林 涛， 王韬群， 肖 菲*

(华中科技大学化学与化工学院，湖北武汉 430074)

1 前言

癌症是全球居第二位的最常见致死因素，对全球医疗保健构成了重大的挑战，因此，癌症的早期诊断对癌症患者的治疗效果具有重要意义[1]。癌症检测的途径之一就是通过对生物体内的癌症标志物进行检测，癌症标志物是肿瘤细胞在癌症发展和生长过程中已经生成或正在产生的物质[2]，这些生物标志物可能是与癌细胞相关的细胞表面糖蛋白或癌细胞分泌的蛋白质、碳水化合物以及核酸[3]。H2O2被认为是癌细胞中最丰富、最稳定的非自由基活性氧[4]。已经有证据表明，癌细胞通常具有高水平的H2O2，而细胞中H2O2的增加与癌症的几种关键改变有关，包括DNA损伤、细胞增殖、凋亡抗性和转移[5]。因此通过准确高灵敏检测H2O2，监测其在体内浓度，并了解相关的生物学效应，这对于癌症的早期预防和临床治疗具有重要意义。

目前检测H2O2的方法主要有化学发光法[6]、荧光法[7]、比色法[8]和电化学方法[9]等。在这些方法中，电化学传感技术因其操作简便，响应速度快，检测限低和灵敏度高而备受关注[10]。构建电化学生物传感器的关键在于构建灵敏度高，检测限低，安全可靠和稳定的电极。Adams于1958年引入碳基电极[11]，碳或碳基材料的使用具有许多优点，包括易于制备、催化剂分布均匀、重现性好、高的稳定性和低的电阻[12]。然而，早期的碳基生物传感器缺乏表面结构的改进，对生物分子响应检测的灵敏度和检测限有限。研究表明，在生物传感器构造过程中使用尺寸确定的纳米材料，以及引入纳米粒子可以有效提高生物传感器的灵敏度和降低检出限[13]。碳纳米材料因其结构的多样性而具有独特的电子、磁学和光学等特性，加之稳健的化学性质、易于操作的特性和良好的生物相容性，在传感器的应用中极具吸引力[14]。同时，为了进一步改善电化学生物传感器的性能，越来越多的金属及金属化合物复合碳基纳米材料也被应用于H2O2电化学传感器[15]。本文综述了近年来柔性自支撑碳基电极在H2O2电化学生物传感器的研究进展，并总结和展望了当前的挑战和未来机遇。

2 一维碳基柔性自支撑电极

2.1 碳纤维

碳纤维(Carbon Fiber,CF)具有高机械强度、高弹性模量、良好的韧性、导电性好、比表面积大和稳定性高等特点，常被用作柔性电极基底材料。碳纤维直径为5～10 μm，从而为微电极的构建提供了应用可能性。

2.1.1 贵金属与碳纤维复合由于贵金属纳米粒子通常具有较高的电导率和电催化活性，通过在碳纤维表面负载一定量的贵金属纳米粒子可以有效提高碳纤维对H2O2的电化学传感性能。Chen等[16]基于电化学刻蚀技术和电沉积Pt纳米粒子，构建了一种碳纤维尖端表面修饰有Pt纳米粒子的碳纤维微电极。因该电极高的灵敏度和良好的重现性，可实现对人胶质母细胞瘤细胞U87中释放的H2O2进行快速检测，为活细胞中H2O2的实时电化学监测提供了一种简便的方法。Wang等[17]设计了Pt纳米粒子修饰的、沉积了间苯二胺和萘酚作为介电层的碳纤维微电极，介电层可以排除阴阳离子、抗坏血酸和多巴胺的干扰，基于此电极的H2O2传感器显示出极高的灵敏度。由于碳纤维表面积有限，因此设计合理的分级结构，例如构建管状中空结构可以扩展碳纤维的表面积，实现更多活性材料的负载，创造更多的活性位点，提高电催化效率[18]。Zhang等[19]开发了一种新颖的包裹有金纳米颗粒的氮掺杂碳纳米管阵列修饰的碳纤维柔性复合电极(图1)，该电极表现出优异的H2O2电催化活性，通过该传感平台测定了化疗和放疗前后两种乳腺癌细胞MCF-7和MDA-MB-231的H2O2释放量，评估了不同癌细胞对化疗和放疗的敏感性。

