柔性自支撐碳基復合電極在過氧化氫的電化學傳感中的應用

林 濤， 王韜群， 肖 菲*

(華中科技大學化學與化工學院，湖北武漢 430074)

1 前言

癌癥是全球居第二位的最常見致死因素，對全球醫療保健構成了重大的挑戰，因此，癌癥的早期診斷對癌癥患者的治療效果具有重要意義[1]。癌癥檢測的途徑之一就是通過對生物體內的癌癥標志物進行檢測，癌癥標志物是腫瘤細胞在癌癥發展和生長過程中已經生成或正在產生的物質[2]，這些生物標志物可能是與癌細胞相關的細胞表面糖蛋白或癌細胞分泌的蛋白質、碳水化合物以及核酸[3]。H2O2被認為是癌細胞中最豐富、最穩定的非自由基活性氧[4]。已經有證據表明，癌細胞通常具有高水平的H2O2，而細胞中H2O2的增加與癌癥的幾種關鍵改變有關，包括DNA損傷、細胞增殖、凋亡抗性和轉移[5]。因此通過準確高靈敏檢測H2O2，監測其在體內濃度，并了解相關的生物學效應，這對于癌癥的早期預防和臨床治療具有重要意義。

目前檢測H2O2的方法主要有化學發光法[6]、熒光法[7]、比色法[8]和電化學方法[9]等。在這些方法中，電化學傳感技術因其操作簡便，響應速度快，檢測限低和靈敏度高而備受關注[10]。構建電化學生物傳感器的關鍵在于構建靈敏度高，檢測限低，安全可靠和穩定的電極。Adams于1958年引入碳基電極[11]，碳或碳基材料的使用具有許多優點，包括易于制備、催化劑分布均勻、重現性好、高的穩定性和低的電阻[12]。然而，早期的碳基生物傳感器缺乏表面結構的改進，對生物分子響應檢測的靈敏度和檢測限有限。研究表明，在生物傳感器構造過程中使用尺寸確定的納米材料，以及引入納米粒子可以有效提高生物傳感器的靈敏度和降低檢出限[13]。碳納米材料因其結構的多樣性而具有獨特的電子、磁學和光學等特性，加之穩健的化學性質、易于操作的特性和良好的生物相容性，在傳感器的應用中極具吸引力[14]。同時，為了進一步改善電化學生物傳感器的性能，越來越多的金屬及金屬化合物復合碳基納米材料也被應用于H2O2電化學傳感器[15]。本文綜述了近年來柔性自支撐碳基電極在H2O2電化學生物傳感器的研究進展，并總結和展望了當前的挑戰和未來機遇。

2 一維碳基柔性自支撐電極

2.1 碳纖維

碳纖維(Carbon Fiber,CF)具有高機械強度、高彈性模量、良好的韌性、導電性好、比表面積大和穩定性高等特點，常被用作柔性電極基底材料。碳纖維直徑為5～10 μm，從而為微電極的構建提供了應用可能性。

2.1.1 貴金屬與碳纖維復合由于貴金屬納米粒子通常具有較高的電導率和電催化活性，通過在碳纖維表面負載一定量的貴金屬納米粒子可以有效提高碳纖維對H2O2的電化學傳感性能。Chen等[16]基于電化學刻蝕技術和電沉積Pt納米粒子，構建了一種碳纖維尖端表面修飾有Pt納米粒子的碳纖維微電極。因該電極高的靈敏度和良好的重現性，可實現對人膠質母細胞瘤細胞U87中釋放的H2O2進行快速檢測，為活細胞中H2O2的實時電化學監測提供了一種簡便的方法。Wang等[17]設計了Pt納米粒子修飾的、沉積了間苯二胺和萘酚作為介電層的碳纖維微電極，介電層可以排除陰陽離子、抗壞血酸和多巴胺的干擾，基于此電極的H2O2傳感器顯示出極高的靈敏度。由于碳纖維表面積有限，因此設計合理的分級結構，例如構建管狀中空結構可以擴展碳纖維的表面積，實現更多活性材料的負載，創造更多的活性位點，提高電催化效率[18]。Zhang等[19]開發了一種新穎的包裹有金納米顆粒的氮摻雜碳納米管陣列修飾的碳纖維柔性復合電極(圖1)，該電極表現出優異的H2O2電催化活性，通過該傳感平臺測定了化療和放療前后兩種乳腺癌細胞MCF-7和MDA-MB-231的H2O2釋放量，評估了不同癌細胞對化療和放療的敏感性。

