基于薄层黑磷的电化学传感器研究进展

唐子龙，郝远强，刘又年

（1 湖南科技大学化学化工学院，理论有机化学与功能分子教育部重点实验室，湖南 湘潭 411100；2 中南大学化学化工学院，湖南 长沙 410000）

二维（2D）纳米材料，如石墨烯、过渡金属二硫化物、石墨氮化碳、MXenes、六方氮化硼、过渡金属氧化物、层状黑磷（BP）等，由于具有优异的物理和化学特性，近年来一直是研究的热点。与本体材料相比，2D 层状材料有更大的比表面积和更快的载流子扩散速率，且从本体到薄层的结构变化会引起物质固有电子和光电特性的极大改变，从而能赋予2D 材料新的性能。层状黑磷（layered black phosphorus）作为一类新兴的2D纳米材料，近几年得到了广泛的研究和快速的发展。虽然早在1914年，Bridgman就通过高温和高压法将白磷转化得到了块状黑磷，但直到2014 年复旦大学张远波教授发现黑磷后，相关的基础和应用研究才取得突破性的进展。

在BP 中，每个P 原子通过sp杂化与3 个相邻的P原子共价结合，形成折叠的蜂窝状结构[见图1(a)]。相邻的两个BP 层之间通过范德华力相互作用堆叠。BP 层内包括两个原子几何层及两种P—P共价键和两种键角。较短的键（0.224nm）连接同一平面上最近的P 原子，而较长的键（0.244nm）连接同一层不共平面的相近P原子；两个键角分别为96.3°和102.1°[见图1(b)]。在外力作用下，单层或多层的BP纳米结构可从块状黑磷中脱落。BP具有与层数相关的带隙，从本体大小的0.3eV到单层的2.0eV，因此BP显示出了从可见光到中红外区域的光吸收范围，从而拓展了其潜在的光子学和光电应用。此外BP还具有高的载流子迁移率和电导率，且表现出各向异性。BP在方向上的电子迁移率是沿方 向 的14 倍[分 别 为1100～1140cm/(V·s)与80cm/(V·s)]，而方向上的空穴迁移率比沿方向的要小[640～700cm/(V·s)与10000～26000cm/(V·s)]。在常温下，BP 的电阻率在0.48～0.77Ω·cm 的范围内，此外，温度和压力也会改变BP 的电阻率。这些独特的各向异性晶体结构、光学性质及电学性质赋予了BP 在诸多领域的巨大应用潜力，如能量存储和转换、光电器件、催化、生物医学和生物传感等。

图1 BP的晶体结构图[8]

目前层状BP 主要是以块状黑磷为原料，采用自上而下的剥离法得到，包括常用的机械剥离和液相超声剥离法，以及电化学剥离和溶剂热处理法。最近也有报道采用自下而上的方法（即从原子或分子出发）合成得到BP，包括典型的湿化学合成和化学气相沉积（CVD）。由于黑磷自身在水和空气中，容易被氧化和降解，因此一般需要采用特定的处理方法提高BP 的稳定性，报道的策略主要有包覆、共价官能团化、非共价官能团化、金属离子修饰、离子液体辅助表面钝化以及掺杂等。通过在合成过程中或合成后的修饰处理，不仅可以大大提高BP的稳定性，而且形成的BP纳米复合物还具有更优异的性能。

迄今为止，关于BP 性质、合成及应用研究的报道已有近万例，也有大量综述论文总结和讨论了BP在能源、催化、传感等领域的应用。但系统总结BP 在分析传感领域应用的论文还很少，尤其是还未见BP 基纳米材料在电化学传感器中应用的全面性综述。基于此，本文系统总结BP 在电化学传感器构建与电化学检测中的应用，并以检测目标物的类别对BP 基电化学传感方法进行详细的分类总结，重点讨论各传感器的组成和设计原理以及BP 的制备、性质及其在传感器中的重要功能，最后还对BP 在电化学分析领域中应用的现存挑战和未来发展前景进行了讨论。

