基于碳纳米管的电化学传感器

1、第15章 基于碳纳米管的电化学传感器Manliang Feng , Heyou Han , Jingdong Zhang , Hiroyasu Tachikawa15.1 引言自1991年发现碳纳米管CNTs以来1,由于其优异的导电特性和机械特性，人们对于CNTs在化学和生物传感器25以及纳米电子设备上的应用产生量浓厚兴趣。CNTs的独特结构使其具有金属和半导体性质，CNTs修饰电极导电性优于石墨电极6,7，与Au、Pt及其它碳质电极相比也具有优异的性质。CNTs有中孔道，使其易于容纳客体分子，如蛋白质和酶分子可固定到CNTs孔内及其表面上，并仍保持生物活性。通过对CNTs修饰可提高其导电性。

2、CNTs拥有令人吃惊的机械强度，是已知最强最硬的材料8。CNTs，尤其是内壁，相对具有化学惰性。而CNTs的管端相对于CNTs管壁活性较高8,9。如将CNTs应用于电化学传感器，能提高一些重要生物分子的电化学响应5,10，并能促进蛋白质的电解传递4。这些特性表明CNTs在电化学传感器上具有潜在的应用价值。事实上，在过去的几年里，有大量关于CNTs在电化学传感器上的应用研究报道11。CNTs在其它方面如：储氢12、催化、微量化学和微量生物学检测1315、生物细胞电极16、纳米级电子与机械系统17、扫描探针显微镜、电子场发射的尖端18,19等也得到广泛的应用。本章主要介绍CNTs电化学传感器，首先

3、是CNTs的性质与结构、制备与提纯以及CNTs传感器的优点，其次是基于CNTs电化学传感器的构建、电化学应用、光谱特性。最后，展望CNTs传感器在临床诊断和生物方向的发展。15.2 CNTs的结构和性质15.2.1 CNTs的性质 CNTs具有独特的纳米尺度管状结构，大的长径比。CNTs可分为两种类型：单壁碳纳米管（SWNT）和多壁碳纳米管（MWNT）。SWNT可看成长的石墨片按一定方向卷而形成的圆筒，其性质决定于卷曲方向和圆筒直径。SWNT由物化性质不同的两个独立区域（管壁和管端）构成。管端的结构类似于碳原子呈五元环或六元环排列的富勒烯，而管壁仅由六元碳环构成。WNWNT则可视为不同管径SW

4、NTs的同轴卷曲而成，由一至几百个甚至几千个同轴碳壳构成，每层壳间距大约为0.34nm。管壁碳原子的网状结构与CNTs石墨片上碳原子呈蜂巢形状排列紧密相关。 CNTs管径为0.22nm，MWNTs管径为2100nm，而CNTs的长度可横跨几百纳米到几毫米13,16。借助透射电镜（TEM）和扫描隧道显微镜/扫描隧道光谱（STM/STS）可以观察CNTs的原子级水平的结构信息，SWNTs和MWNTs的TEM如图15.1所示。从高分辨TEM中，可清晰地看到SWNT的直径约为1.2nm，MWNTs石墨层壳间距为0.34nm以及CNTs所具有闭合的管端。图15.2是SWNTs的STM图，该图清晰显示出S

5、WNTs的螺旋结构，揭示出CNTs的管端结构像富勒烯，由平面六元环碳墨晶格、某一拓扑缺陷和五元环（12个五元环周围必须环抱六元环晶格）卷曲而成。图15.1碳纳米管高分辨透射电镜图（a）SWNT（b）MWNT（c）MWNT管的封闭管端（d）SWNT管的封闭管端。MWNT管（b,c）壁间距离是0.34nm，与石墨平面的层间距离相当。SWNT管（a,d）的直径约为1.2nm。（经美国化学会（1999）授权，引用文献8）图15.2螺旋状的半导体SWNT管晶体结构的高分辨扫描隧道显微镜照片（经美国化学会（1999）授权，引用文献8）15.2.2 CNTs的性质 CNTs具有高导电能力、高强度、高硬度及化

6、学稳定性，同时CNTs也显示出与晶格螺旋性和弹性有关的异常电子特性。由于在CNTs中心存在空腔，SWNT的密度（0.6g/cm3）低于石墨。作为一种纳米材料，CNTs亦有比表面积大的特点，如MWNTs的比表面积约为1020m2/g, SWNTs的比表面积比MWNTs的比表面积大一个数量级。在以下几节中将详细讨论CNTs的机械、电学和化学特性。（1）机械特性 CNTs由于具有自然界最强的共价键之一的C-C键，而成为最强的材料之一，Treacy等人20借助TEM测量其热振动振幅，从而估算出了CNTs的弹性模量为万亿帕。由于CNTs中空的结构及封闭的拓扑结构，CNTs可承受巨大的张力变形（40%）而

7、不会发生键断裂引起的塑性形变21。在张力作用下，一些C-C键断裂而发生局部的错位，但是这些局部的位置借助移动可重新分散到整个表面，这个过程改变了CNTs的螺旋结构并最终影响其电学性质。（2）电学特性 CNTs的电学性质与其结构有关。特别是Wildoer等人和Odom等人都利用单个CNTS上STM/STS照片和隧道扫描光谱所得伏安曲线解释了SWNTs的结构和电导之间的。其结果表明摇椅形管具有金属性质，而锯齿形管好手性管则是金属性或半导体，这取决于它们的卷曲角度和管长度。此外，SWNT样品呈现多种不同结构，但没有一种主要结构。采用MWNTs四探针测量表明，单个MWNT呈金属、半导体或半金属性质8。

