夏 咏 汤清伦 韦 炜

（1.湖北省纺织新材料及其应用重点实验室，湖北武汉，430200；2.武汉纺织大学，湖北武汉，430200）

随着生物传感器快速检测技术在生物医药、环境监测、食品、临床医学等领域应用的崛起，导电聚合物应用于生物传感器的研究引起了国内外许多学者的关注。1986 年，FOULDS N C 等首次将葡萄糖氧化酶通过包埋的方式固定在聚吡咯中，制备了第一个酶生物传感器，从此揭开了导电聚合物在生物传感器中应用的序幕［1］。导电聚合物具有质轻、空气中热稳定的电导能力，部分复合导电聚合物还具有良好的生物相容性；导电聚合物在生物传感器中应用时，其形貌、结构、维度等因素对导电聚合物的电化学性能均有影响［2⁃4］。三维结构导电聚合物比传统的二维导电聚合物拥有更大的比表面积，可提供更多的导电聚合物分子，能负载更多的生物活性分子，生物活性物质与待检测物质特异性反应产生的电子可直接与电极材料表面接触，提高了生物传感器的响应速度［5］。

本文介绍了生物传感器的原理，三维导电聚合物的三维空间结构的构建方法，以及在生物传感器领域应用的性能特点，并对三维导电聚合物在生物传感器领域的应用前景作出展望。

1 三维导电聚合物传感器原理及构建方法

1.1 生物传感器的原理

生物传感器是利用生物或者生化反应检测目标分析物的分析装置，主要由生物元件和传感器组成，而导电聚合物生物传感器通过固定化生物体成分（酶、抗体、抗原）或生物体本身（细胞、微生物等）等生物材料作为敏感器件，以负载有生物材料的导电聚合物修饰的电极（固体电极）作为转换器件，其原理示意图如图1 所示［6⁃7］。采用包埋或吸附方式固定在导电聚合物膜上的生物活性物质与待检测物通过接触产生物理或化学反应，三维结构导电聚合物可使电子在生物活性物质（活性中心）直接转移到电极表面，可以很大限度地提高生物传感器的灵敏度。换能器将物理或化学变化产生的信号转换成电信号，数字分析系统再对电信号进行处理分析。

图1 导电聚合物生物传感器工作原理示意图

1.2 三维导电聚合物及其三维结构的构建

导电聚合物有结构型和填充型两种［8］。结构型导电聚合物具有共轭长链状结构，经过掺杂，离域π 键能够在分子链上部形成稳定电流，赋予分子导电性能，例如常见的聚苯胺、聚吡咯（以下简称 PPy）、聚噻吩［9⁃11］。结构型导电聚合物通过原位聚合、层间堆积等方式构成三维网络结构。填充型导电聚合物则是使用导电材料填充聚合物形成的复合导电聚合物。例如，三维结构的石墨烯与聚苯乙烯复合形成的三维结构复合导电聚合物。三维结构导电聚合物包含填充型导电聚合物复合材料和本征结构型导电聚合物。目前实现三维结构导电聚合物最常用的方法有原位聚合法和化学气相沉积法。

1.2.1 原位聚合法

原位聚合法是指导电聚合物单体在氧化剂的作用下产生原位聚合反应，聚合物单体通过分子间作用力，使导电聚合物产生片状、螺旋状、网状等三维结构的导电聚合物。原位聚合法适用于聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等导电高分子。该方法制备导电聚合物最为简单，可通过一步法制备包埋形式的生物传感器。在导电聚合物原位聚合的同时将生物活性分子包埋在导电聚合物网络结构中，导电聚合物不仅起支撑空间结构的作用，还可作为导电材料将电信号传到活性分子上。WU H 等使用原位聚合法制备了具有三维网状结构的两性离子聚磺基苯并噻吩葡萄糖生物传感器［12］。

1.2.2 化学气相沉积法

化学气相沉积法是指将导电聚合物通过化学聚合沉积在具有三维结构的模板上，形成三维结构的导电聚合物。VOITECHOVIC E 等采用化学气相沉积法将苯胺单体聚合沉积在三维叉指电极阵列表面，形成三维叉指结构的聚苯胺酶生物传感器［13］。