1 气体分子电化学传感器

气体传感器在公共安全、室内空气质量控制和环境监测中非常重要。基于金属氧化物的传统气体传感器存在需要高温操作的缺陷，因此开发可常温使用的气体传感器受到了广泛的关注。二维纳米材料（如石墨烯、CN、MoS、WS、黑磷）由于其超高的比表面积与表面活性成为了制备常温气体传感器的理想材料。其中黑磷具有高度的电子各向异性及对吸附分子敏感的导电性，最近被广泛地用于不同气体分子的检测，如HO、NO、甲醇等。黑磷基气体传感器可分为场效应晶体管（field effect transistor, FET）传感器与化学阻抗传感器。由于黑磷FET传感器一般不涉及化学反应过程且在之前的综述论文中得到了广泛的讨论，因此本部分将集中讨论化学阻抗类气体传感器。

1.1 氮氧化物电化学传感器

2014年，Kou等用第一性原理计算深入研究了单层磷烯在吸附不同气体分子（CO、CO、NH、NO、NO）后的电子结构和输运性质。在这些气体分子中，磷烯对氮氧化物（NO 和NO）具有更强的结合能力。他们利用非平衡格林函数计算了磷烯的电流-电压（-）关系。结果显示磷烯吸附气体分子后的电流变化表现出了显著的各向异性（扶手椅较之字形方向高出了1～2 个数量级）。Shi 等将黑磷与聚乙烯亚胺（polyethylenimine, PEI） 及CoO纳米颗粒结合得到了CoO@BP-PEI 复合物[见图2(a)]，并将该复合物成功用于NO（=1或2）气体分子的检测。在空气中O能吸附在CoO@BPPEI 表面并从中得到电子生成O，CoO@BP-PEI失去电子后其空穴载流子数量增加，从而其电阻减小。当有NO存在时，CoO@BP-PEI 能氧化部分NO，得到电子后的CoO@BP-PEI 空穴载流子数量将减少，从而其电阻值增大[见图2(a)]。基于该原理，CoO@BP-PEI 组建的电极能实现对NO的快速、高灵敏与高选择性检测。响应时间可低至0.67s，检测线性范围为0.03～100μL/L。

图2 Co3O4@BP-PEI复合材料的制备流程以及对NOx检测过程中涉及的化学反应及电荷转移示意图[42]

最近Yang 等以多孔阳极氧化铝为模板，采用熔喷高温高压转化法，制备出了形貌均一且长径比高（直径约为100nm、长约为10μm）的一维黑磷纳米线阵列。该BP 纳米线能对NO直接产生阻抗信号响应，从而实现其灵敏检测。该工作提供了一种较大规模制备一维黑磷材料的有效方法。Zhao等通过将离子液体（[bmim][BF]）、聚二烯丙基二甲基氯化铵与BP 非共价结合，制备了一种新型的功能化（BP）纳米复合材料。进一步将BP纳米复合材料修饰到电极上并固载血红蛋白（Hb），得到了一种能高效检测亚硝酸盐的电化学传感器。在此BP不仅可作为Hb的载体，且其修饰电极后能显著提高传感器的载流子传输效率。因此，该传感器表现出了良好的生物相容性和电导率，对亚硝酸盐还原具有理想的电催化活性， 检测限为3.65μmol/L。

1.2 甲醇电化学传感器

Pumera等用层状黑磷修饰金叉指电极得到了一种检测甲醇气体的电化学阻抗传感器。在固定频率1kHz 条件下，该电极在不同浓度甲醇条件下都显示出特征的阻抗相位角。BP 能同时充当信号单元与目标分子的识别单元。电极对甲醇的线性响应范围为380～1900μL/L，检测限为28μL/L，此值远低于美国国家职业安全卫生研究所规定的上限（200μL/L）。选择性实验测试显示，其他常见气体分子（包括甲苯、丙酮、氯仿、二氯甲烷、乙醇、异丙醇、水）在测试的范围内均未产生明显在阻抗信号。此外电极还具有很高的稳定性，20 天后测试同浓度的甲醇（1140μL/L），阻抗信号的响应值仍能达到初试值的90.13%。