图1 CF@NCNTAs-GNPs纳米复合材料的制备过程示意图[19]Fig.1 Schematic illustration of the fabrication procedure of CF@NCNTAs-GNPs nanocomposite[19]

碳纳米微球具有更高的比表面积，Zhang等[20]在先前的工作中，引入聚葡萄糖碳纳米微球，通过模板法在碳纤维上构建了珊瑚状纳米球包裹的空心碳管阵列，并进一步负载Pt纳米颗粒，这种复合碳纤维电极对检测H2O2表现出优良的传感性能，检出限低至50 nmol/L。通过将该复合电极分别对人的正常乳腺细胞(HBL-100)、MDA-MB-231和MCF-7释放的H2O2原位实时跟踪，证明了乳腺癌细胞H2O2释放量高于正常乳腺细胞。该电极可用作区分不同类型人类乳腺癌细胞的灵敏探针。在碳纤维表面引入纳米阵列作为载体有助于更多的活性金属纳米颗粒的负载，Yuan等[21]报道了一种二维VS2@VC@NC-Pd纳米颗粒分层核壳结构组装的复合柔性碳纤维电极。由于玫瑰花状VS2结构为Pd纳米颗粒提供了丰富的负载位点，该微电极对H2O2表现出良好的电化学传感性能，灵敏度高达152.7 μA/(mmol/L·cm2)，同时具有良好的重现性和抗干扰能力，可以检测原发性乳腺癌临床组织释放的H2O2。

2.1.2 双金属/合金纳米粒子与碳纤维复合与单金属催化剂相比，双金属/合金纳米粒子具有独特的磁学、光学和催化性能，表现出比单一催化剂更高的催化活性[22,23]。Yang等[24]利用静电相互作用使Au、Pd前驱体进行自组装，然后使用烟酰胺作为还原剂在碳纤维上直接将Au、Pd前驱体还原为金属颗粒，得到Au-Pd合金纳米颗粒修饰的碳纤维电极(图2A)，可用于酸性溶液中H2O2还原。Li等[25]采用一步电沉积法将Pt-Pd纳米颗粒修饰到碳纤维上，该微电极对H2O2具有较高的电催化活性，并成功应用于A549活细胞释放的H2O2的定量检测。为了使更多的金属纳米粒子负载在碳纤维上，Wang等[26]使用离子液体作为电解质，在活化碳纤维表面电沉积氧化石墨烯(GO)纳米片，制备3D多孔石墨烯骨架包裹的碳纤维，该材料被高度致密且分散良好的Pt-Au合金纳米花进一步修饰，制得分层的复合微电极，并实时跟踪了女性癌细胞分泌的H2O2(图2B)。Xu等[27]利用离子液体将石墨烯量子点(GQDs)引入到碳纤维表面，构建出Au-Pd合金纳米颗粒修饰的GQDs组件包覆的碳纤维微电极，并成功应用于人乳腺癌细胞和组织中H2O2的灵敏检测。Gowthaman等[28]采用电化学沉积的方法在碳纤维表面电沉积Au-Ag纳米颗粒，可灵敏测定人尿液和血清中的H2O2(图2C)，灵敏度高达3 523.14 μA/(mmol/L·cm2)。

图2 (A)烟草提取物的制备和Au-Pd/CFC电极的形成机理示意图[24]。(B)PtAu/IL-ERGO/ACF微电极制备及近癌细胞检测(a)示意图，电极的SEM和TEM(b～d)图[26]。(C)监测人类尿液样品中的H2O2示意图[28]。Fig.2 (A)Schematic diagram of preparation progress of tobacco extract and formation mechanism of Au-Pd/CFC with high stability[24].(B)Fabrication process of the PtAu/IL-ERGO/ACF and near-cell cancer detection(a),SEM and TEM images(b -d) of electrode[26].(C)monitoring H2O2 in human urine sample[28].

