碳纳米管在生物传感器中的应用

碳纳米管在生物传感器中的应用碳纳米管是一种径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上封闭的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成层到数层的同轴管。碳纳米管分为：单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和直立碳纳米管。碳纳米由于其独特的结构而显示出独特的物理化学性质，比如：大的比表面积、传导率高、化学稳定性好、机械强度高、生物兼容性好、具有良好的电子传递能力等。由于这些独特的特点使得碳纳米管在生物传感器中具有广泛的应用。下面就其在生物传感器中的应用做一个简单的叙述。1、多壁碳纳米管在生物传感器中的应用多壁碳纳米管（Multi-wallednanotubes,MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。由于多壁碳纳米管大的比表面积、传导率高、化学稳定性好、机械强度高、生物兼容性好、具有良好的电子传递能力，被广泛的应用于生物传感器领域中。秦霞[2]等人利用层层自组装的方法在铂电极上组装了8层聚苯烯胺/聚磺化乙烯，然后再修饰上高分子聚合物聚二烯基甲基氯化铵和胆碱氧化酶，制备了基于多壁碳纳米管的胆碱生物传感器，该传感器对对胆碱的线性响应范围为5×10-7～1×10-4mol／L；灵敏度为12．53μA／mmol；响应时间为7．60s；检出限为2×10-7mol／L(S／N=3)。传感器的抗干扰能力强，稳定性好。邱健丁[3]等人利用多壁碳纳米管合成多壁碳纳米管/纳米金/羧基二茂铁纳米复合材料，以壳聚糖为固定基质，制备了新型葡萄糖生物传感器。该传感器具有灵敏度高、响应快、性能稳定等特点，对葡萄糖的响应线性范围为0.01~2.5mmol/L检出限为3.6μmol/L。王路[5]等人利用甲苯胺蓝、多壁碳纳米管、壳聚糖和葡萄糖氧化酶制备了一种新型的葡萄糖生物传感器，该传感器对葡萄糖的线性响应范围为5．0×10-6～2．0×10-2mol／L，线性相关系数为0.996，检测限为1×10-6，响应时间为3.2s，并具有抗尿酸、抗坏血酸等干扰的特点。我觉得多壁碳纳米管由于具有良好的生物兼容性和传递电子的能力，可能今后更多的用途是和一些电子媒介体、纳米材料、DNA、核酸等生物活性物质连用来增强被测物的电化学信号，从而来构建新型的生物传感器。该类生物传感器的研究可能会吸引更多人的兴趣。2、直立碳纳米管在生物传感器中的应用直立碳纳米管作为一种新型的碳纳米材料，其生长密度大，相互之间分离性能好，其表面较大的原子比率使得体系的电子结构明显地改变，变现出特殊的电子效应和表面效应。因此，可以把直立碳纳米管应用到生物传感器中，和纳米材料相结合，增加生物分子（比如：葡萄糖、蛋白质）的电化学信号，为研究生物分子的研究提供了一种新的方法。赵琨[1]等人就将铂纳米颗粒修饰在碳纳米管电极上制的了葡萄糖生物传感器，该葡萄糖生物传感器对葡萄糖的氧化表现出良好的响应，线性范围为为1×10-5～7×10-3moL／L，响应时间小于5s，并且有很好的重现性。3、单壁碳纳米管在生物传感器中的应用单壁碳纳米管（Single-wallednanotubes,SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenestubes)。单壁碳纳米管和多壁碳纳米管一样，具有良好的生物兼容性和传递电子能力，被广泛应用于生物传感器中。严楠[4]等人利用碳纳米管构建了DNA-碳纳米管复合物的HRP修饰电极制的了过氧化氢传感器，该传感器使得HRP在电极上的活性大大增强，在很短的时间（5s）内对过氧化氢有很好的响应，其检测线为2.0mol/L，检测范围为10.0μmol/L~10.2mmol/L。陈文静[6]等人以nafion-聚中性红修饰电极为基底，自组装多壁碳纳米管和壳聚糖之后，再固定上葡萄糖氧化酶制成了葡萄糖生物传感器。该传感器在30℃的PBS(pH7．0)中对葡萄糖的线性响应范围为5．0×10-6～2．0×10-3mol／L，线性相关系数为0．9948，检出限为1．0×10-6mol／L，达到95％稳态电流所用的时间10s。单壁碳纳米管还可以和导电聚合物形成复合膜，以增加被测物质的电化学信号而构建新型的生物传感器。袁若[7]等人用碳纳米管和硫堇合成复合膜来修饰金电极来制备过氧化氢生物传感器。该传感器具有线性范围宽、检测限低、灵敏度高、稳定性好喝抗干扰能力强等特点。其线性范围为7．0×10-7～4．0×10-3mol／L：检出限为2．3×10-7mol／L；灵敏度为0．13A／(molL-1cm)；达到稳定电流所用时间9s。我觉得单壁碳纳米管的研究方向将会和多壁碳纳米管一样朝着构建复合膜以及和纳米材料、电聚合物质、ＤＮＡ、核酸等物质连用的的方向发展，但可能多壁碳纳米管在这方面的应用会比单壁碳纳米管多。不过，单壁碳纳米管也会是个很热门的研究领域。3、小结碳纳米管之所以被广泛地应用在生物传感器中是因为它具有一些特殊的性质，比如：可以降低化学物质氧化还原反应的过电位、改善生物分子氧化还原可逆性、其大比表面积有利于酶的固定化、还能促进酶活性中心与电极表面的电子传递、碳纳米管的这些特性对于提高生物检测的灵敏度和稳定性；除此之外，由于多壁碳纳米管的两端是由五元环和七元环组成的，五元环和七元环不稳定，因此可以断开而露出一些集团如-COOH、-OH等集团。有了这些基团，碳纳米管就很容易连接上其他啊的物质，从而为生物传感器的构造提供的研究方法和方向。当然，碳纳米管也存在一些不足，比如：碳纳米管在合成的过程中需要纯化、表面存在一些缺陷等。因此，纯碳纳米管的合成比较复杂。