1.3 湿度电化学传感器

薄层黑磷在潮湿空气中易发生化学降解，而改变其成型方法（如使用薄膜、复合物或嵌入型结构）有望提高其稳定性。Salehi-Khojin 等考察了黑磷薄膜（约26μm）对湿度的响应特性。实验结果表明当相对湿度从10%升至85%时，黑磷薄膜传感器的漏极电流提高了4个数量级。黑磷具有较强的亲水性，其能吸收介质中的水分子，由于水分子的解离，从而生成了H。此外黑磷也易于与湿空气反应形成氧化磷，其可进一步与水分子作用生成H。这两方面的原因使得高湿度条件下黑磷薄膜中可自由移动离子的数量增加，从而响应电流增强。稳定性测试表明，在长时间（3个月）自然放置后，BP 薄膜传感器的响应信号几乎保持不变。BP 堆叠膜的高稳定性预示着其也将有望在其他领域中得以应用，如能量转化/存储、电催化和化学/生物传感。

2 生物小分子电化学传感器

2.1 过氧化氢电化学传感器

Yan 等利用超临界二氧化碳辅助液相剥离法成功制备了层状黑磷纳米片（厚度约4.5nm），并将其用于修饰电极对HO进行了检测。为了防止氧气对黑磷的氧化，电化学测试在氮气保护的磷酸缓冲溶液中进行。随着溶液HO浓度的逐渐增高，黑磷修饰电极的循环伏安电流信号依次出现了下降，对应的电极阻抗值增大，是HO对黑磷的氧化所致。根据阻抗信号的变化可实现对HO的定量检测。进一步将黑磷与其他材料结合，随后研究者们报道了基于不同黑磷复合纳米材料的HO电化学传感方法。Dong等通过原位水热合成得到了黑磷量子点掺杂的的氧化锌纳米棒（BPQDs@ZnO）。与单一材料相比，BPQDs@ZnO复合物表现出了积极的协同效应，具有最好的导电性与最高的HO催化氧化活性，可用于HO的灵敏检测。检测限为2.5μmol/L。

Zhao 等提出了一种非共价修饰合成聚赖氨酸-黑磷（pLL-BP）杂化材料的策略。聚--赖氨酸（poly--lysine, pLL）通过丁基链与BP 之间的疏水作用以及质子化氨基与BP 上磷酸基团负电荷之间的静电作用而固定到BP的表面上。pLL-BP可作为电子转移基底负载Hb，BP良好的电导率和生物相容性可维持Hb 的天然结构和生物活性，促进Hb 电活性中心与电极之间的直接电子转移。基于Hb-pLL-BP 构建的酶促电化学生物传感器对HO表现出了优异的还原性能，可实现对HO的特异性灵敏检测。此外，该课题组最近还以铜纳米粒子-壳聚糖-黑磷复合物材料修饰的电极构建了一种基于BP的非酶HO电化学传感器。

Pumera等构建了基于黑磷烯@生物酶（葡萄糖氧化酶，GOx；辣根过氧化物酶，HRP）复合物和二茂铁甲醇（FcMeOH）氧化还原介体的电化学传感器（见图3），并考察了黑磷作为电化学传感器平台的电活性与稳定性。BP 在此为生物酶的载体材料并参与电流的传导。在BP/GOx 体系中，葡萄糖还原GOx 生成还原态的GOx，进一步GOx与FcMeOH介体反应生成GOx和FcMeOH，在电极表面FcMeOH可得到电子转化为FcMeOH，产生一个葡萄糖浓度有关的氧化电流信号。在BP/HRP体系 中， HRP 能 催 化HO氧 化FcMeOH 生 成FcMeOH，而后在磷烯修饰电极表面FcMeOH 能快速被还原，产生还原电流信号。循环伏安与计时电流法测试表明，在氧化传感体系中（BP/GOx），黑磷不能提高检测的电流信号且其自身容易被氧化；而在还原传感体系中（BP/HRP），黑磷能明显提高检测的电流信号且结构保持完整。GC/BP/HRP电极能实现对HO的高灵敏检测，线性范围为5～275μmol/L，检测限为0.14μmol/L。此外研究还发现HRP 与GOx 共同修饰的GC/BP 电极可对HO与葡萄糖表现出“开/关”型电流信号响应。这项工作中关于黑磷烯二元特性的研究对黑磷传感平台及酶逻辑门的构建有着重要的指导意义。