2.1.3 金属化合物与碳纤维复合虽然贵金属纳米粒子具有优异的电催化活性，但是成本过高限制了其大规模应用。因此，如何减少贵金属纳米粒子的使用，或者寻找可以替代的电催化活性材料，从而使电极具有类似的催化活性，成为了研究人员的关注点。普鲁士蓝(PB)及其类似物具有稳定性好、电催化活性好、成本低、易于批量生产等特点，已经被广泛用作电化学传感器的电催化剂。普鲁士蓝及其类似物和许多聚合物涂层相结合表现出增强的电催化活性和抗干扰能力。Pauliukaite等[29]用六氰基铁酸钌混合薄膜修饰碳纤维，构建了一种可靠、稳定的H2O2传感器，该传感器的不间断工作寿命已证明至少为12 h，并有三个月以上的干存储稳定性。Salazar等[30]报道了一种普鲁士蓝与聚邻苯二胺共同修饰的碳纤维电极用于H2O2的灵敏检测，其中电合成的聚邻苯二胺可以提高传感器的稳定性和选择性。锰具有多种氧化态，锰氧化物被认为是良好的电活性物种，其中MnO2和Mn2O3是最常见的锰氧化物，已被广泛研究[31 - 33]。Xu等[34]首次报道了使用水热法在柔性碳纤维布上生长新型MnOOH纳米棒阵列，这种复合微电极被用于H2O2检测，所制备的柔性纤维电极具有良好的稳定性和抗弯折性，并被用于牙膏和牛奶中H2O2的检测。Abdurhman等[35]将采用原位电化学法制备的、具有分层纳米结构的Au/MnO2/石墨烯修饰的碳纤维电极用于H2O2传感，并用于实时跟踪人类宫颈癌细胞(HeLa)和HBL-100细胞中H2O2的分泌。

金属有机骨架(MOFs)化合物是一类比表面积高的多孔金属有机化合物[36]。其中，卟啉/金属卟啉的MOFs具有独特的催化和电化学性质[37,38]。Gao等[39]使用Al-TCPP-Co对碳纤维布进行涂覆，所制备的复合电极展现出良好的界面性能和优异的H2O2电化学传感性能。过渡金属氮掺杂碳具有良好的导电性、高的结构稳定性和均匀分散的活性中心[40]。Long等[41]通过双氰胺辅助热解法，在碳布上合成了由叶状碳片阵列和互连的碳纳米管组成的自支撑层状Co嵌入的氮掺杂碳结构，该微电极表现出优异的H2O2电化学传感性能，并成功原位实时检测了MDA-MB-231细胞和Hela细胞释放的H2O2，该自支撑电极在癌症诊断、环境监测和食品分析等方面具有很大的潜力。

2.2 石墨烯纤维

石墨烯纤维(Graphene Fiber，GF)具有重量轻、易塑形、导电性好，易于功能化等特点[42]，同时具有较大的表面积，丰富的活性位点，多孔性和良好的生物相容性，在电化学传感器领域也引起了极大的研究兴趣，它可以促进电极与电解质的接触并促进电子的转移，以及支持功能性纳米材料的高负载，并已用于多巴胺[43]、肾上腺素[44]和葡萄糖[45]的电化学检测，在H2O2传感方面展现出广阔的前景。

Peng等[46]开发了一种新型的石墨烯纤维电极，通过电化学沉积制备的石墨烯/金纳米片复合纤维可用于检测H2O2和葡萄糖。这种柔性石墨烯纤维传感器表现出对H2O2优异的电化学检测性能，并使用人角膜上皮细胞生长实验，证明了复合纤维具有低的细胞毒性和良好的生物相容性。CuO是一种具有窄带隙的过渡金属氧化物，各种形态的纳米结构已被用于构建电化学传感器[47]。Zeng等[48]使用纳米铜基MOFs化合物(HKUST-1)直接退火，制备超细CuxO纳米粒子修饰的石墨烯纤维，并将其用作H2O2传感电极，该传感电极表现出对H2O2显著的灵敏度和选择性，并被用于牛奶、人血清等实际样品。通过在石墨烯纤维表面构建分层花状结构，可以提高其表面积，为更多活性物质提供附着点。基于此，Zhao等[49]设计和制备了一种Au纳米粒子包裹的花状MnO2纳米线双纳米酶修饰的功能化石墨烯纤维，并探索了该电极对MCF-7、MDA-MB-231以及HBL-100细胞释放的H2O2的分析性能，证明了其优异的H2O2的电化学传感性能，为电化学传感系统中高性能纳米结构微电极的研制提供了新的策略(图3)。

图3 用于活细胞检测的MnO2-NWS@Au-NPs/GF微电极制作工艺示意图[49]Fig.3 Schematic diagram of the fabrication procedure of MnO2-NWs@Au-NPs/CF miroelectrode for live cells detection[49]