8、MWNTs在掺杂了硼和氮后，导电性呈现金属性质22，SWNT用碱和卤素掺杂后其导电性提高一个数量级。（3）化学特性 通常CNTs具有六元碳环石墨平面结构并不活泼，但是由于轨道的弯曲，CNTs也易于发生一些化学反应。氧化反应研究表明CNTs的管端比柱体部分更活泼8,20。从头计算表明，管端五元碳环的石墨平面平均负荷密度要比柱体六元碳环大34倍，可用作电活性位点。已有大量有关于CNTs做电极材料促进样品电子传递的报道。CNTs的结构缺陷所导致的整体拓扑结构改变能从根本上解释其活性高于石墨8。适度的活性使得易于将CNTs（无论是管壁还是管端）功能化，进一步用于设计传感器。例如用强酸提纯CNTs时，可

9、在管壁尤其是管端引入羧基，借助羧基则可进一步向CNTs管端修饰氨基23,24。15.2.3 CNTs的制备 CNTs的制备是CNTs研究和应用的基础。自1991年发现CNTs以来，人们在制备高品质CNTs方面做出了大量的努力，开发了许多制备CNTs的方法，例如：电弧法、激光蒸发法、裂解法、等离子体增强或热化学气相沉积法（CVD）。其中电弧法、激光蒸发和化学气相沉积法是主要的制备发法。电弧法25最初用于制备C60富勒烯，该法将两根碳棒置于充满低压惰性气体（He、Ar）的反应腔中，借助电弧蒸发可制得CNTs。阳极石墨碳棒的组成决定了所生成CNTs的类型。纯净的石墨电极主要产生MWNT，而由催化剂（

10、Fe、Co、Ni、Y或Mo）掺杂的石墨电极主要产生SWNT，这种方法常常生成复杂混合物，需要进一步提纯以便分离出CNTs以及从粗产物中除去残余的金属催化剂。激光腐蚀技术是由Rice大学的Smalley小组于1995年开发的26。将含有Co和Ni催化剂（粒径为1m）的石墨棒于1200oC的氮气流中激光蒸发，然后于1000oC下真空加热除去C60和其它的富勒烯。用这种方法制得像缠绕绳索似的产物，直径为1020nm，长度可达100m以上。可通过改变生长温度、催化剂组成和其它工艺参数来控制CNTs的平均和大小分布。管电弧法和激光灼烧法是制备CNTs的常用方法，但这两种方法都有一些缺点。首先，两种方法都

11、需要原料碳的蒸发，使得这类方法很难用于工业上大规模生产CNTs。其次，蒸发法生成的CNTs相互缠绕，并混有无定形碳和金属杂质。在实际应用中，用这两种方法制备时，很难对CNTs进行提纯、操控和组装。将碳氢化合物借助金属催化剂用化学气相沉积法27制备碳纤维、长丝等已有20多年历。大量的CNTs制备可在硅胶或沸石上固载Co和Fe作为催化剂，采用乙炔催化化学气相沉积法制得。CNTs也可用扩散火焰法、电解法、太阳能热处理聚合物法及低温下固体裂解法来制备。在火焰法中，部分气体烃的燃烧使温度升高，余下的燃料用作碳氢试剂。因此，能量和原料碳氢化合物是影响火焰的两个因素。燃烧法用于商业产生大量的CNTs。 CN

12、Ts的提纯为了获得CNTs在不同用途的最佳性能，需要有高纯度CNTs。CNTs的提纯通常是指将CNTs从其它组分如碳纳米粒子、无定形碳、残余催化剂及其其它不需要组分中分离出来。迄今已有各种提纯方法，包括酸氧化、气体氧化、过滤以及色谱法。在很多情况下可将这些方法结合起来，以便获得高品质的CNTs。酸回流法最初由Rinzler等人提出28。这种方法是将粗CNTs在硝酸中回流以氧化金属及碳杂质。然而，酸处理过地CNTs造成管端含有羧基，且管壁存在一定缺陷。功能化的SWNTs与原始的SWNTs相比，则具有许多不同的性质。气相氧化法常用于提纯CNTs。该法由Ebbesen等人提出20，是指在氧气中热处理

13、CNTs的粗产品，因为该法能生产出没有金属催化剂污染的最好的石墨管而受到广泛的研究。过滤也可以用于提纯CNTs。Bandow29提出了一种阳离子表面活性剂的水溶液中进行微孔过滤从而一步提纯SWNT的方法。Shelimov30开发了超声波辅助过滤法，可使其纯度达到90%以上。许多色谱法如渗透色谱、柱色谱、空间排阻色谱也曾用于提纯CNTs。空间排阻色谱（SEC）是有文献报道唯一不需要酸处理提纯CNTs的方法，酸处理会引入羧基。CNTs样品纯度可借助SEM、TEM及电子微探针元素分析方法来分析。拉曼光谱和紫外-可见-近紫外光谱法也是表征CNTs在不同提纯阶段的纯度的有效方法。 15.2.5 基于CN

14、Ts的电化学传感器的优点CNTs由于其独特的电子和机械性质，在过去的几年里一直是电极材料研究的热点。从化学角度来看，碳纳米管具有同其它广发应用于电化学领域的碳电极一样的电化学性质。与别的碳质纳米材料如C60和C7031相比，CNTs显示出非常不同的电化学性质，这种电性差异使得CNTs作为电极材料时，可作为水溶性的电活性物质电子传递的媒介。直到现在，基于CNTs的修饰电极一直被广泛应用于电化学传感器3235。下面介绍CNTs修饰电极的诸多优点。第一，CNTs修饰电极能催化样品的氧化-还原反应。有很多文献报道，借助不同CNTs修饰电极能催化多巴胺、H2O2和还原性辅酶（NADH）等试剂的氧化反应。