图3 BP在氧化与还原生物酶电化学传感中的二元特性及“开/关”型酶响应体系示意图[51]

2.2 抗坏血酸电化学传感器

Xu 等利用电聚合手段制备了黑磷聚合物复合材料，并以此构建了抗坏血酸（ascorbic acid，AA）的分子印迹电化学传感器。复合材料的制备见图4，首先利用静电作用，将带负电荷的黑磷量子点（BPQDs） 与目标检测物AA 同时吸附在聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)纳米棒上（PEDOTNRs）；进一步在其表面自组装导电聚吡咯（polypyrrole,PPy），经过电聚合反应用后便可得到PPy-BPQDs-MIPs/PEDOTNRs 复合物。实验优化了循环伏安电聚合的扫描全圈数、pH、模板分子浓度、孵育时间等参数。通过差分脉冲伏安法（DPV）对AA 进行了定量测定，DPV 峰值电流与AA 浓度在0.01～4mmol/L 范围内呈线性相关，检测限为3.3μmol/L。此外，所制备的分子印迹电极对AA的电化学响应具有良好的重现性、稳定性和选择性，并将其用于饮料样品中AA 的检测。利用液相剥离法，Dong等制备了横向尺寸约为240nm 的BP 纳米片（BPNS）。由于黑磷大的比表面积和良好的电荷转移能力，BPNS 修饰的电极表现出了优异的AA 电化学催化氧化性能，与裸GCE 相比电流增大了6倍。在最优条件下，可实现对AA 的高灵敏检测，检测限低至0.3nmol/L。Badhulika 等将苯胺电化学聚合在BP涂层丝网印刷碳电极（SPCE/BP）上，制备了聚苯胺（PANI）包覆的BP，得到了具有良好稳定性的电化学传感平台SPCE/BP@PANI。循环伏安与阻抗测试表明，SPCE/BP@PANI 与SPCE/BP相比具有更好的电子传输性能，对AA与肼有良好电化学氧化活性。

图4 PPy-BPQDs-MIPs/PEDOTNRs 复合物电极的制备流程示意图[52]

2.3 氨基酸及其他生物小分子电化学传感器

Yu 等制备了Nafion 稳定的黑磷纳米片（BPNSs）和6-O--麦芽糖基--环糊精（G2--CD，6-O--mal-tosyl--cyclodextrin）修饰的复合电极（BPNSs-G2--CD/GCE）。基于环糊精的主客体识别作用，BPNSs-G2--CD/GCE 可作为色氨酸（Trp）对映体手性识别的电化学传感平台（见图5）。该体系中黑磷纳米片一方面可作为目标物识别单元环糊精的载体材料，另一方面还可提升电极的电子传输性能。在优化的实验条件下，方波伏安法测定的L-Trp 与D-Trp 氧化峰电流之比（/）和峰电位之差（Δ=-）分别为1.49mV和20mV，对L-Trp 与D-Trp 检 测 限 分 别 为1.07μmol/L 和1.71μmol/L。他们提出的BPNSs-G2--CD/GCE 传感器对Trp手性识别机制为不同的分子间氢键相互作用以及疏水腔引导的嵌入效应。随后该课题组将G2--CD 与黑磷纳米片逐步多层滴铸到玻碳电极上，构建了一种检测L-Tyr 和D-Tyr 的电化学传感器。

图5 NF/BPNSs-G2-β-CD/GCE传感器的制备流程及其对Trp对映体检测的示意图[55]

