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1、第41卷分析化学(FENXIHUAXUE)摇特约来稿第2期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇2013年2月ChineseJournalofAnalyticalChemistry174~180DOI:10.3724/SP.J.1096.2013.20747基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展12*2高原摇李艳摇苏星光12(电子科学与工程学院集成光电子国家重点实验室,吉林大学化学学院,长春130012)摘摇要摇近年来,随着石墨烯研究热潮的兴起,将石墨烯用于生物及化学检测的工作也日益增多。本文
2、着重介绍了基于石墨烯及氧化石墨烯(GO)的光学生物传感器,特别是基于石墨烯的荧光共振能量转移(FRET)传感器以及比色法传感器的设计思想和传感特性。关键词摇石墨烯;氧化石墨烯;生物传感器;荧光共振能量转移;评述1摇引摇言[1]石墨烯是一种由纯碳原子的六元环平面结构构成的二维材料,是零维的富勒烯、一维的碳纳米管[2][3](CNTs)以及三维石墨结构的构筑基元。它具有非常大的理论比表面积、很高的杨氏模量、超高的光[4]学透过率、优良的导热性和导电性,并能够通过电子转移实现荧光猝灭。目前,人们已将基于石墨
3、烯[5][6][7]的材料广泛应用于诸多领域,如吸附剂、催化剂、药物载体等。石墨烯具有的奇特性质,使得其能[8][9][10,11][12]够满足高灵敏性传感器设计的需求,并已用于构建光学、电化学及场效应传感器、细胞标记及[13]实时监测等。本文介绍了基于石墨烯材料的光学生物传感器的研究进展,重点评述了基于石墨烯基的荧光共振能量转移(FRET)以及比色法传感器。2摇基于石墨烯的荧光共振能量转移传感器荧光共振能量转移(FRET)是能量由供体荧光团经无辐射途径转移给受体荧光团,并引起供体荧光猝灭和受体荧光
4、增强的光学现象,是测量活体及体外纳米尺度距离及变化的有效手段。近年来,人们致力于开发基于石墨烯材料的FRET传感器,将其用于生物及化学检测。FRET传感器主要由3部分构成:供体、受体(猝灭剂)及供受体之间的桥联媒介。在基于石墨烯的FRET传感器中,石墨烯及其衍生物既可以作为供体,又可作为受体。一方面,石墨烯由于其结构特点,能够同时猝灭发射波长或结构不同的多种荧光团的荧光,是一种通用的猝灭剂;另一方面,石墨烯及其衍生物经过一定的化学处理,可以产生荧光信号,可作为荧光供体。基于石墨烯的FRET生物传感器依
5、托于一些生物分子构建的桥联基,用于调节供体荧光团和受体之间的距离,从而引起荧光的变化。其中,DNA、蛋白质、多肽等生物分子均可以作为桥联基。2.1摇以石墨烯作为猝灭剂在报道的基于石墨烯材料的FRET传感器中,以石墨烯材料作为猝灭剂的居多。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的一种重要衍生物,是化学还原法制备石墨烯的前驱体,在石墨烯片层结构的边缘和表面带有多种含氧基团,如羧基、羟基、环氧基等。正是由于这些含氧基团的存在,使其较石墨烯具有更好的水溶性,可以应用于生物体系中。石墨烯及GO由于其大面积的共轭结构,可以作
6、为能量受体猝灭多种有机染料及量子点的荧光,是一种广适性的荧光猝灭剂。与传统的猝灭剂相比,石墨烯材料具有更高的猝灭[14~16]效率,使FRET传感器具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点。2.1.1摇基于DNA联接摇研究表明,石墨烯能区分多种DNA分子结构,包括ssDNA,dsDNA以及茎环[17,18]结构等。石墨烯及GO由于其结构特点,对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附能力。摇2012鄄07鄄17收稿;2012鄄09鄄30接受本文系国家自然科学基金(Nos.2127506,210750
7、50)资助项目*E鄄mail:suxg@jlu.edu.cn第2期高原等:基于石墨烯的光学生物传感器的研究进展摇1摇75DNA中的碱基包含六元环结构,石墨烯会与裸露的碱基发生强烈的仔鄄仔相互作用、疏水作用等,从而吸附DNA。但是石墨烯与不同分子结构的DNA的结合能力明显不同。对于相同碱基数量的单链DNA(ssDNA)和双链DNA(dsDNA),石墨烯能够稳定吸附ssDNA,而对dsDNA的吸附能力则较弱。其原因是由于DNA杂交后空间结构发生改变,磷酸盐骨架将碱基有效屏蔽在其中,使石墨烯无法与碱基接触,
8、从而造成结合能力的减弱。DNA一级结构的差异也会导致与石墨烯的结合能力不同,碱基数量越多的ssDNA与石墨烯材料的结合能力越强。正是基于石墨烯对不同结构的DNA的吸附能力有所区别,研究者们构建了一系列以DNA联接的石墨烯基FRET传感器。[17](1)利用DNA互补序列摇2009年,Lu等首次报道了基于石墨烯的FRET生物传感器。该传感器是由标记了羧基荧光素(FAM)的ssDNA与GO构成。在没有目标DNA时,FAM鄄ssDNA会吸附到GO表面,造成FA