15、第二，生物大分子如酶和DNA可固定在CNTs修饰电击伤保持生物活性。第三，CNTs是构成电极的良好材料。CNTs体积小，强度高，化学性质稳定，CNTs的这些特点有利于制作CNTs修饰电极。其中CNTs阵列修饰电极和基于单根CNT为电极的例子也有报道。第四，CNTs可通过其管端修饰羧基进而固定酶等，以用于不同的传感器研究。CNTs的第五个优点是良好的导电性，CNTs是导电性会受到如扭曲和弯曲等结构改变的影响，这一特点也可用于传感。CNTs的上述优点及其它的特性如多孔结构等，使它对溶剂具有较好的润湿性、良好的电极-电解质界面及大的表面积。其中空的孔结构和外壁是吸收和储存气体如O2、H2和NO2的良

16、好材质4,36,37。已有关于利用CNTs的吸附性质制作气敏电极从而检测O2和CO2的研究报道4,28。CNTs在许多情况下可作为分子导线来连接电极表面和酶活性位点，固定在碳纳米管电极上的一些蛋白质和酶无需介质即可实现直接电化学检测或提高电化学响应。目前已有许多关于利用碳纳米管修饰电极制备酶传感器的报道。 15.3 基于CNTs的电化学传感器的制备和应用在过去的几年里，基于碳纳米管的传感器有大量文献报道，这主要因为CNTs在电化学传感器上的应用以下优点：体积小，表面积大； 灵敏度高； 响应时间快；电子传递快；易于固定蛋白质并保持其活性；减少表面污染的影响。已开发制作CNTs修饰电极的几种方法，

17、大都涉及酶分子在电极表面的固定。后面的内容将逐一介绍CNTs修饰电极的制备和一些代表性的结果，包括： CNTs复合电极； CNTs阵列电极； 层层组装电极； CNTs包覆电极。另外，也将讨论这些电极的优点和应用。由于电极表面和生物大分子如蛋白质和DNA之间能否进行有效电荷传递，对于生物传感器的开发至关重要，关于蛋白质和DNA的直接电化学性质也将在本章进行讨论，另外还将讨论CNTs酶生物传感器。 CNTs电极的制备及其电化学性质15.3.1.1 CNTs复合电极最早的CNTs修饰电极是1996年由Britto在研究多巴胺氧化时提出的16、这种CNTs复合电极利用溴仿作为黏合剂，其循环伏安曲线表明

18、了多巴胺在CNTs电极上能够进行可逆的氧化还原反应(见图15.3)。Valentini和Rubianes利用CNTs和矿物油混合制作了CNTs电极。这类电极对许多物质如多巴胺、抗坏血酸、尿酸、3，4-二羟基苯乙酸39、H2O2、NADH7具有优异的电催化活性。Wang和Musameh15将CNTs分散在一种聚四氟乙烯（Teflon）黏合剂中，制得的CNTs/Teflon复合电极具有优异的电化学性能，研究表明，CNTs的电催化活性并不会因为与Teflon结合而减弱。图15.3 CNT修饰电极于含5mmol/L多巴胺的PBS（pH7.4）缓冲溶液中循环伏安曲线扫速为20mV/s（经Elsevier

19、（1996）授权，引自文献16）还有的应用导电聚合物如聚吡咯（Ppy）40、聚苯胺41制作CNTs复合电极。Ppy/ CNTs复合电极的制备可在含有CNTs/SDS表面活化剂和吡咯的水溶液中，在吡咯氧化修正区间借助恒电位扫描来实现。溶胶-凝胶基质的CNTs复合电极用于葡萄糖传感器42。也有关于无需黏合剂的碳纳米管电极作为葡萄糖传感器的报道15。将碳纳米管和葡萄糖氧化酶（GOx）混合后，将混合物封闭在探针内，用来检测葡萄糖。15.3.1.2 CNTs阵列电极近年来，CNTs阵列用于制作CNTs电极及电化学传感器备受关注。CNTs阵列电极与随机杂乱的CNTs（通常用滴图法制备）及CNTs复合电极相

20、比，具有一些优点。CNTs垂直紧密排列在基质表面上，蛋白质和其它的电活性物质以已知和明确的方式（管端）与CNTs结合，这样更有利于解释CNTs阵列修饰电极电子传递机理，然而与其它的CNTs电极中，电活性物质既可附着在CNTs管端，也可附着在管壁，这样会导致一些未知的空间几何效应。其次，有些CNTs排列可充当分子导线，进行无需介质的电极和酶的活性中心位点的电子传递。这一特性使得仅简单采用氧化还原酶作为传感试剂即可构成电化学传感器。再次，垂直排列CNTs可用于制作纳米阵列电极。CNTs阵列可通过碳纳米管定向生长（物理方法）或在某些基质上的自组装来制备。在第一种方法中，CNTs以一种可控方式合成，在

21、多孔的模板上（如介孔硅，纳米孔铝）用CVD法获得定向生长CNTs。例如，Li等人43在嵌有Fe纳米粒子的多孔硅木板上，用CVD法生成了大量CNTs阵列。CNTs的生长方向借助模板孔的方向来控制。类似的方法44有将碳氢化合物置于含有Ni催化剂的多孔硅基质上进行热裂解。在上述方法中，多孔硅模板的孔（微孔、介孔、大孔）可通过将结晶硅薄片（作为阳极）在含HF的水溶液中（Pt导线为阴极）进行电化学腐蚀而生成。等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）是制备CNTs阵列的另一种方法。类似与CVD法，PECVD法也才用气相物质，该气相物质的活化是采用非平衡等离子化（辉光放电）来实现的，与CVD法一样，CNTs