硫醇在蛋白质三维结构的形成中起着重要作用，而硫醇浓度的升高与一些疾病密切相关，例如癌症、艾滋病和心血管疾病。Sarswat等利用多层黑磷和酞菁钴（CoPc）组成的复合电极，对两种硫醇分子（十二烷硫醇、1,2-乙二硫醇）进行了定量检测。FOWA（foot of the wave analysis）、阻抗和Randles-Sevcik 分析显示黑磷-CoPc 复合物传感器具有强的电荷转移特性。在0.1mol/L NaOH 溶液中，硫醇浓度从1.0μL/mL 增大至5.0μL/mL 时，电极电流表现出了良好的线性响应。此外，传感器对气态硫醇也表现出了非常好的检测性能。

瘦肉精（CLB）作为一种肾上腺素结构和功能类似物，已被用于预防和治疗呼吸系统疾病。其也被非法添加到动物饲料或兽药中，以增加蛋白质沉积和脂肪酸降解，CLB能在动物组织中积累，并通过食物链转移对人体健康造成严重损害。Xu 等用BP 与Nafion（Nf）复合纳米材料修饰的玻璃碳电极，得到了一种可用于伏安法测定克伦特罗（CLB）的传感器。BP-Nf 复合材料表现出了良好的水、氧气稳定性及对CLB 的优异电催化活性，在最佳条件下，检测限灵敏度为3.7nmol/L，灵敏度为0.14μA·L/(μmol·cm)。实验和理论计算表明，检测机理为CLB 的氨基氧化为了羟胺。该传感器成功应用于牛肉和牛血清样品中CLB的测定。

3 其他小分子电化学传感器

3.1 真菌毒素电化学传感器

赭曲霉毒素A（ochratoxin A, OTA）是一种真菌次生代谢产物，常出现在啤酒、葡萄汁、咖啡、豆浆等各种食品中。OTA 具有肾毒性、致癌性、致畸性和免疫毒性，被国际癌症研究署列为2B 类致癌物。由于OTA 的电化学活性差，对电极表面的吸附作用强，因此使用化学修饰电极对OTA 进行电化学检测存在一定的挑战。Wen等利用二维黑磷烯修饰的玻碳电极（BP/GCE）成功实现了OTA 的检测。BP 的存在能大大提高电极对OTA 的催化氧化电流。BP/GCE具有良好的电化学稳定性、电催化活性和优异的抗污染性能。利用差分脉冲伏安法可对OTA 进行定量测定，响应线性范围为0.3～10μg/mL，检测限为0.18μg/mL。密度泛函理论计算显示OTA 的氧化是不可逆的电化学反应，分子中酰胺键NH被氧化成了N—O，反应为吸附控制过程且伴随两质子和两电子转移。

展青霉素（patulin，PAT）是曲霉菌、青霉菌及丝衣霉菌等真菌代谢生成的一种霉菌毒素，为一种广泛存在的食品污染物，对啮齿动物的健康具有急性和慢性毒副作用。世界卫生组织食品添加剂联合专家委员会规定的人体单日最大摄入量为0.4μg/kg。Sheng等首次利用BPNSs修饰的电极（BPNSs/GCE）实现了对PAT 的阻抗电化学分析。基于适配体在电极表面两种不同的修饰模式，建立了两种PAT 的电化学测定方法。首先通过静电作用将PAT 适配体非共价修饰到BPNSs/GCE 上得到了一种阻抗减弱型的电化学传感器[见图6(a)]。其作用原理为PAT 可与适配体结合使其脱离电极表面，从而减小电极阻抗值，该方法的线性范围为1.0nmol/L～1.0μmol/L，检测限为0.3nmol/L。进一步将适配体通过金硫键组装到金纳米颗粒修饰的BPNSs/GCE 上，得到了一种性能更优的阻抗电化学传感器[见图6(a)]，线性范围扩大为0.1nmol/L～10.0μmol/L，检测限降为0.03nmol/L。

图6 基于适配体-BP NSs和适配体-AuNP-BPNSs电极的适配体PAT传感器示意图[60]

