金属氧化物-石墨烯-碳纳米管纳米生物传感器的最新进展

摘要

纳米生物传感器是一种便捷、实用且灵敏的分析工具，能够检测化学和生物制剂，并通过固定在信号转换器表面的生物识别元件与生物活性分子之间的物理化学检测，将结果转化为有意义的数据。凭借快速、准确、可靠的操作特性，纳米生物传感器广泛应用于临床与非临床诊断、床旁检测、医用纺织工业、环境监测、食品安全等关键领域。因此，生物传感界面的设计直接决定了纳米生物传感器的性能。纳米材料独特的理化性质为生物传感器的新型改进型传感器件铺平了道路。对具有更强感应与选择能力、更短响应时间、更低检测限及更低成本的设备日益增长的需求，推动了纳米生物材料作为生物传感器支架的创新研究。在所有纳米材料中，基于金属氧化物纳米结构、石墨烯及其衍生物、碳纳米管，以及这些纳米材料混合结构的纳米生物传感器研究近来备受关注。通过组合这些纳米结构形成的纳米混合结构，凭借其高电催化活性，将直接满足未来生物传感器的需求。本综述系统阐述了这些纳米材料及其衍生物的最新发展及其作为生物传感器支架的应用，并通过对比研究、表格和图表对这些热门纳米材料进行了评价。

引言

生物传感器是一种诊断设备，能将生物分析物的信号转化为可测量、可区分的电信号，从而在可能与其他理化物质共存的情况下，对分析物进行定性和/或定量检测[1]。Clark等人[2]开发了首个已知的氧气检测生物传感器，Clark和Lyons[3]开发的首个安培酶电极则是基于酶的葡萄糖生物传感器。多年来，人们开发了基于酶、组织、脱氧核糖核酸（DNA）以及热学、光学、电化学等类型的生物传感器。在临床诊断、生物医药、食品生产与分析等某些应用中，生物传感器比传统方法提供更稳定、精确的结果[2, 4]。此外，凭借特异性、选择性、操作简便、实时分析、可连续使用及节约成本等特点，各类生物传感器在20世纪下半叶迅速发展，广泛应用于医疗、环境、法医等相关领域[5]。这些关键应用领域的密集使用，催生了对生物传感器性能的更高期待：高灵敏度、稳定性、高选择性、长寿命、可重复性、简易廉价、宽测量范围和快速响应时间[6]。

根据国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）定义，生物传感器包含三大核心组件：生物识别元件、转换器组件、以及常与转换器集成的电子系统。作为集成的受体-转换器器件，生物传感器利用生物识别元件提供选择性的定量或半定量分析信息[7]（图1）。在此框架下，核酸、酶、抗体、受体、微生物、细胞、组织甚至仿生结构均可作为生物受体用于生物检测。

生物传感器的设计对于在任何环境或位置下实现快速便捷的检测至关重要。在该设计中，转换器组件材料对检测质量有显著影响。物理转换器随可量化信号源差异显著，主要采用光学和电化学系统[5]。作为物理转换器的材料其理化、电子/光学/电化学特性直接影响生物传感器性能。此外，用于酶固定化的基质、介质和稳定剂决定了生物传感器的效率和效力。因此，物理转换器组件材料的性质在获得高信号稳定性、可重复性和选择性等特征中起关键作用。在上述三大组件中，本综述主要聚焦于利用纳米材料对转换器组件表面进行功能化的最新进展。

转换器主要分为电化学、生物发光、压电、热量计和光学四大类。转换器表面可通过多种功能材料修饰以提升传感器性能。控制这些材料的结构、形貌和性质也有助于此目的。在这些材料中，纳米尺度材料（即纳米材料）凭借其独特的尺寸依赖性性质——如大比表面积、改进的电导率、高化学反应性——展现出开发新型、自适应、高灵敏度生物传感器的巨大潜力，可拓展更广泛的应用领域[6]。