2 三维导电聚合物生物传感器的应用

2.1 酶三维导电聚合物生物传感器

酶生物传感器具有灵敏度高、专一性强、检测限低、选择性好、操作简单等优点，是最早商品化的生物传感器，也是被研究最多、应用最广泛的一类生物传感器［14⁃15］。使用导电聚合物固定酶制备的生物传感器均匀性较好，导电聚合物膜的选择透过性还能提高酶生物传感器的抗干扰能力［16］。将酶生物活性物质固定于三维导电聚合物上，并用来修饰电极，可以在很大程度上提高酶生物传感器的检测极限。

KANG Z 等以聚苯胺单体和碳纳米管（即CNTs）为原料，通过高温炭化制备了根瘤菌结构PANI/CNTs 三维复合材料，并作用于酶生物传感器［17］。将聚苯胺均匀地分布在碳纳米管表面，使炭化后的聚苯胺起“导电胶”的作用，将相邻的碳纳米管连接起来形成三维结构。聚苯胺的黏连作用可以有效降低碳纳米管连接处的电阻。制备的 Nafion/DOx/PANI1600@⁃CNTs/GCE 电极材料不仅具有良好的检测性能，还能对葡萄糖起氧化催化作用，是固定酶的良好电极材料。该电极材料在0.45 V 电压下最大输出功率为1.12 mW/cm2。该制备方法提供了导电聚合物与无机材料形成的复合材料在高温炭化下实际应用的思路，有助于导电聚合物在生物传感器领域的发展。

2.2 DNA 生物传感器

传统的荧光识别DNA 传感器是通过荧光检测探针DNA 表面结构的改变，电化学DNA 生物传感器通过表面探针DNA 与靶序列结合检测其电信号。电化学DNA 生物传感器制备更简单，检测速度更快，灵敏度更高，相较于荧光识别DNA 生物传感器应用更为广泛［18］。YANG Y 等采用原位氧化聚合法合成了三维结构还原氧化石墨烯与聚苯胺的棒状纳米复合物（以下简称3D⁃rGO@PANI）［19］。聚苯胺均匀分布三维结构石墨烯表面，富含氨基3D⁃rGO@PANI 对含有胸腺嘧啶的DNA 链的固定具有很高的亲和力，用该复合物作为DNA 固定的载体用于环境中Hg2+的检测，得益于胸腺嘧啶与Hg2+易结合形T⁃Hg2+⁃T配位。采用电化学阻抗谱法测定显示基于3D⁃rGO@PANI 纳米复合材料的电化学生物传感器对Hg2+在0.1 nmol/L～100 nmol/L 范围内具有较高的灵敏度和选择性，检测下限为0.035 nmol/L。该生物传感器同样可用于环境中多种重金属离子的检测。

2.3 微生物传感器

微生物细胞传感器的原理是通过基因融合将与特定检测物相关启动子元件和报道基因构建于质粒或染色体DNA 上，并在宿主菌中表达。环境中的待检测作为启动子元件，特异性受体（酶、抗体等）对其进行识别，并使之在基因中表达。微生物传感器能够实时、快速、真实地反应被检测物与细胞之间的反应程度，其特点是检测下限低，且多用于环境中重金属的检测［20］。

所有的废水检测参数中，生化需氧量（Bio⁃chemical Oxygen Demand，以下简称 BOD）是确定废水相对需氧量最重要、最常用的参数之一［21］。HU J 等采用水热法制备三维多孔石墨烯聚吡咯（以下简称rGO⁃PPy）复合材料，然后以三维多孔rGO⁃PPy 复合材料为载体，通过配位和静电相互作用固定了带负电的枯草杆菌rGO⁃PPy⁃B［22］。进一步，将制备的 rGO⁃PPy⁃B 作为微生物生物膜，以铁氰化物为电子受体构建了介导的BOD 生物传感器，采用叉指超微电极阵列为工作电极，对还原铁氰化物介质中产生的亚铁氰化物进行电化学测定，对还原铁氰化物测定间接表达BOD 的含量。结果显示，在 4 mg/L～60 mg/L 范围内，电流响应与BOD 标准浓度呈良好的线性关系，检测极限为1.8 mg/L。这种方法制备的微生物传感器在实际水质检测中展现出巨大的潜在应用价值。