3.2 芳香有机污染物电化学传感器

双酚A（bisphenol A,BPA）是一种塑料和树脂合成中常用的单体化合物。BPA具有与雌二醇相似的结构，能通过污染的食品直接进入人体并扩散至各种液体和组织中，可导致严重的身体病症，如心血管疾病、糖尿病、性早熟、肝脏损害等。因此，为了防控BPA 的危害，需要对含BPA 产品进行严格的监测。Hu 等使用多孔石墨烯与黑磷复合物（PG-BP）修饰玻碳电极，构建了一种检测BPA 的高灵敏电化学传感器。在电极表面原位制备的PGBP 复合物具有比表面积大和导电性好的优点。BP能直接催化目标物BPA 的电化学氧化，反应为不可逆的两电子氧化过程，受扩散控制。在最佳实验条件下，可利用差分脉冲伏安法对BPA 进行定量测定，线性范围为4.3×10～5.5×10mol/L，检测限为7.8×10mol/L。此外该传感器还具有长时稳定性、良好的重复性及选择性。

己二胺（HA）能非共价修饰到BP 表面形成HA/BP复合物，HA的氨基能通过氢键作用与BP表面的氧化磷作用，从而可阻止BP 与水的反应及降解，大大提高BP的稳定性。Wu等进一步利用氢键作用将酪氨酸酶结合到HA/BP 表面，并将得到的复合物修饰到叉指电极上，再用氯仿包覆电极，获得了基于HA/BP/酪氨酸酶的有机相叉指电极。检测过程中，样品中的BPA 能快速扩散至氯仿相中，酪氨酸酶首先通过氧气将BPA 氧化为二酚，再进一步将邻二酚氧化形成邻醌。邻醌在电极表面又能被电化学还原为邻二酚。且反应体系中加入了介体分子2,5-二叔丁基-1,4-苯醌（DTBQ），DTBQ能加速BPA 邻二酚与邻醌结构转化的过程，从而提高了电极电流响应值。

图7 BP-AuNP-Ap/Au适配体传感器的构建与检测原理示意图[63]

4 生物大分子电化学传感器

4.1 蛋白分子电化学传感器

心肌蛋白（myoglobin,Mb）是一种重要的心血管疾病标志物。Sabherwal等利用黑磷构建了一种检测Mb 的适配体电化学传感器。其构建过程为：通过表面活性剂辅助的水相剥离法获得了薄层黑磷纳米片；利用静电作用，在BP 表面修饰聚赖氨酸（poly-L-lysine, PLL）生成了PLL-PB 复合物；将PLL-PB 涂覆在电极表面后，再修饰上识别目标检测物的适配体，最终得到了检测Mb 的工作电极PLL-PB-Apt[见图8(a)]。在铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液中的循环伏安测试显示，裸电极的电流响应值仅为0.64μA，而PLL-PB 修饰电极的电流达到了1.3mA[见图8(b)]。他们将电化学响应的增强归因于BP 固有的氧化还原特性，BP 在0.6V(AgCl)外加电压条件下会出现明显的氧化峰，对应的P(0)氧化为P(Ⅴ)。而在CV图中出现的是一对电流绝对值大小相当的氧化还原峰，因此电流信号仍可能是源自溶液介质中的铁氰化钾/亚铁氰化而不是黑磷自身，电流的增加可归因于PLL-PB修饰电极后，电极的电子传性能得到了大幅提升。进一步修饰适配体后，电流出现了小幅下降，其原因可能为带负电荷的适配体对溶液中带同种电荷的活性电对的排斥作用所致。由于目标物Mb自身包含了一个血红素基团，其铁(Ⅱ)中心也可与电极间发生电子转移，因此加入目标物Mb后，观测到电流信号增强了。基于该原理，传感器PLL-PB-Apt 实现了对Mb 的高灵敏与高选择性检测。检测限约为0.524pg/mL，灵敏度为36μA·mL/(pg·cm)，在血清样品中的动态响应范围为1pg/mL～16μg/mL[见图8(c)]。利用类似构造的黑磷基电极，Neethirajan 等建立了一种结合珠蛋白的无标记的电化学免疫传感器。

图8 黑磷构建检测Mb的适配体电化学传感器[64]