22、亦是在含催化剂的基质上生成。催化剂的孔分布确定PECVD阵列排布和直径，碳纳米管长度受生成速率和时间控制，生成方向则可通过等离子体区域的外壳电场来控制。图15.4为PECVD法制得MWNT阵列的SEM照片45。用这种方法得到的MWNT阵列已被用于传感器研制中。Lin等人46用CNTs阵列制作了葡萄糖传感器。Ni纳米粒子首先被电沉积在包覆硅的铬基质上，然后用PECVD法在Ni纳米粒子上生成密集度较小的CNTs阵列。所生成的CNTs上螺旋形附着环氧聚合物。CNTs在凸起部分可通过抛光除去。葡萄糖氧化酶可通过蛋白质的氨残基与CNTs管端的羧基之间生成酰胺键从而共价固定在电极上。通过测量葡萄糖氧化酶催

23、化氧化葡萄糖生成的H2O2的还原电流来间接检测葡萄糖。另外用这种方法制得CNTs后，将寡核苷酸探针固定在CNTs的开放管端，亦可用于检测DNA45。这类电极与Ru（bpy）32+间接氧化鸟嘌呤相结合可检测亚阿摩尔级（subattomole）DNA片段序列。CNTs阵列也通过自组装得到。要进行自组装，切断的CNTs管端要用功能基团（如-COOH，-SH）修饰，然后CNTs通过化学反应固定在基质上（金、聚合物等）。AFM照片可显示这种方法值得的CNTs呈束状阵列。举个例子，Gooding等人47和Yu等人48用自组装的方式在金电极上修饰上SWNTs阵列，首先在98%的浓硫酸和70%的硝酸（体积比为

24、3：1）的溶液中超声分散4h使SWNT变短，短的CNTs经过滤和用MilliQ水冲洗，使其pH大于5，然后以浓度为0.2mg/mL分散在0.5mg/mL二环己基碳二亚胺（DCC）的二甲基甲酰胺（DMF）溶液中，以便于将SWNT管端的羧基转变为活性碳二酰亚胺酯基。将疏基乙胺修饰过的金电极放置于含CNTs的溶液中4h，SWNTs管端的羧基与疏基乙胺上的胺基形成酰胺键，从而将SWNTs竖直有序地排列在电极表面。微过氧化物酶MP-11通过将电极放在酶溶液中 孵化连接在CNTs的管端，该电极上显示MP-11氧化还原反应E1/2值为-390mV（vs Ag/AgCl）。用同样的方法，Diao等人49也在金

25、表面制得了CNTs阵列并进行了电极电化学特性表征，其过程如图15.5所示。图15.6是该修饰电极的原子力显微镜图片。图15.4 （a）在紫外光刻下的垂直排列的MWNTs管阵列的扫描电镜图，（b）Ni斑点的电子束图像（经美国化学会（2003）授权，引自文献45）图15.5 SWNT组装过程的示意图（经Wiley VCH Verlag GmbH&Co.KG（2002）授权，引自文献49）图15.6 自组装的CNTs原子显微镜图（经Wiley VCH Verlag GmbH&Co.KG.(2003)授权，引自文献49）Liu等人50用疏基修饰电极的CNTs在金基质自组装SWNTs阵列

26、，该过程示意图见图15.7。用酸氧化得到的管端含羧基短的SWNTs首先通过酰胺键与含疏基的烷基胺连接，将金基质与疏基化的SWNT悬浊液通过共浴超声处理可获得自组装SWNTs阵列。自组装SWNTs阵列密度可由反应时间来控制。图15.7 在金表面用末端疏基修饰的纳米管自组装制备阵列SWNTs（经Wiley VCH Verlag GmbH&Co.KG.(2003)授权，引自文献51） Lan等人52发现了可在经聚电解质溶液处理过的多种基质上形成MWNTs阵列的方法。将短的MWNTs首先在二氯亚砜（SOCl2）中进行酰氯基功能化，将聚电解质修饰过的基质侵入含有MWNTs的四氢呋喃溶液中可得到单

27、层MWNTs阵列。15.3.1.3 CNTs电极的层层组装含羧基的CNTs带负电荷，将CNTs与一个正电荷的表面静电组装有利于CNTs形成多层膜53。Zhang等人采用这种层层组装技术，在玻碳电极表面得到CNTs多层膜。图15.8为聚二甲基二烯丙基氯化铵（PPDA）与CNTs在GC电极上层层组装的过程示意图。带负电荷的CNTs和带正电荷的PDDA分子之间静电引力使玻碳电极表面通过层层组装形成稳定的CNTs多层膜（图15.9）。这种逐层制备方法有别于其它方法，如滴涂法、CNTs和碳糊混合法、CNTs聚合物组合法，这些方法中CNTs均为团聚体。层层组装制备方法使得CNTs具有许多特殊的性质，如其中

28、含有小的CNTs束或单个碳纳米管、均匀、稳定性好以及对O2在碱性条件下仍保持电催化活性等54；而且层层组装制备技术在制作CNTs生物传感器及固定酶方面有着广阔应用前景。用层层组装制备技术得到缠绕由DNA的CNTs后，人们开发出了DNA电化学传感器55。Munge等人报道在CNT模板上逐步层层组装多层酶膜，是蛋白质和DNA的检测信号大大增强56。图 15.8 在玻碳电极表面PPDA与SWNTs层层（LBL）组装的示意图图15.9 PPDA/MWNT在硅晶片上典型的自组装扫描电镜照片（a）PPDA/MWNT,(b) PPDA/MWNT3,(c) PPDA/MWNT5。在（a）（c）中标尺长度是5m

