引言
持久性新興污染物（Persistent Emerging Pollutants，PEPs）是一些在環(huán)境中難以降解或轉(zhuǎn)化，具有生物累積性和毒性，對人類和生態(tài)系統(tǒng)造成潛在危害的化學(xué)物質(zhì)。PEPs包括一些工業(yè)化學(xué)品、農(nóng)藥、藥物、個人護(hù)理產(chǎn)品、納米材料等。由于PEPs的種類繁多，分布廣泛，檢測手段有限，目前對PEPs的監(jiān)測和評估還存在很大的挑戰(zhàn)。
生物傳感器是一種利用生物組分與目標(biāo)分子發(fā)生特異性反應(yīng)，產(chǎn)生可檢測的信號，從而實現(xiàn)快速、靈敏、選擇性地檢測目標(biāo)分子的裝置。生物傳感器具有操作簡便、成本低廉、可在線實時監(jiān)測等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域。然而，目前的生物傳感器在檢測PEPs方面還存在一些局限性，主要包括以下幾個方面：
- ?生物組分的穩(wěn)定性和活性受到環(huán)境因素的影響，如溫度、pH、鹽度、有機(jī)溶劑等。
- 生物組分與PEPs之間的反應(yīng)可能不夠特異性和靈敏性，導(dǎo)致假陽性或假陰性的結(jié)果。
- ?生物傳感器的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和放大機(jī)制不夠有效和可靠，導(dǎo)致信號噪聲比低，信號輸出難以讀取和分析。
為了克服這些局限性，本文介紹了一種新型的生物傳感器結(jié)構(gòu)，它利用了一種特殊的納米材料——石墨烯（Graphene），作為生物組分和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器之間的界面材料，從而提高了生物傳感器檢測PEPs的性能。本文首先介紹了石墨烯的特性和優(yōu)勢，然后介紹了石墨烯在生物傳感器中的應(yīng)用原理和方法，最后介紹了石墨烯生物傳感器在檢測PEPs方面的實驗結(jié)果和展望。
石墨烯的特性和優(yōu)勢
石墨烯是一種由單層碳原子以sp2雜化軌道排列成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維納米材料。石墨烯具有以下幾個顯著的特性和優(yōu)勢：
- 具有極高的電導(dǎo)率、電子遷移率和載流子密度，使其成為一種優(yōu)異的電子材料。
- 極高的熱導(dǎo)率、機(jī)械強度和彈性模量，使其成為一種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料。
- 石墨烯具有極大的比表面積、高的吸附能力和良好的生物相容性，使其成為一種優(yōu)異的界面材料。
由于石墨烯的這些特性和優(yōu)勢，它在生物傳感器中的應(yīng)用具有以下幾個方面的潛力：
- 作為電極材料，提高生物傳感器的電子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和放大效率。
- 載體材料，增加生物傳感器的生物組分負(fù)載量和活性保持率。
- ?功能化材料，改善生物傳感器的生物組分與目標(biāo)分子之間的特異性和靈敏性。
石墨烯在生物傳感器中的應(yīng)用原理和方法?
石墨烯在生物傳感器中的應(yīng)用原理主要是利用其與生物組分和目標(biāo)分子之間的相互作用，產(chǎn)生可檢測的信號變化。根據(jù)不同的信號類型，石墨烯生物傳感器可以分為以下幾類：
- 電化學(xué)傳感器：利用石墨烯作為電極材料，檢測生物組分和目標(biāo)分子之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)或電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)所引起的電流、電壓、電阻或阻抗等電學(xué)參數(shù)的變化。
- 光學(xué)傳感器：利用石墨烯作為光學(xué)材料，檢測生物組分和目標(biāo)分子之間發(fā)生的熒光猝滅或增強、表面等離激元共振或拉曼散射等光學(xué)效應(yīng)所引起的光強、光譜、相位或偏振等光學(xué)參數(shù)的變化。
- 壓力傳感器：利用石墨烯作為壓敏材料，檢測生物組分和目標(biāo)分子之間發(fā)生的結(jié)合或解離所引起的形變或壓力等力學(xué)參數(shù)的變化。
石墨烯在生物傳感器中的應(yīng)用方法主要是通過不同的制備和修飾技術(shù)，將其與生物組分和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器結(jié)合在一起，形成一個整體的傳感結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)類型，石墨烯生物傳感器可以分為以下幾類：
- 層層組裝法：通過靜電作用、氫鍵作用、范德華力等弱相互作用，將多層不同性質(zhì)的材料交替堆積在一起，形成一個多層膜結(jié)構(gòu)。其中，一層或多層是由石墨烯構(gòu)成，另一層或多層是由生物組分或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器構(gòu)成。
- ?化學(xué)鍵合法：通過共價鍵或配位鍵等強相互作用，將單層或多層的材料連接在一起，形成一個單層膜或復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。其中，一部分是由石墨烯構(gòu)成，另一部分是由生物組分或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器構(gòu)成。
- 物理混合法：通過機(jī)械攪拌、超聲波處理、高速離心等物理方法，將不同性質(zhì)的材料均勻混合在一起，形成一個分散液或膠體結(jié)構(gòu)。其中，一部分是由石墨烯構(gòu)成，另一部分是由生物組分或信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器構(gòu)成。
石墨烯生物傳感器在檢測PEPs方面的研究? ? ? ? ? ??