圖1 CF@NCNTAs-GNPs納米復合材料的制備過程示意圖[19]Fig.1 Schematic illustration of the fabrication procedure of CF@NCNTAs-GNPs nanocomposite[19]

碳納米微球具有更高的比表面積，Zhang等[20]在先前的工作中，引入聚葡萄糖碳納米微球，通過模板法在碳纖維上構建了珊瑚狀納米球包裹的空心碳管陣列，并進一步負載Pt納米顆粒，這種復合碳纖維電極對檢測H2O2表現出優良的傳感性能，檢出限低至50 nmol/L。通過將該復合電極分別對人的正常乳腺細胞(HBL-100)、MDA-MB-231和MCF-7釋放的H2O2原位實時跟蹤，證明了乳腺癌細胞H2O2釋放量高于正常乳腺細胞。該電極可用作區分不同類型人類乳腺癌細胞的靈敏探針。在碳纖維表面引入納米陣列作為載體有助于更多的活性金屬納米顆粒的負載，Yuan等[21]報道了一種二維VS2@VC@NC-Pd納米顆粒分層核殼結構組裝的復合柔性碳纖維電極。由于玫瑰花狀VS2結構為Pd納米顆粒提供了豐富的負載位點，該微電極對H2O2表現出良好的電化學傳感性能，靈敏度高達152.7 μA/(mmol/L·cm2)，同時具有良好的重現性和抗干擾能力，可以檢測原發性乳腺癌臨床組織釋放的H2O2。

2.1.2 雙金屬/合金納米粒子與碳纖維復合與單金屬催化劑相比，雙金屬/合金納米粒子具有獨特的磁學、光學和催化性能，表現出比單一催化劑更高的催化活性[22,23]。Yang等[24]利用靜電相互作用使Au、Pd前驅體進行自組裝，然后使用煙酰胺作為還原劑在碳纖維上直接將Au、Pd前驅體還原為金屬顆粒，得到Au-Pd合金納米顆粒修飾的碳纖維電極(圖2A)，可用于酸性溶液中H2O2還原。Li等[25]采用一步電沉積法將Pt-Pd納米顆粒修飾到碳纖維上，該微電極對H2O2具有較高的電催化活性，并成功應用于A549活細胞釋放的H2O2的定量檢測。為了使更多的金屬納米粒子負載在碳纖維上，Wang等[26]使用離子液體作為電解質，在活化碳纖維表面電沉積氧化石墨烯(GO)納米片，制備3D多孔石墨烯骨架包裹的碳纖維，該材料被高度致密且分散良好的Pt-Au合金納米花進一步修飾，制得分層的復合微電極，并實時跟蹤了女性癌細胞分泌的H2O2(圖2B)。Xu等[27]利用離子液體將石墨烯量子點(GQDs)引入到碳纖維表面，構建出Au-Pd合金納米顆粒修飾的GQDs組件包覆的碳纖維微電極，并成功應用于人乳腺癌細胞和組織中H2O2的靈敏檢測。Gowthaman等[28]采用電化學沉積的方法在碳纖維表面電沉積Au-Ag納米顆粒，可靈敏測定人尿液和血清中的H2O2(圖2C)，靈敏度高達3 523.14 μA/(mmol/L·cm2)。

圖2 (A)煙草提取物的制備和Au-Pd/CFC電極的形成機理示意圖[24]。(B)PtAu/IL-ERGO/ACF微電極制備及近癌細胞檢測(a)示意圖，電極的SEM和TEM(b～d)圖[26]。(C)監測人類尿液樣品中的H2O2示意圖[28]。Fig.2 (A)Schematic diagram of preparation progress of tobacco extract and formation mechanism of Au-Pd/CFC with high stability[24].(B)Fabrication process of the PtAu/IL-ERGO/ACF and near-cell cancer detection(a),SEM and TEM images(b -d) of electrode[26].(C)monitoring H2O2 in human urine sample[28].