若材料在至少一个维度上的尺寸在1-100 nm之间，即可视为纳米材料[8]。因其微小尺寸，纳米材料中大部分原子位于表面或近表面。这些纳米颗粒（NPs）因获得增强的理化性质、更高比表面积、缩短的电子传输距离，与其块体对应物相比表现出显著差异。因此，这些纳米级材料的光学、热学、电学和磁学性能得到增强，成为生物传感器组件的高效选择。此外，纳米材料的高比表面积为电极表面提供了充足的生物受体固定化空间。因此，研究者近来对纳米材料在生物传感器应用中的制备、表征和利用表现出浓厚兴趣[9, 10]。

在所有纳米材料中，金属氧化物纳米结构（MONs）、石墨烯及其衍生物、碳纳米管（CNTs）因其独特特性脱颖而出[11, 12]。MONs因其卓越的形貌多样性、无毒性和良好生物相容性，展现出显著的催化性能，并为生物分子固定化提供合适结构。其晶格允许通过量子限域效应修饰晞格参数和电化学性质，且可通过改变表面性质控制带隙以影响导电性和化学反应性，使其极具作为生物传感元件的潜力，并与块体材料区分开来[12, 13]。此外，为进一步改善这些性能，MONs近来广泛与石墨烯、CNTs等碳纳米材料复合形成纳米混合结构，以提升检测和诊断的电化学反应性，满足生物传感器对灵敏度和选择性的未来需求[14]。

这些碳纳米材料与MONs的杂化，可生产具备一项或多项功能、拥有卓越光学、磁学和电学性能的先进生物传感器[14-16]。石墨烯及其衍生物易与其他纳米材料集成，形成纳米混合材料以获得所需电化学活性[13, 17, 18]。例如，在许多应用中，石墨烯被视为促进蛋白质氧化还原反应电子传递的有用工具[19]。然而，石墨烯在生物环境中的物理稳定性及其对细胞的毒性评估仍存争议[20-22]。另一方面，CNTs因其手性变化具有多变的光学特性，在光学生物传感应用中比石墨烯更具优势[23]。CNTs拥有卓越的电化学能力，易于化学修饰，并像石墨烯一样具有高表面积体积比[24]。就表面性质而言，石墨烯因其二维单层特性全体积暴露于环境中，而一维（1D）CNTs的暴露则受限[25]。此外，先前研究多次报告，石墨烯凭借无金属石墨化边缘的高比表面积，对干扰物质的选择性优于CNTs，主要归因于其卓越的生物分子感应和信噪比性能。不过，CNTs基生物传感器因残留金属催化剂存在信号扰动问题[25]。综上所述，石墨烯和/或CNTs结构形成的纳米混合物可能在先进生物传感器设计中发挥关键作用，通过复合结构弥补两材料劣势，可最大化检测性能。利用MONs、石墨烯和CNTs复合结构的协同效应，似乎不可或缺地能提供改进的信号放大和先进生物亲和策略，从而开发满足未来需求的改进型生物传感器件。因此，本综述聚焦于近期实现的基于MONs、石墨烯和CNTs的生物传感器，并探讨了这些纳米材料不仅单独使用，而且联合使用在生产具有优越性能的生物传感器中的关键作用。通过评估未来期望与挑战，我们旨在为后续研究提供另一视角。

金属氧化物纳米结构基生物传感器

自1954年最初的生物传感器研究以来，金属氧化物（MOs）一直是传感器应用的重要候选材料[26, 27]。MOs可合成多种纳米形貌：纳米颗粒（NPs）[28, 29]、纳米纤维[30]、纳米球（NSs）[31]、纳米棒[32]、纳米管和纳米线（NWs）[33]、纳米片[34, 35]。除形貌多样性外，MONs还具备高比表面积/体积比、无毒性、良好生物相容性、化学稳定性、优异选择性、电子和声子限制、高催化效率、强吸附能力、理化界面特性等优势[36-40]。此外，MONs可通过射频（RF）磁控溅射[41-43]、热蒸发[44, 45]、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）[46, 47]、分子束外延[48]、溶胶-凝胶法[49]、电化学沉积[50]、水热法[51]等相对简便、低成本的方法制备。这些显著特性使MONs成为生物医学应用和生物传感器市场最热门的材料之一。2010-2020年MONs相关文献分析见图2（饼图展示MONs在生物医学应用中的分布）。