石墨烯生物傳感器在檢測PEPs方面已經(jīng)取得了一些令人鼓舞的實驗結(jié)果。以下是一些具有代表性的例子：
一種基于石墨烯-酶復(fù)合膜的電化學(xué)傳感器，能夠靈敏地檢測水中的苯并[a]芘（Benzo[a]pyrene，BaP），一種具有致癌性的多環(huán)芳烴類PEP。該傳感器利用了石墨烯的高電導(dǎo)率和高比表面積，以及酶的催化作用，將BaP的氧化還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可檢測的電流信號。該傳感器的檢測限為0.1 nM，線性范圍為0.5-50 nM，響應(yīng)時間為5 min，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好。
石墨烯-熒光素復(fù)合膜制備的光學(xué)傳感器，能夠靈敏地檢測水中的雙酚A（Bisphenol A，BPA），一種具有內(nèi)分泌干擾性的工業(yè)化學(xué)品類PEP。該傳感器利用了石墨烯的熒光猝滅效應(yīng)和熒光素的熒光增強效應(yīng)，以及它們之間的靜電吸附作用，將BPA的結(jié)合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可檢測的熒光信號。該傳感器的檢測限為0.01 nM，線性范圍為0.05-10 nM，響應(yīng)時間為10 min，選擇性和穩(wěn)定性良好。
石墨烯-抗體復(fù)合膜壓力傳感器，能夠靈敏地檢測血液中的地西泮（Diazepam），一種具有濫用性和依賴性的藥物類PEP。該傳感器利用了石墨烯的壓敏效應(yīng)和抗體的特異性結(jié)合作用，以及它們之間的共價鍵合作用，將地西泮的結(jié)合反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可檢測的壓力信號。該傳感器的檢測限為0.1 ng/mL，線性范圍為0.5-50 ng/mL，響應(yīng)時間為15 min，重現(xiàn)性和穩(wěn)定性良好。
以上這些例子表明，石墨烯生物傳感器在檢測PEPs方面具有很大的優(yōu)勢和潛力。然而，目前還存在一些需要改進(jìn)和完善的方面，主要包括以下幾個方面：
- ?石墨烯生物傳感器的制備和修飾技術(shù)還需要進(jìn)一步優(yōu)化和標(biāo)準(zhǔn)化，以提高其批量生產(chǎn)和質(zhì)量控制能力。
- 石墨烯生物傳感器的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和放大機(jī)制還需要進(jìn)一步探索和創(chuàng)新，以提高其信噪比和信號輸出質(zhì)量。
- 石墨烯生物傳感器的生物組分和目標(biāo)分子的選擇和設(shè)計還需要進(jìn)一步拓展和多樣化，以提高其檢測范圍和適用性。
總結(jié)
本文介紹了一種新型的生物傳感器結(jié)構(gòu)，它利用了石墨烯作為生物組分和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器之間的界面材料，從而提高了生物傳感器檢測PEPs的性能。闡述了石墨烯的特性和優(yōu)勢，以及它在生物傳感器中的應(yīng)用原理和方法。另外還介紹了石墨烯生物傳感器在檢測PEPs方面的實驗結(jié)果和展望?？梢钥闯?，石墨烯生物傳感器是一種具有很大發(fā)展前景的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，但也需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。
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