2.1.3 金屬化合物與碳纖維復合雖然貴金屬納米粒子具有優異的電催化活性，但是成本過高限制了其大規模應用。因此，如何減少貴金屬納米粒子的使用，或者尋找可以替代的電催化活性材料，從而使電極具有類似的催化活性，成為了研究人員的關注點。普魯士藍(PB)及其類似物具有穩定性好、電催化活性好、成本低、易于批量生產等特點，已經被廣泛用作電化學傳感器的電催化劑。普魯士藍及其類似物和許多聚合物涂層相結合表現出增強的電催化活性和抗干擾能力。Pauliukaite等[29]用六氰基鐵酸釕混合薄膜修飾碳纖維，構建了一種可靠、穩定的H2O2傳感器，該傳感器的不間斷工作壽命已證明至少為12 h，并有三個月以上的干存儲穩定性。Salazar等[30]報道了一種普魯士藍與聚鄰苯二胺共同修飾的碳纖維電極用于H2O2的靈敏檢測，其中電合成的聚鄰苯二胺可以提高傳感器的穩定性和選擇性。錳具有多種氧化態，錳氧化物被認為是良好的電活性物種，其中MnO2和Mn2O3是最常見的錳氧化物，已被廣泛研究[31 - 33]。Xu等[34]首次報道了使用水熱法在柔性碳纖維布上生長新型MnOOH納米棒陣列，這種復合微電極被用于H2O2檢測，所制備的柔性纖維電極具有良好的穩定性和抗彎折性，并被用于牙膏和牛奶中H2O2的檢測。Abdurhman等[35]將采用原位電化學法制備的、具有分層納米結構的Au/MnO2/石墨烯修飾的碳纖維電極用于H2O2傳感，并用于實時跟蹤人類宮頸癌細胞(HeLa)和HBL-100細胞中H2O2的分泌。

金屬有機骨架(MOFs)化合物是一類比表面積高的多孔金屬有機化合物[36]。其中，卟啉/金屬卟啉的MOFs具有獨特的催化和電化學性質[37,38]。Gao等[39]使用Al-TCPP-Co對碳纖維布進行涂覆，所制備的復合電極展現出良好的界面性能和優異的H2O2電化學傳感性能。過渡金屬氮摻雜碳具有良好的導電性、高的結構穩定性和均勻分散的活性中心[40]。Long等[41]通過雙氰胺輔助熱解法，在碳布上合成了由葉狀碳片陣列和互連的碳納米管組成的自支撐層狀Co嵌入的氮摻雜碳結構，該微電極表現出優異的H2O2電化學傳感性能，并成功原位實時檢測了MDA-MB-231細胞和Hela細胞釋放的H2O2，該自支撐電極在癌癥診斷、環境監測和食品分析等方面具有很大的潛力。

2.2 石墨烯纖維

石墨烯纖維(Graphene Fiber，GF)具有重量輕、易塑形、導電性好，易于功能化等特點[42]，同時具有較大的表面積，豐富的活性位點，多孔性和良好的生物相容性，在電化學傳感器領域也引起了極大的研究興趣，它可以促進電極與電解質的接觸并促進電子的轉移，以及支持功能性納米材料的高負載，并已用于多巴胺[43]、腎上腺素[44]和葡萄糖[45]的電化學檢測，在H2O2傳感方面展現出廣闊的前景。

Peng等[46]開發了一種新型的石墨烯纖維電極，通過電化學沉積制備的石墨烯/金納米片復合纖維可用于檢測H2O2和葡萄糖。這種柔性石墨烯纖維傳感器表現出對H2O2優異的電化學檢測性能，并使用人角膜上皮細胞生長實驗，證明了復合纖維具有低的細胞毒性和良好的生物相容性。CuO是一種具有窄帶隙的過渡金屬氧化物，各種形態的納米結構已被用于構建電化學傳感器[47]。Zeng等[48]使用納米銅基MOFs化合物(HKUST-1)直接退火，制備超細CuxO納米粒子修飾的石墨烯纖維，并將其用作H2O2傳感電極，該傳感電極表現出對H2O2顯著的靈敏度和選擇性，并被用于牛奶、人血清等實際樣品。通過在石墨烯纖維表面構建分層花狀結構，可以提高其表面積，為更多活性物質提供附著點?；诖?，Zhao等[49]設計和制備了一種Au納米粒子包裹的花狀MnO2納米線雙納米酶修飾的功能化石墨烯纖維，并探索了該電極對MCF-7、MDA-MB-231以及HBL-100細胞釋放的H2O2的分析性能，證明了其優異的H2O2的電化學傳感性能，為電化學傳感系統中高性能納米結構微電極的研制提供了新的策略(圖3)。

圖3 用于活細胞檢測的MnO2-NWS@Au-NPs/GF微電極制作工藝示意圖[49]Fig.3 Schematic diagram of the fabrication procedure of MnO2-NWs@Au-NPs/CF miroelectrode for live cells detection[49]