Pumera等报道了一种基于黑磷纳米颗粒析氢反应的免疫电化学传感器。通过电化学阴阳双电极剥离法得到了尺寸约为70nm 的黑磷纳米颗粒（BPNPs）。 线性扫描伏安法（LVS）测试表明，BPNPs 与大尺寸BP 及裸玻碳电极相比具有更高的电催化析氢活性，因此可作为电信号报告基团。且阻抗测试表明，BPNPs修饰的电极具有更好的电子传输性能。传感器对目标蛋白IgG的检测原理见图9，首先将IgG与黑磷复合得到IgG/BPNPs，并在将纳米磁珠上标记目标物抗体得到MB/IgG 抗体复合物；将上述两者与检测溶液混合，检测溶液中的IgG 会与IgG/BPNPs 竞争和MB/IgG 抗体结合；然后将上述溶液滴涂在有磁铁作用的电极上，与MB/IgG抗体结合的IgG/BPNPs将被固定于电极的表面，从而通过检测其析氢反应所产生的电流信号可实现对溶液中IgG 的定量测定。基于黑磷场效应晶体管，Chen 等也构建了一种IgG 的高灵敏免疫传感器。

图9 以BPNPs为标记物与HER电催化剂信号分子的IgG竞争性磁免疫传感器的示意图[66]

瘦蛋白（leptin）是一种由小肠中细胞产生的激素蛋白，具有调节能量平衡与脂肪储存的功能。此外瘦蛋白也是一种非酒精性脂肪性肝病的重要潜在生物标志物。Hu等基于金纳米粒子@多孔石墨烯-黑磷修饰的玻碳复合电极建立了一种检测瘦蛋白的免疫电化学传感方法。多孔石墨烯（PG）与黑磷的复合能提高BP 的稳定性和导电能力。进一步修饰金纳米颗粒后，目标物识别抗体可通过半胱氨酸与戊二醛的交联作用固定于电极的表面。得到的电极能高灵敏和特异性地检测目标物瘦蛋白。在优化的条件下，该免疫传感器的线性范围为0.150～2500pg/mL，检测限为0.036pg/mL。实际血清样品测试中显示该方法具有理想的回收率，因此其有望成为非酒精性脂肪肝患者临床诊断的可靠技术手段。同样通过在玻碳电极表面修饰薄层黑磷及目标物抗体，Jakóbczyk等构建了一种流感嗜血杆菌细菌蛋白的电化学传感器。通过阻抗测试直接实现对目标物的高灵敏定量测定，检测限为5.82μg/mL。

光电化学（photoelectrochemical,PEC）分析是一类新型的电化学检测方法，其高灵敏度、高选择性及装置简便易搭建的特点，近年来受到了广泛的关注。Ge等报道了一种基于黑磷量子点@二氧化钛复合光敏材料的纸基光电化学传感器，并用于前列腺特异性抗原（prostate-specific antigen, PSA）的检测。在该PEC 传感器中，黑磷量子点作为光敏材料实现光电转换产生光电流信号。传感器的构造见图10(a)，首先将碳纳米管（CNT）涂覆在纸电极（paper working electrodes, PWE）上形成柔性导电纸电极（PWE-CNTs）；然后原位合成TiO纳米粒子得到电极PWE-CNTs-TiO；进一步附着黑磷量子点得到电极PWE-CNTs-TiO-BP QDs；随后修饰DNA 捕获链（C-DNA）与标记有金纳米粒子的PSA 适配体得到最终的PEC 工作电极。由于TiO-BPQDs 与AuNPs 间能发生激子-等离子体激元共振作用（exciton-plasmon interactions, EPI），因此该适体PEC 传感器的光电流信号较低；而引入目标物PSA能与适配体结合，导致金纳米粒子从电极表面脱离，EPI效应减弱，从而光电流响应增强[见图10(b)]。在最佳条件下，该方法对PSA 的线性响应范围为0.005～50ng/mL，检出限为1pg/mL。此外，该传感器还具有高选择性[见图10(c)]，良好的稳定性和重现性。

图10 基于黑磷量子点@二氧化钛复合光敏材料的纸基光电化学传感器[70]