近年来，ZnO、Fe₃O₄、CuO、NiO、TiO₂、MgO等各类MONs持续作为多功能生物传感器被生产[44, 52]。其中，ZnO和Fe₃O₄因应用广泛，被视为生物传感器构建的杰出代表[53, 54]。

ZnO纳米结构

ZnO纳米结构因其独特性质在新型纳米结构生物传感器制造中发挥广泛作用：高等电点（IEP ~ 9.5）[55]、宽禁带、有用的电子通讯特性、高化学稳定性、良好生物相容性和压电性。特别是其高等电点清楚解释了为何ZnO是生物传感技术中最常用的金属氧化物。此外，ZnO因环保安全，可用于所有临床或非临床应用[53, 54, 56]。例如，Akhtar等人[57]利用花状ZnO纳米结构开发了基于荧光增强机制的无试剂光学生物传感器，用于阿尔茨海默病和胰岛素依赖型II型糖尿病诊断中的淀粉样蛋白检测。ZnO纳米花被报道为提供更大比表面积的优良增强材料，实现了更快、更具成本效益的淀粉样蛋白生物传感器[57]。Zong和Zhu[54]通过水热法制备了基于ZnO纳米棒场效应晶体管（FET）的葡萄糖生物传感器，用于糖尿病患者的可穿戴连续葡萄糖监测。得益于ZnO纳米棒的大表面体积比，他们实现了1.6 mA/µM cm²的高灵敏度、180 µm²的微小感应面积和1 µM的检测限[54]。Sahyar等人[58]开发了掺银ZnO NPs生物传感器，用于肉类腐败的早期检测。利用黄嘌呤氧化酶（XO）修饰电极（纳米Ag-ZnO/聚吡咯（PPy）/铅笔石墨电极），他们获得的酶生物传感器表现出0.03 µA/mM的高选择性灵敏度和0.07 µM的低检测限[58]。

Yue等人[59]成功开发了基于Au NPs-ZnO纳米锥阵列/石墨烯泡沫电极的理想多巴胺（DA）生物传感器。表征证明，该修饰电极在检测DA时具有4.36 µA µM⁻¹的高灵敏度和0.04 µM（S/N=3）的低检测限。他们还报告该ZnO纳米锥基电极在尿酸（UA）干扰下表现出优异的选择性、良好的重现性和稳定性，强调其在医药卫生领域的巨大潜力[59]。同年，Qian等人利用ZnO NPs开发了电化学葡萄糖检测器。传感器由CeO₂纳米须装饰ZnO NPs组成，他们指出ZnO/CeO₂纳米复合结构具有广泛表面积、无毒性和高电催化活性。该纳米复合材料在检测葡萄糖方面表现卓越，线性范围0.5-300 µM，检测限（LOD）0.224 µM（40 ppb），电流信号强度与葡萄糖浓度呈优异线性关系（R²=0.99944）[60]。Rafiee等人[61]结合石墨烯纳米片（GNPs，高导电性和化学稳定性）和ZnO NWs（对葡萄糖敏感），开发了另一种葡萄糖生物传感器。他们在三种不同浓度（0.5、1、2 mg）的GNPs薄膜上合成ZnO NWs，分别定义为GNP1、GNP2、GNP3。系统显示ZnO NWs和GNPs的双重效应使高效葡萄糖生物传感器得到完美改进。例如，低葡萄糖浓度下，设备响应随溶液中石墨烯量增加而增强，响应时间随GNPs数量增加而缩短。此外，暴露于30 mg/dL葡萄糖30天后，GNPs修饰样品观察到长期稳定性（电阻-浓度关系一致），这是理想生物传感器的重要标准。最终，他们展示了一个响应时间5秒、检测范围0.003-30,000 mg/dL、长期电学稳定性的理想葡萄糖生物传感器[61]。表1列出了其他利用不同ZnO纳米结构检测各种酶的最新研究。