3 二維碳基柔性自支撐電極

自支撐石墨烯紙(Graphene Paper,GP)具有重量輕、高柔性、高導電性等特點，其優異的熱穩定性、機械強度、結構均勻性、導電性、生物相容性以及在電化學環境中的穩定性，在柔性電子器件、傳感器、生物醫學等方面成為非常有潛力的材料[50 - 53]。

3.1 貴金屬及其合金與石墨烯紙復合

為了錨定在石墨烯襯底上，納米晶體可以在石墨烯存在下原位合成，或從其膠體分散體吸附在石墨烯上[54]。Xiao等[55]報道通過結構化二維Au納米粒子組裝膜與由界面組裝工藝制備的石墨烯紙來制備高性能柔性電極，采用該方法制備了Au-還原氧化石墨烯(rGO)紙柔性復合電極。該電極對檢測H2O2表現出優異的電化學性能。為了增加石墨烯紙的表面積，錨定更多的電催化金屬納米顆粒，Sun等[56]制備了高密度Pt納米顆粒修飾的自支撐石墨烯-碳納米管復合紙電極，該電極具有較大的電化學活性表面積，優異的電催化活性和柔韌性，對H2O2的檢出限低至10 nmol/L，可用于實時跟蹤活細胞巨噬細胞分泌的H2O2，展示了其在體內和體外臨床診斷中的應用前景。此外，通過在rGO紙上依次生長MnO2納米線網狀結構，以及Pt納米粒子得到Pt-MnO2/rGO三組分柔性電極，用于構建生物傳感器平臺也被報道[57]。這種柔性復合電極展示出檢測H2O2的優異性能，已用于實時跟蹤檢測活細胞分泌H2O2。由于雙金屬納米粒子的優異電催化活性，Sun等[58]通過在離子液體功能化的石墨烯紙上超聲電沉積Pt-Pd合金納米粒子，制備出一種新型的自支撐柔性多功能納米復合紙電極，并探索了其在傳感系統中的應用。這種柔性自支撐的納米復合紙電極能夠實時檢測巨噬細胞分泌H2O2。這些特點表明它作為一種多功能的納米雜化電極材料，在柔性和輕量化的生物傳感系統，如可穿戴/植入式檢測器和活體微型生物傳感器中具有廣闊的應用前景。

3.2 金屬化合物與石墨烯紙復合

Dong等[59]報道了通過一步法電化學合成新型MnO2納米線-石墨烯納米復合紙電極的方法，該方法制備的柔性紙電極可用于非酶法檢測H2O2，對H2O2的氧化還原表現出很高的電催化活性，具有良好的穩定性、選擇性和重現性，能夠用于實時跟蹤檢測巨噬細胞分泌的H2O2。Kranan等[60]報道了一種柔性自支撐的Cat-Fe3O4/rGO復合紙，結果表明這種紙電極檢測H2O2具有線性范圍寬、靈敏度高、檢測限低等特點。為了提高所得石墨烯紙的比表面積和親水性，Zhang等[61]等以3D金納米花修飾的親水性離子液體1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽功能化石墨烯為漿料打印納米雜化紙電極，并通過實時跟蹤檢測活細胞釋放的H2O2，探索了其在活體乳腺癌細胞樣品電化學傳感中的應用。該傳感器可以用于區分正常乳腺細胞和腫瘤細胞，評價放射治療對不同乳腺癌細胞的效果。Zhu等[62]通過合成水溶性普魯士藍納米粒子與還原氧化石墨烯納米片形成穩定的雜化納米片水溶液，并用以制備成石墨烯紙電極，構建的柔性電化學生物傳感器對H2O2表現出高性能的電催化作用。