29、。（d）高放大倍数下PPDA/MWNT典型的扫描电镜图，标尺长度是1m（经美国化学会（2004）授权，引自文献54）15.3.1.4 CNTs包裹电极制备CNTs修饰电极的简单而有效的方法是，将CNTs溶液或悬浮液滴涂在电极表面上，然后蒸发掉溶剂。然而，由于CNTs之间强烈的范德华力，CNTs易于团聚，造成CNTs在水或其他溶剂中的溶解性降低，由此阻碍了CNTs溶液的制备和利用。Ausman等人发现有机溶剂有利于形成稳定的CNTs分散体系。CNTs在几种有机溶剂中如二甲基甲酰胺、丙酮、乙腈和乙醇中均可分散，并用于包裹电极表面CNTs修饰电极与裸电极相比，对铁氰化钾、NADH、肾上腺素和去甲肾上

30、腺素的电催化测定时，显示出电流增大，氧化还原峰电位差变小，可逆性变好。然而，有机溶剂可能造成生物分子变形失活，CNTs在有机溶剂中的分散不宜制备生物传感器。因此，CNTs水性分散体系及CNTs的溶解性引起广泛关注。正如中描述，酸处理可引入羧酸并引起管变短，典型处理方法如下：在100mL试管中装入40mL浓硫酸/硝酸(3：1)混合液，将纯净的CNTs浸入其中，在35-40的水浴中超声处理24h，所得悬浮液用200mL水稀释，较大的CNTs段富集在孔径为100nm的过滤膜上，用10mmol/L的NaOH的溶液冲洗。截断的碳纳米管再放入4:1的浓H2SO4和30的H2O2水溶液中，在70下，搅拌30

31、min，然后再用100nm的膜过滤并冲洗，短的CNTs在以浓度为0.1mg/mL在0.5的TrionX-100表面活性剂作用下进行分散。酸处理使CNTs变短，而且使CHNTs羧基化。在缓冲溶液中，循环伏安实验表明，CNTs修饰的玻碳电极其羧酸集团具有较好的氧化还原行为。CNTs仅采用氧化便可产生稳定的CNTs悬浮液，可用于制备CNTs包覆电极。已有使用表面活性剂或聚合物非共价分散CHNTs的相关报道。文献【61】很好的综述报道了这方面内容。文献【63】简单的使用天然阿拉伯胶（gum arabic）分散CNTs。由于聚合物的物理吸附作用，可在水相中形成长度一致、完全分散、单根的CNTs。Wang

32、等人发现了全氟磺酸盐聚合物Nafion可使CNTs分散在水中，包裹CNTs的电极能大大提高H2O2的氧化还原活性，有助于制备基于H2O2氧化还原反应的电流型生物传感器。Zhang等人将CNTs溶于天然高分子聚合物高聚糖中（CHIT）中，用于修饰电极以制备生物传感器。这种CNTs/CHIT分散体系与氧化还原介质如甲苯胺蓝和天蓝染剂等形成复合膜，有助于烟酰胺腺嘌呤二核苷酸还原态（NADH）的电解氧化，可用于制备与大功能团烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+ ）有关的脱氢酶的生物电化学装置。 图15.10 （a）和（b）分别是小瓶中浓度为0.5mg/mL 的SWNT和MWNT在不同溶液（ivi）中的照片；

33、(c)是浓度为0.3mg/mL MWNT在0.5%Nafion溶液的透射电镜图（i）磷酸盐缓冲溶液（0.5mol/L，pH7.4）；(ii)98%乙醇（iii）10%乙醇磷酸盐缓冲溶液；（iv）0.1%Nafion磷酸盐缓冲溶液；（v）0.5%Nafion磷酸盐缓冲溶液（vi）0.5%Nafion乙醇溶液（经美国化学会（2003）授权，引自文献64）表面活性剂是CNTs分散于水中的一种廉价而有效的助剂，大量文献报道CNTs借助表面活性剂分散于水中。研究表明，由于CNTs与不同表面活性剂之间的相互作用机理不同，表面活性剂对CNTs的分散程度影响也不一样68,69。Islam等人70研究了占有较大

34、比重的CNTs在适当表面活性剂作用下的溶解性。由表面活性剂分散的CNTs修饰电极已被广泛应用于电化学和电分析化学研究。Chen等人71发现由十二烷基硫酸钠（SDS）分散CNTs修饰碳纤维纳米电极，对神经传导介质包括多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素具有高灵敏度的优异的电化学性能。图15.11为CNTs分散在十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）阳离子表面活性剂而得到的稳定的悬浮液。也有报道将葡萄糖氧化酶（GOx）固定在CNTs/CTAB修饰电极表面从而研究其直接电子传递72。疏水表面活性剂如双十六烷基磷酸（DHP）也可以用于制备CNTs包覆玻碳电极，在该修饰电极上，灭滴灵的还原电流值增大，从而提高了检测

35、灭滴灵的灵敏度73。作为分散剂的表面活性剂影响CNTs修饰电极对分析物的电化学响应，使用阳离子表面活性剂CTAB作为分散剂的CNTs修饰电极，对于带负电的小分子试剂如铁氰化钾和抗坏血酸，显示出了比阴离子表面活性剂如SDS更好的催化效应。而阴离子表面活化剂则对带正电的分析质如多巴胺有更好的催化活性。这种效应主要归因于静电作用，这种现象也发生在带负电的生物大分子如DNA在CNT（表面活性剂）修饰电极的电化学响应上（见图15.12）。只有在CNTs/CTAB修饰电极才能观察到+1.0V附近DNA溶液的氧化峰电流见图15.12a中的曲线（ii）。在CNTs/CTAB修饰电极测量DNA的微分脉冲伏安实验