从表1的当前研究可见，ZnO结构通过多种方法以不同形貌制备，因易于集成到复合结构中而持续被广泛使用。生产替代方案和形貌多样性，以及与其他纳米材料（特别是碳纳米结构）形成纳米复合和纳米混合结构，使ZnO结构在以全效率满足理想生物传感器预期性能方面具有非凡潜力。

Fe₃O₄纳米结构

近年来，Fe₃O₄纳米结构因其良好生物相容性、低毒性、超顺磁性、催化活性、制备和修饰工艺简易等优越性能，在生物传感器、药物递送、细胞分离、药学等众多前景应用中引起极大关注[73-77]。磁性Fe₃O₄ NPs凭借磁性易于从介质中分离，适合固定化酶等生物分子[73-76]。Fe₃O₄磁性NPs及其衍生物在生物传感器技术中被广泛应用，文献中讨论了各种引人注目的研究[75, 78]。例如，Sanaeifar等人[75]设计了新型电化学生物传感器用于葡萄糖检测。他们评估了通过共沉淀法制备的Fe₃O₄磁性NPs分散在聚乙烯醇（PVA）中形成的纳米复合材料的电化学性能。他们报告，PVA基质中的Fe₃O₄ NPs对固定化葡萄糖氧化酶表现出优异催化性能，增加了酶与电极表面间的电子传递速率。制备的生物电极可在5×10⁻³至30 mM范围内测量葡萄糖，灵敏度9.36 µA mM⁻¹，检测限低于8 µM[75]。Dong等人[79]通过简单溶剂热法开发了Ag/Fe₃O₄核壳纳米球基传感器，用于环保领域的肼检测。他们报告该高性能肼传感器具有2秒响应时间、0.25-3400 µM线性范围、270 µA mM⁻¹ cm⁻²灵敏度和0.06 µM检测限，远超文献中其他传感器[79]。

Sriram等人[80]开发了Fe₃O₄纳米球/还原石墨烯氧化物（rGO）纳米复合材料检测尿液和血清中的尿酸（UA）。电化学分析显示，Fe₃O₄ NSs/rGO纳米复合材料具有高稳定性和重复性，显示出优异的电化学还原峰。他们强调开发的UA传感器线性范围为0.02-783.6 µM，LOD为0.12 nM[80]。同样，Cai等人[81]结合石墨烯氧化物（GO）和Fe₃O₄开发了新型DA检测生物传感器。他们通过分散和共沉淀法成功合成Fe₃O₄/GO/原始石墨烯（PG）三元复合材料，随后以滴涂法将纳米复合材料沉积到玻碳电极（GCE）工作电极上。循环伏安图（CVs）中Fe₃O₄/GO/PG结构记录到最高峰值电流。同样，DA存在时Fe₃O₄/GO/PG/GCE样品峰值电流最高。他们还强调Fe₃O₄/GO/PG/GCE样品峰值电流随DA浓度增加而增大。最终Cai等人指出该电化学传感器可有效用于DA检测[81]。表2列出了Fe₃O₄纳米结构作为生物传感器组件的代表性研究。

尽管具有优越性能，磁性Fe₃O₄纳米结构在生物传感器和生物应用中仍存在限制性问题。因其高表面能、化学反应性和强磁相互作用，极易团聚，导致磁性Fe₃O₄纳米结构稳定化困难。为克服此问题，Fe₃O₄纳米结构表面常包覆聚合物层[95]。然而，聚合物包覆可能降低电化学生物传感器应用的效率。因此，在稳定磁性Fe₃O₄纳米结构时，可利用基因、细胞、酶、蛋白质等生物分子及石墨烯、CNTs、量子点、NPs等其他关键纳米结构。故可预测，基于磁性Fe₃O₄纳米结构的复杂纳米混合和纳米复合系统将成为未来新一代生物传感器生产的热点。