4 三維碳基柔性自支撐電極

4.1 石墨烯泡沫

三維石墨烯泡沫(3D Graphene Foam，3DGF)是石墨烯片相互連接的多孔網絡結構，由于其較大的表面積和優異的電、機械和熱性能，廣泛應用于電子、能量存儲、化學和生物傳感器等多個領域[63 - 65]。3DGF可以用作構建基于石墨烯的復合材料的模板，與其他納米材料(例如貴金屬納米顆粒和金屬氧化物)的復合材料可以用作良好的電化學傳感平臺。Cao等[66]使用三維石墨烯網絡(3DGNs)作為電活性材料的支撐模板，通過電沉積成功制備多壁碳納米管與3DGNs復合材料、Pt納米顆粒與3DGNs復合材料，以及MnO2納米墻與3DGNs三種復合材料。這三種基于3DGNs的復合電極可實現H2O2的高效檢測。Wang等[67]制備了Au納米顆粒修飾石墨烯/泡沫鎳復合材料，報道的這種復合材料可用作構建H2O2電化學傳感器。在鉑基雙金屬納米催化劑中，Pt-Ru納米催化劑表現出對H2O2優越的活性[68]?；诖?，Kung等[69]將三維石墨烯泡沫和Pt-Ru雙金屬納米粒子復合，該復合材料對H2O2電化學氧化表現出優異的性能，具有高的靈敏度(1 023.1 μA/(mmol/L·cm2))和低的檢測限。由于非貴金屬催化劑具有催化活性高、穩定性好等優點，被認為可能成為H2O2傳感器的貴金屬替代品。Si等[70]合成了一種新型的納米網狀Mn3O4/3DGF復合材料，用于開發高靈敏度、無酶型葡萄糖和H2O2傳感器，該生物傳感器對H2O2電化學檢測具有高靈敏度和低檢測限。Cheng等[71]通過水熱法和過濾法分別合成了二維和三維自支撐還原氧化石墨烯負載的Cu2O復合材料，結果表明兩種復合材料不僅具有優異的機械柔韌性，同時對H2O2的還原均有很高的電催化活性，可用于實時檢測人血清中的H2O2。

4.2 碳泡沫

碳泡沫具有開放的孔道結構，其中的孔道相互連通，可以引入其他材料以增強其功能，因此這種多孔結構引起了廣泛關注[72]。碳泡沫可由商品化的聚合物泡沫直接碳化得到，具有優異的彈性、高孔隙率、高比表面積、良好導電性等特點，可以用作柔性電極[73]。作為一種三維自支撐碳材料，碳泡沫復合材料在超級電容器[74]、氣體傳感[75]、非酶葡萄糖傳感[76]等領域都有應用。Liu等[77]首次報道了在3D氮摻雜碳泡沫上負載Co3O4納米線，用作檢測H2O2的電化學傳感器，其對H2O2的檢測限低至1.4 μmol/L。該研究表明碳泡沫負載金屬氧化物納米材料是一類很有前途的H2O2電化學分析電極材料。He等[78]開發了一種由MnO2納米片/碳泡沫組合的復合納米材料，得益于MnO2納米薄片的3D分層多孔結構，該電極對H2O2的檢測響應快速。

4.3 石墨烯氣凝膠

石墨烯氣凝膠(Graphene Aerogel，GA)是由石墨烯納米片交聯而成的三維納米結構材料，具有活性表面積大、電導率高、物質擴散不受阻礙等優點，在電化學傳感器領域具有巨大的應用潛力[79]?；瘜W摻雜外源原子(如氮原子)是改變組裝石墨烯的電子性質和表面化學的有效策略，可以改善石墨烯的物理化學特性，特別是電化學性能[80]。Cai等[81]通過引入多巴胺制備了一種簡單、無模板、低成本的3D氮摻雜石墨烯氣凝膠(3D -NGA)，可將它直接作為工作電極實現H2O2的非酶電化學檢測。因為3D -NGA電極具有優異的催化性能和較低的成本，因此在H2O2電化學傳感方面顯示出巨大的應用潛力(圖4)。Liu等[82]在溫和條件下制備了石墨烯/金納米粒子復合氣凝膠，該氣凝膠也可直接作為柔性自支撐電極用于對H2O2的檢測。

圖4 3D -NGA的制備和電催化過程示意圖[82]Fig.4 Schematic illustration of the preparation of and electrocatalysis process of the 3D-NGA[82]

5 總結與展望

本文從碳基電極的不同宏觀維度出發，系統地介紹了一維、二維和三維柔性自支撐碳基電極在H2O2電化學傳感方面的研究進展。得益于貴金屬及其合金、金屬化合物等納米材料的飛速發展，它們與柔性碳基電極的結合賦予了柔性碳基自支撐電極優異的電催化活性、高效的電子傳輸能力和良好的生物相容性，在制備柔性、微型化和便攜式的傳感器件方面具有廣闊的應用前景。但是即便如此，柔性自支撐碳基復合電極的研發和應用仍然面臨一定的挑戰，如電極材料的大規模制備、多功能化、綠色合成、降低成本以及在生物醫學中的創新應用等。隨著研究的不斷深入和技術突破，基于柔性碳基復合材料構建的新一代電化學生物傳感器將會得到更好的發展和更廣闊的應用。