2.4 葡萄糖生物传感器

葡萄糖生物传感器常用来检测尿液、血液中葡萄糖浓度，在食品和生物学领域有广泛应用前景［23］。CHEN X 等采用分步电沉积法制备了三维有序大孔自掺杂聚苯胺/普鲁士蓝（以下简称3DOM SPAN/PB）双组分薄膜［24］。在这种双组分薄膜中，铅不仅起到氧化还原介质的作用，而且在中性或弱碱性溶液中，通过保护膜顶的跨层而提高了稳定性。利用3DOM SPAN/PB 薄膜具有较大的比表面积和良好的导电性，制备了一种新型葡萄糖生物传感器。在理想试验条件下，用该双组分膜修饰电极制备的葡萄糖生物传感器在检测葡萄糖浓度为 2 μmol/L～1 600 μmol/L 时呈良好的线性关系，并且葡萄糖浓度检测下限达0.4 mmol/L。与传统的铅基生物传感器相比，该材料在实际应用中响应时间更短，重复使用率高，操作稳定性更好，对被检测样品不需要进行任何预处理。

2.5 H2O2生物传感器

H2O2俗称双氧水，具有氧化性，是细胞代谢生理过程产生的副产物，在生物细胞分析中具有价值。常见的H2O2分析是使用辣根过氧化物酶，但是酶型生物传感器制作成本高。与现有的基于辣根过氧化物酶、血红蛋白或细胞色素c 的酶过氧化氢生物传感器相比，非酶过氧化氢生物传感器可以降低成本，消除酶传感器固有的电活性物种干扰和酶稳定性差等问题。WANG Q 等设计了一种三维微纳米界面非酶型细胞生物传感器，基于PPy 良好的生物相容性，该传感器使活细胞直接生长在新型中空角状聚吡咯（以下简称hP⁃Py）/二氧化锰膜上，并用于原位检测 H2O2［25］。释放的过氧化氢分子将被催化剂快速捕获并被传感电极有效检测，有效防止过氧化氢释放出来后迅速衰减，从而大大提高检测精度。细胞黏附试验结果表明，所制备的三维微纳阵列膜具有良好的细胞黏附性。电化学研究结果表明，该平台具有较高的电活性和良好的电子运输性能，储存60 天后其电流响应没有明显下降。与传统的花椰菜型PPy 或辣根过氧化物修饰的酶型传感器相比，所制备的3D⁃hPPy/MnO2阵列薄膜与癌细胞具有良好的匹配性，增强了细胞与基底的相互作用，提高了细胞的捕获能力，从而提高了电子转移效率。

2.6 无标记生物传感平台

传统的生物传感器在设计时常常在结构和性能上只针对一种生物分子作考虑，为提高生物传感器的适用性和使用性能，许多研究人员开始设计适合多种不同生物分子的生物传感器平台。SOGANCI T 等设计了一种超结构的导电聚合物生物传感器平台，该生物传感平台以三维结构双胺基取代的噻吩基⁃吡咯衍生物为修饰基材，双功能酰胺基会增加大量氢键的链间的相互作用，从而使表面的聚合物结构刚性并迫使其平面化，而平面结构允许p 轨道最大程度的重叠［26］。三维链结构可以增加生物传感器平台的灵敏性、稳定性，自由的氨基则通过共价键与生物分子相结合。将二酮和胺脱水合成的单体BTP 与葡萄糖氧化酶复合应用在该生物传感平台上，并用于饮料中葡萄糖的检测。结果显示，在0.1 mmol/L～1 mmol/L葡萄糖浓度范围之间，P⁃（BTP）/GOx呈线性关系，葡萄糖的检出限和灵敏度分别为0.034 mmol/LM 和9.43 μA/mmol·cm2。相较于传统的石墨烯或碳纳米管修饰的生物传感器，所设计的含官能团的三维导电聚合物生物传感器平台在不添加碳纳米管或石墨烯的情况下具有良好的稳定性和良好的动力学参数。

3 结束语

基于三维结构的导电聚合物具有较大的比表面积、稳定的空间结构、良好的导电能力和生物相容性，将其应用于生物传感电极材料的修饰，可以很大程度上提高生物传感器的灵敏度、检测极限和重复使用性。通过三维结构控制，导电聚合物功能化处理，与碳纳米管或金纳米粒子复合，可以赋予三维结构导电聚合物更好的性能。相信随着三维结构导电聚合物对被检测抗干扰能力的提高以及生物活性物质维持时间的改善，其可广泛应用于生物医药管理、临床医学诊断、环境卫生检测和食品安全监督等领域。此外，在纺织领域的工业化应用中，以三维导电聚合物为基底修饰的生物传感器，有望在纺织品生物染色、纺织品中微量重金属及污染物含量检测等领域中表现出显著的应用价值。