总之，结合各种纳米结构的MOs基生物传感器在实际和工业应用中呈现独特新颖功能。MOs纳米结构凭借其卓越性能，对开发高灵敏度、快速、稳定的生物传感器产生强烈影响。此外，每种纳米结构和金属氧化物各有优势。因此，生物技术领域的传感器件新进展极有可能发生。同时，近期研究给纳米碳结构留出大量空间，且MOs常与其联用。因此，本工作第二部分将聚焦生物传感器中最常用的两种纳米碳材料：石墨烯和CNTs。

石墨烯及其衍生物基生物传感器

石墨烯是碳的最热门同素异形体之一，如石墨、CNTs、富勒烯、金刚石。它是sp²杂化碳原子构成的二维层。Geim和Novoselov发现石墨烯后，其在透明电极、储能、药物递送、生物传感器、超级电容器、电池、催化等各学科引起全球巨大关注[96, 97]。石墨烯同其他纳米材料一样，可通过自上而下（机械剥离、化学剥离、化学合成）和自下而上（热解、外延生长、化学气相沉积CVD）方法合成[97]。不同制备方法导致众多类石墨烯材料存在：石墨烯、GQDs、GO、rGO、石墨烯纳米带（GNRs）、纳米网、纳米片[98]。常用衍生物见图3。

石墨烯具有良好的热导率（5000 W/mK）、室温高电子迁移率（250,000 cm²/V·s）、大比表面积（2630 m²/g）、高弹性模量（21 T Pa）和良好导电性[99]。此外，石墨烯片的原子级厚度和高比表面积使其对环境变化敏感。因此，石墨烯每个原子均可直接接触的表面特性使其对环境敏感，相比其他材料成为传感器应用的优秀候选者[4, 100, 101]。过去十年石墨烯及其衍生物相关研究分析见图102（饼图展示石墨烯在生物医学应用中的分布）。可见研究者因上述石墨烯特性，主要聚焦于生物传感器领域。

如前所述，部分生物传感器通过结合石墨烯及其衍生物与MONs制备。本部分聚焦于基于石墨烯及其衍生物的生物传感器。石墨烯基生物传感器的一般表征和机制见图5。分析物与石墨烯表面官能团相互作用，可基于此相互作用获得电化学、光学或其他输出[96, 97, 103]。例如，Mani等人[104]开发了基于rGO纳米带/MWCNTs/壳聚糖的三元纳米生物复合材料，用于过氧化氢（H₂O₂）和亚硝酸根（NO₂⁻）的灵敏选择性检测。他们在隐形眼镜清洗液和肉样本中探究了该生物传感器的有益性能。他们报告：对H₂O₂，纳米生物复合材料基传感器灵敏度0.616 µA µM⁻¹ cm⁻²，检测限1 nM，线性范围0.001-1625 µM；对NO₂⁻，相应值为0.643 µA µM⁻¹ cm⁻²、10 nM、0.01-1350 µM。从而证明石墨烯基传感器可有效用于医疗应用和食品安全[104]。Yin等人[105]制备了另一种石墨烯基H₂O₂传感器。他们利用水热法合成了用Ni₃N NPs装饰的导电三维（3D）石墨烯气凝胶（GA）。表征显示，所得Ni₃N/GA复合材料不仅适用于H₂O₂，也适用于葡萄糖测定。他们报告：Ni₃N/GA基电极在H₂O₂测定中表现出高电化学性能，检测范围5 µM-75.13 mM，灵敏度101.9 µA mM⁻¹ cm⁻²，低检测限1.80 µM；葡萄糖测定中，设计电极检测范围0.1-7645.3 µM，检测限0.04 µM，灵敏度905.6 µA mM⁻¹ cm⁻²[105]。