36、中，也出现了一个尖锐的峰，这是由于DNA中的腺嘌呤残基的氧化所致见图15.12b中曲线(ii)。不同表面活性剂在碳纳米管促进DNA的电子转移作用差异验证了表面活性剂和DNA之间的静电作用（图15.13）。DNA在CNTs/CTAB修饰电极表面的有效吸附是实现DNA在CNTs/CTAB上快速电子传递的重要因素。制得稳定的CNTs悬浮液是制备CNTs包覆电极的前提，选择合适的表面活性剂作为分散剂是构建高催化活性和高灵敏度的CNTs修饰电极的基础。图15.11 照片中的(a)瓶和(b)瓶分别是1mg/mLCNT在水中和在0.1%CTAB溶液中超声分散的结果（a） CNT在水中分散0.5h后拍照的，（

37、b）CNT在CTAB溶液中分散一周后拍照的（经lserier（2004）授权，引自文献72） CNTs提高生物小分子和药性分子电分析的灵敏度和选择性在CNTs修饰电极上，一些重要分析物特别是生物小分子和药性分子的测定，被广泛研究。尤其是存在于哺乳动物中枢神经系统中十分重要的神经传质，如多巴胺、肾上腺素和去甲肾上腺素的测定，人们倍感兴趣。然而，由于哺乳动物神经和大脑组织中有高浓度的抗坏血酸，而神经传导质和抗坏血酸的氧化电位接近，用传统的电极进行电分析时存在相互干扰。Wang等人74发现CNTs修饰的金电极对多巴胺和去肾上腺素有较好的电催化活性，在这种修饰电极上，去甲肾上腺素、尿酸和抗坏血酸有各自

38、独立的电化学响应。已有关于使用CNTs包覆和夹层电极75、CNTs/Nafion修饰玻碳电极76、CNTs修饰金电极、DNA功能化的碳纳米管80以及由刚果红用物理研磨法得到的非共价功能化的水溶性CNTs81等修饰电极，在抗坏血酸大量存在下可选择性检测多巴胺的报道。图15.14显示的是用CNTs修饰电极在抗坏血酸共存下选择性检测多巴胺的典型伏安图。也有用-环糊精-CNT修饰电极选择性伏安检测抗坏血酸中共存的尿酸82和去肾上腺素83。Ye等人84研究了碳纳米管阵列电极用于选择性检测抗坏血酸共存的尿酸。还有关于用CNTs修饰的玻碳电极同时检测多巴胺和血清素的报道85。（a）（b）图15.12 （a）

39、和（b）分别是1mg/mLDNA在0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液中循环伏安和微分脉冲伏安图（i）裸玻碳电极（ii）CTAB分散的CNT修饰的玻碳电极（iii）Triton X -100分散的CNT修饰的玻碳电极；（iv）SDS分散的CNT修饰的玻碳电极（b）中的插图是在0.1mol/L磷酸盐缓冲溶液（pH7.4）中1g/mL腺嘌呤在CNT/CTAB修饰玻碳电极上DPV曲线。富集时间：5min，循环伏安扫速0.1V/s，DPV脉冲振幅50mV，脉冲宽度50ms（未公开出版的结果）图15.13 吸附在CNTs上的表面活性剂和带负电荷的DNA分子的静电作用的示意图图15.14 （PPDA/MWNT）

40、5/GCE在0.10mmol抗坏血酸中不同的多巴胺的Osteryoung方波伏安图（OSWV）多巴胺的浓度（mol/L）分别是：（a）0；（b）2；（c）4；（d）6；（e）8；（f）10；（g）12；（h）17；（i）20；（j）24；（k）28；（l）32。OSWV的阶跃高度为4mV，脉冲高度为20mV，频率为2 Hz，静电时间为2s（经Elsevier（2005）授权，引自文献72） 研究表明，CNTs的存在极大地提高了6-卞氨基嘌呤的氧化峰电流，并且灵敏度高、响应快和稳定性较好86，适宜于检测痕量的卞氨基嘌呤。Wang等人87研究了在碱性介质中用-环糊精-CNTs包覆电极检测胸腺嘧啶的

41、催化氧化，并进一步用微分脉冲伏安法（PDV）对其进行灵敏检验。CNTs修饰电极对色氨酸的氧化反应有较高的催化活性，可用于色氨酸的电化学检测88。一种新的CNTs/3-疏基丙基-三甲基硅烷（MPS）双层修饰的金电极可用于研究羟哌氟丙嗪的电化学行为89，用这种CNTs修饰电极，成功的实现了对药品中的羟哌氟丙嗪的检测。使用CNTs修饰电极，人们还开发了检测人尿样中8-氮杂鸟嘌呤的超灵敏电化学方法90。Zhu等人91研究了在CNTs修饰电极上茶叶碱（TP）的电化学氧化行为，可用于药品中茶叶碱的检测。15.3.3 CNTs电极上蛋白质和酶的直接电子传递 蛋白质和酶的氧化还原活性位点包埋在疏水的多肽链中，

42、其活性中心很难与电极表面相连。因此，蛋白质和酶在传统的Au、Pt、玻碳电极上不能进行直接电化学表征。另外吸附的大分子杂质或蛋白质也降低了电子传递。为了促进蛋白质或酶与电极表面之间的电子传递，人们做了大量工作。CNTs修饰电极由于其独特的电学和结构性质，有利于蛋白质直接电化学研究。最初关于CNTs修饰电极促进蛋白质（亦即细胞色素c和天青蛋白）的电化学响应之后92，Wang等人93用CNTs修饰的玻碳电极观测到了色素细胞c一对形状较好的氧化还原峰，峰电流值随细胞色素c浓度呈线性变化。人们还研究了吸附在碳纳米管表面细胞色素c的电化学性质，利用CNTs/细胞色素c修饰电极94制备了无试剂生物传感器用于