3 二维碳基柔性自支撑电极

自支撑石墨烯纸(Graphene Paper,GP)具有重量轻、高柔性、高导电性等特点，其优异的热稳定性、机械强度、结构均匀性、导电性、生物相容性以及在电化学环境中的稳定性，在柔性电子器件、传感器、生物医学等方面成为非常有潜力的材料[50 - 53]。

3.1 贵金属及其合金与石墨烯纸复合

为了锚定在石墨烯衬底上，纳米晶体可以在石墨烯存在下原位合成，或从其胶体分散体吸附在石墨烯上[54]。Xiao等[55]报道通过结构化二维Au纳米粒子组装膜与由界面组装工艺制备的石墨烯纸来制备高性能柔性电极，采用该方法制备了Au-还原氧化石墨烯(rGO)纸柔性复合电极。该电极对检测H2O2表现出优异的电化学性能。为了增加石墨烯纸的表面积，锚定更多的电催化金属纳米颗粒，Sun等[56]制备了高密度Pt纳米颗粒修饰的自支撑石墨烯-碳纳米管复合纸电极，该电极具有较大的电化学活性表面积，优异的电催化活性和柔韧性，对H2O2的检出限低至10 nmol/L，可用于实时跟踪活细胞巨噬细胞分泌的H2O2，展示了其在体内和体外临床诊断中的应用前景。此外，通过在rGO纸上依次生长MnO2纳米线网状结构，以及Pt纳米粒子得到Pt-MnO2/rGO三组分柔性电极，用于构建生物传感器平台也被报道[57]。这种柔性复合电极展示出检测H2O2的优异性能，已用于实时跟踪检测活细胞分泌H2O2。由于双金属纳米粒子的优异电催化活性，Sun等[58]通过在离子液体功能化的石墨烯纸上超声电沉积Pt-Pd合金纳米粒子，制备出一种新型的自支撑柔性多功能纳米复合纸电极，并探索了其在传感系统中的应用。这种柔性自支撑的纳米复合纸电极能够实时检测巨噬细胞分泌H2O2。这些特点表明它作为一种多功能的纳米杂化电极材料，在柔性和轻量化的生物传感系统，如可穿戴/植入式检测器和活体微型生物传感器中具有广阔的应用前景。

3.2 金属化合物与石墨烯纸复合

Dong等[59]报道了通过一步法电化学合成新型MnO2纳米线-石墨烯纳米复合纸电极的方法，该方法制备的柔性纸电极可用于非酶法检测H2O2，对H2O2的氧化还原表现出很高的电催化活性，具有良好的稳定性、选择性和重现性，能够用于实时跟踪检测巨噬细胞分泌的H2O2。Kranan等[60]报道了一种柔性自支撑的Cat-Fe3O4/rGO复合纸，结果表明这种纸电极检测H2O2具有线性范围宽、灵敏度高、检测限低等特点。为了提高所得石墨烯纸的比表面积和亲水性，Zhang等[61]等以3D金纳米花修饰的亲水性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐功能化石墨烯为浆料打印纳米杂化纸电极，并通过实时跟踪检测活细胞释放的H2O2，探索了其在活体乳腺癌细胞样品电化学传感中的应用。该传感器可以用于区分正常乳腺细胞和肿瘤细胞，评价放射治疗对不同乳腺癌细胞的效果。Zhu等[62]通过合成水溶性普鲁士蓝纳米粒子与还原氧化石墨烯纳米片形成稳定的杂化纳米片水溶液，并用以制备成石墨烯纸电极，构建的柔性电化学生物传感器对H2O2表现出高性能的电催化作用。