近来，石墨烯基生物传感器用于葡萄糖实际检测的研究兴趣浓厚（表3）。例如，Đurđić等人[106]通过共沉淀法成功合成了基于Bi₂O₃装饰GNRs的一次性生物传感器。表征证明，该传感器检测限0.07 mM，线性范围0.28-1.70 mM，灵敏度64.81 µA/mM·cm²。他们提出该石墨烯基传感器可稳定、可重复地检测血清和尿液样本中的葡萄糖[106]。同年，Lu团队通过单釜水热法合成三维氮掺杂多孔石墨烯水凝胶（NHGH）与NiCo₂O₄纳米花（NHGH/NiCo₂O₄），成功设计了实用葡萄糖生物传感器。他们用所得纳米复合材料修饰GCE，评估修饰电极在葡萄糖测定中的电化学性能。首先，在0.1 M NaOH溶液中，以50 mV/s扫描速率接收CVs，考察电化学催化性能。他们报告NHGH/GCE的氧化峰电流比裸GCE的弱阳极峰电流高0.5 V。此外，他们观察到氧化还原峰对可见，表明NHGH/NiCo₂O₄/GCE电化学活性最高。他们将此改进归因于石墨烯的扩展表面积、良好导电性及Co和Ni的氧化还原反应。在加入5.0 mM葡萄糖时，他们展示了电极的电化学催化性能。NHGH/NiCo₂O₄/GCE在0.5 V处的最高峰值电流明确表明，由于NiCo₂O₄和NHGH的双重效应，葡萄糖氧化催化优于其他电极。他们还报告峰值电流随葡萄糖浓度增加呈线性增长，NHGH/NiCo₂O₄基葡萄糖传感器在5 µM-2.6 mM和2.6 mM-10.9 mM两个范围内分别表现出峰值电流与葡萄糖浓度的宽广线性关系。此外，他们强调NHGH/NiCo₂O₄/GCE具有高灵敏度（2072 µA mM⁻¹ cm⁻²）和低检测限（0.39 µM）。结果建议用于真实血液样本中葡萄糖的精确测定[107]。

如表3所示，石墨烯及其衍生物因其优异性能已成为生物传感器应用不可或缺的构建模块。考虑近期研究（表3），石墨烯及其衍生物与MONs形成混合纳米结构以提高生物传感器灵敏度和重现性的现象引人注目。此外，应评估MONs/石墨烯协同效应以获得多功能生物传感器并实现高电催化活性。而且，石墨烯易与CNTs等其他纳米碳材料结合，从而获得创建酶生物传感器所需的丰富边缘密度和高度有益的边缘缺陷。

碳纳米管基生物传感器

CNTs由Iijima于1991年发现，可视为石墨烯层卷曲成圆柱体。CNTs大体分为单壁碳纳米管（SWCNTs，图6a）和多壁碳纳米管（MWCNTs，图6b）两类[125]。直径和卷绕角度通过手性和(n, m)指数决定CNTs物理特性[126-128]。根据(n, m)指数，CNTs可表现出金属或半导体行为[129-132]。依手性，SWCNTs可分三类：(1) m=n为扶手椅型纳米管（图6c），(2) n>m且m=0为手性纳米管（图6d），(3) m=0为锯齿型纳米管（图6e）。CNTs本质呈半导体行为，但对给定(n, m) SWNT，当(2n+m)/3为整数时，CNTs呈金属性。故可断言所有扶手椅型纳米管均为金属性[130]。因此，生产过程中控制手性意味着控制CNTs电子特性，这在生物传感器应用中提供巨大优势。近年提出多种CNTs合成方法，但主要有三大合成技术：电弧放电、激光烧蚀、CVD[133]。与电弧放电和激光烧蚀相比，CVD是简单、低成本控制CNTs手性的最有效方法[133, 134]。