43、测定H2O2。将肌红蛋白（Mb）和辣根过氧化酶（HRP）共价连接到垂直排列的CNTs管端后48，显示Fe（III）/Fe（II）电对准可逆的氧化还原性，同时显示出连接在CNTs上的Mb和HRP仍保持生物活性。CNTs修饰电极促进了Mb9597和血红蛋白（Hb）98100的直接电子传递。基于CNTs修饰电极的电催化活性，人们开发了检测H2O2和NO的无试剂型生物传感器。此外，研究表明，H2O2能提高酶的直接电化学活性。Dong及其研究人员用CNTs修饰玻碳电极101和壳聚糖与CNT的层层自组装膜研究了微过氧化物酶（MP-11）的电化学性质102。固定的MP-11对H2O2和O2的还原反应仍保持生

44、物电化学催化活性，可用于生物传感器和生物燃料电池。也由关于在CNTs修饰金电极和玻碳电极上，过氧化氢酶的电化学性质的报道103,104在CNTs修饰电极上过氧化氢酶催化血红素中的Fe（III）/Fe（II）氧化还原电子传递速率比在未修饰电极和其它类型的碳电极上要快。Zhao等人研究了CNTs粉末微电极上的HRP105和GOx106的电化学性质。Liu等人检测了GOx和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）氧化还原反应活性中心与CNTs修饰的金电极表面之间的电子传递107，这些研究成果有助于理解酶的氧化还原反应本质。并且固定的GOx仍保持了对葡萄糖的氧化反应的催化作用72,108，可用来制备葡萄糖传感器。

45、当酶溶液的pH值低于酶的等电点时，酶带有正电荷，与酸处理过的带负电基团如羧基的CNTs相互吸引，这样通过层层组装可制得酶的多层膜。例如，将聚二丙烯基二甲基氯化铵（PDDA）处理过的玻碳电极多次交替侵入CNTs和GOx溶液（pH=3.8），可在电极表面固定五层GOx多层膜的示意图。图15.15 GOx在CNTs上形成多层膜的示意图 GOx/CNTs修饰电极在磷酸缓冲溶液（pH7.4）中循环伏安图由两队氧化还原峰。第一对峰（E1/2=-0.09V,vs Ag/AgCl）属于CNTs上羧酸基团的氧化行为，而第二对峰（E1/2=-0.46V,vs Ag/AgCl）则是GOx的直接电子传递。峰电流的大小

46、随层数的增加而增大，表明层层组装制备技术可有效固定化GOx（图15.16）。图15.16 固定在PDDA/GCE上的GOx/ CNTsn在0.1mol/L的磷酸缓冲溶液（pH7.4）中，扫描速率为0.1V/s的循环伏安图，表明GOx/ CNTsn层数从1到5 变化是，响应增加（未出版的结果，J Zhang , M Feng , and H.Tachikawa）15.3.4 基于CNTs的电化学生物传感器CNTs由于其独特的电化学特性和生物相容的纳米结构，为开发超灵敏电化学生物传感器提供了可能性，Luong等人将GOx固定在溶解于3-氨基丙基-三乙氧基硅烷（APTES）中的GOx上制备了葡萄糖生

47、物传感器。使用CNTs纤维所制备的生物传感器可得pA的电流响应，其响应时间小于5s，检测限为510mol/L109。可用Nafion溶解CNTs并与Pt纳米粒子结合时，CNTs与Pt纳米粒子强烈作用，从而形成网状结构，并将Pt粒子连接到电极表面。在玻碳电极或碳纤维微电极上采用基于Pt-CNT纳米混杂葡萄糖传感器检测葡萄糖时。要比在GC/GOx上修饰Pt纳米粒子的电极或单独使用CNTs电极灵敏度更高其响应时间和检测限分别为3s和0.5mol/L110。另外，文献111报道在石墨基质上先合成CNTs，再修饰上Pt纳米粒子，进一步吸附GOx构成葡萄糖传感器。Joshi等人112使酶溶解于CNT溶液中

48、，与一种氧化还原聚合物聚（乙烯基吡啶）双联吡啶基氯化锇价廉成膜，构成葡萄糖生物传感器，这种传感器的葡萄糖氧化电流（1 m A/cm2）比普通葡萄糖传感器增大三倍。此外，基于CNTs的葡萄糖电化学传感器作为一种新型模拟酶传感器，受到极大关注。Salimi等人42在CNTs修饰的石墨电极表面固定GOx溶胶-凝胶复合物制得葡萄糖传感器。人们还开发了基于碳纳米管和平板印刷电极制作的可弃型葡萄糖传感器113。Li等人114使CNTs和GOx形成共价高浓度复合物，以制备生物传感界面。所有这种类型传感器在检测葡萄糖时显示出高灵敏度、响应快、重复性好、稳定性好等优异性能。也由其它酶固定在CNTs上以形成电化学

49、生物传感器的报道。Deo等人115研究了一种基于有机磷水解酶和CNTs修饰的杀虫剂安培生物传感器，用于检测有机磷（OP），可检测0.15mol/L对氧磷和0.8mol/L的对磷酸，灵敏度分别为25nA/(mol/L)和6nA/(mol/L)。Xu等人116研究了CNTs修饰电极对pH的灵敏性，将酶用溶胶-凝胶复合物固定在电极上，通过检测pH值构建了尿酶和乙酰胆碱酯酶的生物传感器。Loung等人117将腐胺氧化酶（POx）固定在APTES修饰的碳纳米管上，构建了可有效检测电极表面POx的电活性腐胺传感器。Rubianes和Rivas118研究表明CNTs对H2O2、苯醌的还原以及NADH的氧化有