4 三维碳基柔性自支撑电极

4.1 石墨烯泡沫

三维石墨烯泡沫(3D Graphene Foam，3DGF)是石墨烯片相互连接的多孔网络结构，由于其较大的表面积和优异的电、机械和热性能，广泛应用于电子、能量存储、化学和生物传感器等多个领域[63 - 65]。3DGF可以用作构建基于石墨烯的复合材料的模板，与其他纳米材料(例如贵金属纳米颗粒和金属氧化物)的复合材料可以用作良好的电化学传感平台。Cao等[66]使用三维石墨烯网络(3DGNs)作为电活性材料的支撑模板，通过电沉积成功制备多壁碳纳米管与3DGNs复合材料、Pt纳米颗粒与3DGNs复合材料，以及MnO2纳米墙与3DGNs三种复合材料。这三种基于3DGNs的复合电极可实现H2O2的高效检测。Wang等[67]制备了Au纳米颗粒修饰石墨烯/泡沫镍复合材料，报道的这种复合材料可用作构建H2O2电化学传感器。在铂基双金属纳米催化剂中，Pt-Ru纳米催化剂表现出对H2O2优越的活性[68]。基于此，Kung等[69]将三维石墨烯泡沫和Pt-Ru双金属纳米粒子复合，该复合材料对H2O2电化学氧化表现出优异的性能，具有高的灵敏度(1 023.1 μA/(mmol/L·cm2))和低的检测限。由于非贵金属催化剂具有催化活性高、稳定性好等优点，被认为可能成为H2O2传感器的贵金属替代品。Si等[70]合成了一种新型的纳米网状Mn3O4/3DGF复合材料，用于开发高灵敏度、无酶型葡萄糖和H2O2传感器，该生物传感器对H2O2电化学检测具有高灵敏度和低检测限。Cheng等[71]通过水热法和过滤法分别合成了二维和三维自支撑还原氧化石墨烯负载的Cu2O复合材料，结果表明两种复合材料不仅具有优异的机械柔韧性，同时对H2O2的还原均有很高的电催化活性，可用于实时检测人血清中的H2O2。

4.2 碳泡沫

碳泡沫具有开放的孔道结构，其中的孔道相互连通，可以引入其他材料以增强其功能，因此这种多孔结构引起了广泛关注[72]。碳泡沫可由商品化的聚合物泡沫直接碳化得到，具有优异的弹性、高孔隙率、高比表面积、良好导电性等特点，可以用作柔性电极[73]。作为一种三维自支撑碳材料，碳泡沫复合材料在超级电容器[74]、气体传感[75]、非酶葡萄糖传感[76]等领域都有应用。Liu等[77]首次报道了在3D氮掺杂碳泡沫上负载Co3O4纳米线，用作检测H2O2的电化学传感器，其对H2O2的检测限低至1.4 μmol/L。该研究表明碳泡沫负载金属氧化物纳米材料是一类很有前途的H2O2电化学分析电极材料。He等[78]开发了一种由MnO2纳米片/碳泡沫组合的复合纳米材料，得益于MnO2纳米薄片的3D分层多孔结构，该电极对H2O2的检测响应快速。

4.3 石墨烯气凝胶

石墨烯气凝胶(Graphene Aerogel，GA)是由石墨烯纳米片交联而成的三维纳米结构材料，具有活性表面积大、电导率高、物质扩散不受阻碍等优点，在电化学传感器领域具有巨大的应用潜力[79]。化学掺杂外源原子(如氮原子)是改变组装石墨烯的电子性质和表面化学的有效策略，可以改善石墨烯的物理化学特性，特别是电化学性能[80]。Cai等[81]通过引入多巴胺制备了一种简单、无模板、低成本的3D氮掺杂石墨烯气凝胶(3D -NGA)，可将它直接作为工作电极实现H2O2的非酶电化学检测。因为3D -NGA电极具有优异的催化性能和较低的成本，因此在H2O2电化学传感方面显示出巨大的应用潜力(图4)。Liu等[82]在温和条件下制备了石墨烯/金纳米粒子复合气凝胶，该气凝胶也可直接作为柔性自支撑电极用于对H2O2的检测。

图4 3D -NGA的制备和电催化过程示意图[82]Fig.4 Schematic illustration of the preparation of and electrocatalysis process of the 3D-NGA[82]

5 总结与展望

本文从碳基电极的不同宏观维度出发，系统地介绍了一维、二维和三维柔性自支撑碳基电极在H2O2电化学传感方面的研究进展。得益于贵金属及其合金、金属化合物等纳米材料的飞速发展，它们与柔性碳基电极的结合赋予了柔性碳基自支撑电极优异的电催化活性、高效的电子传输能力和良好的生物相容性，在制备柔性、微型化和便携式的传感器件方面具有广阔的应用前景。但是即便如此，柔性自支撑碳基复合电极的研发和应用仍然面临一定的挑战，如电极材料的大规模制备、多功能化、绿色合成、降低成本以及在生物医学中的创新应用等。随着研究的不断深入和技术突破，基于柔性碳基复合材料构建的新一代电化学生物传感器将会得到更好的发展和更广阔的应用。