CNTs末端和侧壁可通过添加几乎任何所需化学物种轻松修饰。CNTs凭借显著灵敏度可成为纳米级传感器的优秀转换器。此外，CNTs具有极有利的电信号传输性能，在识别靶标后产生的电信号传输中发挥关键作用，对酶基生物传感器最终开发至关重要[135]。而且，CNTs尺寸小、响应时间快、电化学性能优异，在离子、代谢物、蛋白质生物标志物检测中等同或优于大多数其他电极[136]。凭借独特管状纳米结构的巨大长径比，CNTs因其优异电化学稳定性、卓越机械柔性、快速电子传输、独特热导率，成为应用电化学生物传感器的理想材料[137, 133]。CNTs经功能化确保生物相容性并与有机化合物或金属NPs结合后，也广泛用于组织工程和药物递送系统以改善电学和力学性能[138]。2010-2020年CNTs相关研究分析见图7（饼图展示CNTs在生物医学应用中的分布）。

CNTs同石墨烯及其衍生物一样，通过与MONs杂化对开发高灵敏度、高选择性生物传感器做出重要贡献。研究者近来聚焦于生产和表征结合CNTs独特性质与金属NPs优越性能的新型纳米生物传感器。例如，Rahman等人[139]设计了基于Fe₃O₄装饰CNTs的3-甲氧基苯基（3-MP）生物传感器用于环保应用。Fe₃O₄/CNTs纳米复合材料通过湿化学法合成，并作为薄层包覆在GCE表面。他们通过I-V表征评估修饰电极电化学性能，报告Fe₃O₄/CNT基电极在检测危险酚时表现出宽检测范围（90.0 pM-90.0 mM）、低检测限（1.0 pM）和高灵敏度（9×10⁻⁴ µA µM⁻¹ cm⁻²）[139]。同样用于环保，Fotouhi等人[140]开发了MWCNT/TiO₂/壳聚糖基生物传感器检测化工制药工业排放的二羟基苯异构体。他们报告利用基于MWCNTs的传感器在真实水样中同时测定了对苯二酚（HQ）、儿茶酚（CC）、间苯二酚（RS）三种污染物。HQ、CC、RS的检测限（S/N=3）分别为0.06、0.07、0.52 µmol dm⁻³，线性响应范围分别为0.4-276.0、0.4-159.0、3.0-657 µmol dm⁻³[140]。

除环保外，CNTs用于临床应用的生物传感器设计近来极具吸引力（表4）。例如，Zhu等人[141]通过氦弧放电法获得包含两层的桶纸：纯化SWCNTs和NiO装饰SWCNTs。电化学性能分析显示，葡萄糖生物传感器具有宽线性范围（0.1-9 mM）、高灵敏度（2701 µA mM⁻¹ cm⁻²）、快速响应时间（<2.5秒）[141]。Barthwal和Singh[142]设计了ZnO/MWCNTs纳米复合材料生物传感器检测尿素。他们指出ZnO/MWCNTs基传感器检测特性优于单独ZnO和MWCNTs基传感器。强调含2% MWCNTs纳米复合材料灵敏度响应时间小于10秒，检测限10 ppm[142]。同年，Guan等人成功开发了基于CNTs的混合纳米复合材料作为电化学生物传感器，用于DA和UA的同时高灵敏度检测。他们报告在CNTs基纳米混合物修饰电极上观察到最大峰电位差（ΔEₚ=144 mV）和最高氧化电流。他们通过差分脉冲伏安法（DPV）研究了纳米混合物修饰GCE上DA和UA的同时检测。显示纳米混合物/GCE的阳极峰电流响应随DA浓度增加呈线性增长。UA浓度也获得类似观察。他们强调两目标分析物浓度范围均为2-150 µM。结果报告DA和UA检测限分别为0.37 µM和0.61 µM[143]。

通过与MONs、石墨烯及其衍生物杂化提高CNTs基生物传感器在不同应用领域效率并改善其性能的研究极具吸引力（表4）。基于CNTs电化学传感器设计的纳米混合结构的更高电化学活性和导电性，可视为CNTs固有性质的结果。另一方面，限制CNTs在生物传感器应用的特性之一是其难溶于大多数溶剂，且生物相容性低、某些情况下有毒。为克服这些问题，可考虑在CNTs表面和端帽结合不同官能团与MONs，并进行表面修饰。