50、较强的电催化活性，将H2O2与乳酸氧化酶、多元酚氧化酶和乙醇脱氧酶/NAD+进行复合，可以在复杂的基体中分别对乳酸、苯酚、邻苯二酚和乙醇进行低电流检测。基于CNTs的DNA电化学生物传感器也是CNTs在生物电化学上重要应用。由于CNTs的电催化活性及表面团聚作用，用MWNT119和SWNT120修饰电极对天然DNA进行直接电化学氧化时，能放大检测信号。Cai等人用带羧基的CNTs促进DNA的共价固定与杂交，从而制得了灵敏度DNA电化学传感器。与以前DNA传感器将寡核苷酸直接固定于碳电极相比，碳纳米管阵列由于具有大的表面积及良好的电子传递能力，显著提高了对DNA的结合能力和对DNA互补链的检测灵

51、敏度121。有文献报道，嵌在SiO2中MWNT阵列电极可以超灵敏检测DNA,与鸟嘌呤氧化的媒介Ru(bpy)32+相结合，可检测到寡核苷酸与亚阿摩尔浓度级的互补DNA的杂交45。Kerman等人122发现，管壁和管端功能化的碳纳米管可使鸟嘌呤氧化的伏安信号显著增强，并增加了DNA的固定面积。Wang等人123发现基于CNTs自组装的DNA传感器与自由CNTs相比据有更高的杂交效率。此外，将CNTs和其它纳米粒子如CdS124、Pt125和磁性纳米粒子126结合，很有希望构建超灵敏DNA电化学生物传感器。15.4 CNTs传感器的光谱表征 CNTs的拉曼光谱.1 CNTs的拉曼光谱的一般特性 拉

52、曼散射是表征CNTs样品最有效的技术之一。图15.17显示单根SWNT的拉曼光谱127。光谱显示了四个主要谱带，分别用RBM、D、G、和G'表示。图15.17 SWNT的拉曼光谱（经皇家化学会（2004）授权，引自文献134）出现在160300cm-1处的峰对应于径向呼吸震动模式（RBM），与管壁上所有碳原子的对称震动有关（图15.18a）128。根据关系式RBM=A/dt + B，RBM的频率与单根CNTs直径成反比，这里的参数A和B有实验测定。对于孤立的SMNTs，A=248cm-1，B=0129。在CNTs团聚体中，管间范德华力使其紫移620cm-1这是由于相邻管的空间位阻造成的

53、130。已知典型的SWNT束，直径范围为d1=（1.5±0.2）nm，A=234cm-1，B=10cm-1（B反映了管间相互作用）131。对大管径（d1>2nm）的CNTs，RBM强度弱，以至于难以观测。图15.18 （a）RBM模式和（b）G带模式的原子振动示意图（经IOP Publishing Ltd（2003）授权，引自文献128）图15.19 高规整的热解石墨（HOPG）MWNT束、单根半导体性质的SWNT及单根金属性质的SWNT的G带（经IOP Publishing Ltd（2003）授权，引自文献128）1580cm-1附近有切面模式的G带（高能量模式）也是CNTs

54、的特征带。SWNTs的G带会产生多重特征峰，它源自于石墨片卷曲成柱管时切面振动的对称呼吸模式。对于两个最强的G峰，用G+表示沿管轴的原子移动，G-表示沿管径方向的原子移动（图15.19）。例如，宽的是金属性质的SWNTs，而尖又弱的则为半导体性质的SWNTs128，这种特征可用于区别两种不同类型的SWNTs。G-随管径减小而减小，这种减小随着石墨片的卷曲度增加而增加132,133。无序和缺陷诱导的D带，通常出现在cm-1和1450cm-1之间。由于面内取代的杂原子、空缺、晶界或别的缺陷，以及有限尺度效应，产生了sp2杂化碳的一级散射作用而是这一波段被激活134。G'带是D带的二级倍频。

55、MWNT拉曼光谱的单个G带出现在1580cm-1以及D带大约在1360cm-1。大多数光谱特性用以区分SWNT和石墨，但在MWNTs中并不明显。对大直径的MWNTs的G+-G-分裂很小且不清晰，G带主要表现为一种弱的不对称带，而石墨的一个峰也出现在1580cm-1，因此很难将MWNTs和石墨的拉曼信号区分开来。15.4.1.2 SWNT的各向异性孤立的SWNT可作为偶极天线，沿管轴偏振。偏振效应。偏振效应对于碳纳米管阵列的表征很重要。通常，当一束光的偏振方向与管轴平行时，可观察到最强的拉曼信号，而当偏振光垂直管轴时则几乎无信号（见图15.20）135137。这种各向异性（对管径在0.42nm之

56、间的纳米管极为有效）随管径的增加而减弱。SWNT的各向异性可用于确定纳米管的方向。图15.20 固定在Si/SiO2基质上的单根半导体性质的SWNT的G带的偏振（a）入射光和散射光互相平行；（b）入射光和散射光互相垂直。=0o表示入射光沿管轴方向偏振。（c）和（d）中的点分别表示（a）和（b）中G带强度与的关系。实现上的点对应的数据符合函数关系cos4()及cos2()sin2()（经美国物理学会（2002）授权，引自文献137）15.4.1.3 单根纳米管性质要设计纳米尺度SWNT传感器，需要了解单根纳米管的性质。利用电子束印刷术和纳米制备方法，Cronin等人138实现了对单根纳米管的光电性质的测定。图15.21显示的是单根碳纳米管