而不破坏其特殊结构,可用于分散CNTs。

Liu等[41]用PDDA作联接剂,通过自组装,层层交替堆积AChE和PDDA于CNTs上,制备了PDDA/AChE/PDDA/CNTs/GCE修饰电极,用以检测对氧磷,经6min抑制后检出限即可达0.4pM。

同样地,Firdoz等[42]将SWCNTs分散于PDDA中,通过选择合适的pH值,将AChE与PDDA通过静电结合,层层组装形成[AChE/（PDDA⁃SWCNTs]n/GCE修饰电极。

研究发现,n为5时,检测西维因显示较高的选择性、良好的稳定性和灵敏度,检出限可达10-12g·L-1。

Viswanathan等[43]先以单链DNA（ssDNA分子包覆在SWCNTs上,再将其自组装到金电极上,然后将苯胺和AChE分别经电化学聚合并固定其上,得到AChE/PANI/ssDNA⁃SWCNT/Au修饰电极,用以检测甲基对硫磷和毒死蜱,检出限可达1.0pM。

其中以ssDNA包覆的SWCNTs分散性良好,增强了催化能力,而聚苯胺作为重要的导电膜,具有良好的电化学行为,可以放大电信号,消除电极污染[44]。

为充分利用AuNPs和CNTs,Jha等[45]（图2和Du等[46]将AuNPs作用于MWCNTs表面,构建AChE传感器以检测对氧磷和马拉硫磷,得到极低的检出限,分别为25nM和0.6ng·ml-1。

另外,Qu等[47]基于层层自组装技术分别将CNTs、树枝状聚酰胺（PAMAM⁃AuNPs纳米复合物、AChE修饰于GCE表面,有效检测了呋喃丹,检出限达4.0nM。

图2　AuNPs⁃MWCNTs材料的透射电镜（TEM图,插图:

AuNPs⁃MWCNTs的高分辨透射电镜（HRTEM图[45]Fig.2　TEMimageofAuNPs⁃MWCNTsnanocomposite.Inset:

HRTEMimageofAuNPs⁃MWNTsnanocomposite[45]金属（尤其是过渡金属酞菁配合物（MPc因其特有的结构、稳定的物理化学性质和优异的电催化活性而受到关注[48,49]。

Ivanov等[20]研究了一种简单实用的AChE酶传感器,将SWCNTs和Co⁃酞菁经一步沉积到丝网印刷电极（SPE上,再将AChE经碳二亚胺键结合到SWCNTs,用于检测对氧磷和马拉氧磷,检出限分别为3ppb和2ppb。

基于酶的生物传感器一直在被不断地深入研究并改进。

Lin等[50]将AChE和CHOx结合,固定CNTs并修饰于SPE上以检测甲基对硫磷。

但AChE或AChE/CHOx的酶传感器选择性较差,不能区分有机磷与氨基甲酸酯两类杀虫剂。

而基于有机

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磷水解酶（OPH的酶传感器则具有较好的选择性,可用以直接检测有机磷杀虫剂。

OPH酶传感器的检测机理是基于OPH催化有机磷化合物水解产生硝基苯酚,而硝基苯酚是电化学活性物质,氧化产生电流信号,通过检测硝基苯酚的氧化电流可检测有机磷杀虫剂的浓度。

Deo等[51]将化学气相沉积合成的CNTs与OPH结合用以检测甲基对硫磷,检出限达1.0nM。

Choi等[52]将三种离子液体

（BMIMBF4,BMIMPF6,BMIMNTF2分别与MWCNTs混合成凝胶,并分别修饰于Au电极,再将OPH固定其上,比较了三种修饰电极检测对氧磷的性能。

研究发现,以BMIMPF6修饰的电极响应最灵敏,以BMIMNTF2修饰的电极电子传导率最高。

除了金属纳米粒子和CNTs,基于其他纳米材料的AChE电化学酶传感器也有报道,如表面覆载AuNPs的Si纳米线[19],片状纳米石墨[53],氧化硅介孔泡沫材料（MSF[54],CdS和石墨烯纳米复合材料[55]等。

其中MSF具有大比表面积和强吸附能力,不仅可以富集检测物,还可以为酶固定提供位点,稳定酶活性并促进酶催化。

而石墨烯作为近来的“明星”材料,也是一种固定生物酶分子的良好基体。

如上所述,AChE酶传感器对有机磷类和氨基甲酸酯类化合物的检测是基于其对AChE活性的抑制,因此这类化合物中即使一些非电化学活性的物质也可得以检测,从而扩大了分析物的检测范围,但是从另一方面也反映了该类传感器缺乏选择性。

此外,虽然基于酶的生物传感器具有较高的灵敏度,但仍存在种种缺陷,如物理和化学稳定性差,易受pH值、温度、工作电势的影响;对存储条件要求较高,寿命短;易受环境中其他物质的干扰等,难以应用于具有复杂环境的实际检测中。

为此,研究人员也在致力于研究基于纳米材料的非酶传感器。

2.2　基于纳米材料非酶电化学传感器的检测

为了克服酶传感器的缺陷,结合纳米材料的大比表面积、强吸附性、电催化活性,以纳米材料非酶电化学传感器来检测有机磷类和氨基甲酸酯类杀虫剂同样具有较好的效果。

2.2.1　基于金属纳米粒子非酶电化学传感器

有机磷杀虫剂中甲基对硫磷和对硫磷含有硝基⁃苯基,在电极表面具有优良的电化学活性。

但因其为有机大分子,电化学反应产物易于吸附在电极表面,导致电极污染,影响检测性能。

通过合理的选择修饰物,可以同时达到改善电极污染、分散与稳定金属纳米粒子和萃取目标分析物的效果。

诸如AuNPs和AgNPs与Nafion[56,57]或表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS[58]结合,并修饰于GCE表面,可以检测甲基对硫磷（图3和对硫磷。

Gong等[18]将PtNPs修饰于Ni/Al层状双氢氧化物（LDHs的夹层中,构建了Pt⁃LDHs/GCE修饰电极,通过溶出伏安法来检测甲基对硫磷,检出限可达0.6ng·ml-1。

近年来,分子印迹技术已成为一种获得人工受体的有力手段,有望代替生物受体。

基于其空腔的形状、大小及官能团等,由聚合物材料制备的分子印迹模板可以特异性结合目标分子,使其成为检测有机微污染物的有力工具,大大提高了传感器的选择性和灵敏度。

通过修饰金属纳米粒子,可增大电极表面积,从而增加印迹位点,进一步提高灵敏度。

Xie等[59]通过表面分子自组装和分子印迹两种技术,用AuNPs装载分子印迹聚合物修饰到GCE上,用于检测毒死蜱,显著提高了分析性能。

2.2.2　基于金属氧化物纳米