此外，CNTs与石墨烯及其衍生物集成可因强结合相互作用创造更多生物分子活性位点。CNTs/石墨烯混合结构的另一优势是因更高电子传递率，使生物传感器能在更短时间内响应。因此，在未来开发的下一代生物传感器中，利用CNTs与MONs或石墨烯等其他纳米碳材料的双重效应，实现高灵敏度、高选择性、靶标生物分子同时检测似乎势在必行。

结论与展望

生物传感器和生物电极在环境监测、食品安全、医用纺织工业、药物发现分析、临床与非临床应用中发挥关键作用。近期COVID-19疫情使快速响应、可重复使用、廉价、高选择性的生物传感器成为控制传染病的关键。对于生物传感器设计，转换器组件材料及其表面功能化材料对上述生物传感器性能有显著影响。在此框架下，为改进这些器件性能，纳米材料被广泛使用，其扩展的表面积、适应任意分析物表面修饰的能力、以及非凡的纳米尺寸依赖性性质，使其在理想生物传感器生产中空前领先。

基于此动机，本文概述了MONs、石墨烯和CNTs联合使用创建的混合纳米系统的最新进展。为借助这些纳米结构提高生物传感器灵敏度和选择性以检测生物分子，已作出大量努力。显然，除了这些材料各自独特特性外，它们混合设计的多重效应是获得高性能生物传感器的关键。结合这些纳米结构创建混合设计，可改善生物传感器电催化活性、电子传递速率，并提供更多活性位点实现两种或更多生物分子同时检测。还满足理想生物传感器的其他期望功能：稳定性、长保质期、可重复性、宽测量范围、下一代生物传感器应用所需的快速响应时间。然而，结合这三种热门纳米材料存在强制因素：团聚倾向控制、细胞毒性、合适浓度选择、以及为提高纯度和这些材料更好相互集成而进行的大量条件优化。因此，纳米材料及其复合结构制备仍有改进空间。此外，对于分析物的现场诊断（对医疗应用生物传感器影响重大），以具有成本效益的方式获得快速可靠结果至关重要。为此，生物传感器用纳米材料可修饰以促进更精细的感应，特别是针对某些疾病早期极低浓度的生物标志物。为获得和改善此类特性，石墨烯、CNTs和MONs应以最少催化剂杂质、高结晶度、低成本大规模生产。还应针对其态密度和键结构进行工程设计，以定制更好的电子传输性能。本综述提出了有助于开发精准“未来生物传感器”机制的纳米结构组合，并总结了灵敏度、优异选择性、低检测限、多功能实时感应等期望。

数据与材料可用性

不适用。

缩略语

1D:

一维

3D:

三维

CD:

环糊精

CVD:

化学气相沉积

CVs:

循环伏安图

DA:

多巴胺

DNA:

脱氧核糖核酸

DPV:

差分脉冲伏安法

FET:

场效应晶体管

GCE:

玻碳电极

GelMA:

甲基丙烯酰明胶

GNPs:

石墨烯纳米片

GNRs:

石墨烯纳米带

GO:

石墨烯氧化物

GQDs:

石墨烯量子点

LOD:

检测限

MIP:

分子印迹聚合物

MOFs:

金属有机框架

MOs:

金属氧化物

MWCNTs:

多壁碳纳米管

NHGH:

氮掺杂多孔石墨烯水凝胶

NPs:

纳米颗粒

NRs:

纳米棒

NSs:

纳米球

NWs:

纳米线

PANI:

聚苯胺

PDADMAC:

聚二烯二甲基氯化铵

PDPA:

聚二苯胺

PECVD:

等离子体增强化学气相沉积

PEDOT:

聚(3,4-乙撑二氧噻吩)

PG:

原始石墨烯

PPy:

聚吡咯

PTA:

磷钨酸

PVA:

聚乙烯醇

RF:

射频

rGO:

还原石墨烯氧化物

SERS:

表面增强拉曼散射

SWCNTs:

单壁碳纳米管

UA:

尿酸

XO:

黄嘌呤氧化酶