4.2 核酸电化学传感器

微小RNA （miRNA） 是一类内源性非编码RNA 分子，长度约为20 个核苷酸。miRNA 的基因调控功能在许多疾病的发展中起着重要作用，如癌症、心脏病、神经系统疾病等。Gui 等通过将黑磷纳米片附着在硫堇（thionine, TH）掺杂的二维Cu-MOF 上开发了一种检测miRNA（miR3123）的比率型电化学方法。黑磷纳米片同时作为电化学信号分子及识别核酸链的载体材料。传感器的组建过程见图11，首先通过表面活性剂辅助法制备得到了具有二维层状结构的含电活性分子硫堇的MOF材料TH/Cu-MOF；进一步将其与BPNSs 结合生成了复合物BPNSs/TH/Cu-MOF；最后在玻碳电极上修饰该复合物并负载二茂铁标记的识别核酸链，得到该传感器的工作电极适配体-BPNSs/TH/Cu-MOF/GCE。方波伏安法测试中，该电极能呈现硫堇与二茂铁的双电流电信号；而目标物miR3123能与标记二茂铁的互补核酸链结合，使其从电极表面脱离，对应出现二茂铁电流信号的下降，基于此原理该电极能实现目标物的比率型电化学响应。最佳条件下，miR3123 浓度（2pmol/L～2μmol/L 范围内）的对数与响应电流比值（/）呈现良好的线性关系，检测限为0.3pmol/L。该传感器可用于实际样品中miR3123 的准确检测，具有较高的实用性。

图11 miR3123适配体传感器的制备过程示意图[71]

基于黑磷发光体，最近Ge 等建立了一种检测 miRNA 的 纸 基 电 化 学 发 光（electrochemiluminescence, ECL）传感方法。通过在银改性的纸基底上依次负载氨基化的黑磷纳米片和修饰有金纳米粒子的核酸链（AuNPs-DNA）得到了ECL 工作电极（见图12）。由于黑磷的发射光谱与金纳米颗粒的吸收光谱高度重叠，两者间能发生有效共振能量转移（RET），因此电极本身的ECL 信号较低。而目标物（miRNA-107） 能与AuNPs-DNA 结合，形成DNA-RNA 异源双链；进一步向体系中加入的双链特异性核酸酶（DSN）可以酶切形成的DNA-RNA双链，释放电极表面与黑磷相连的金纳米颗粒与miRNA-107；释放的miRNA-107 与DSN 可循环重复上述过程，最终使得成倍量的AuNPs 从电极表面脱离，RET 过程减弱，ECL信号增强。由于利用了DSN辅助的目标循环信号放大策略，该方法表现出了极高的灵敏度，检测限为0.04pmol/L，线性范围为0.1pmol/L～15nmol/L。为了使传感平台更加便捷和小型化，该ECL 检测体系还利用纸基的钙钛矿太阳能电池（PSC）装置代替了常用电化学工作站。该研究也是首次将PSC应用于ECL传感器的构建。黑磷纳米材料除自身能产生ECL效应外，还可作为一种ECL的增敏剂，Dong等发现黑磷量子点（BPQDs）能显著提升ZnO纳米颗粒的电致发光信号，而细胞色素c 能消耗该ECL 体系中的共反应试剂KSO，从而使体系发光信号下降。基于上述原理，可实现对细胞色素c的定量检测。

图12 基于ECL-RET原理的纸基电化学发光传感器[72]

5 细胞及外泌体电化学传感器

图13 基于BP@AuNPs@适配体信号探针和磁珠细胞捕获的电化学传感器的示意图[74]

Li 等基于主体客体识别的杯[8]芳烃/聚多巴胺/磷烯（BP@PDA-SCX8·FA）纳米复合材料构建了一种癌细胞检测的电化学传感器（见图14）。首先将多巴胺在BP表面原位聚合得到BP与聚多巴胺的复合物（PDA/BP）；进一步将PDA/BP 与磺酸化杯[8]芳烃（-sulfonated calix[8]arene, SCX8）混合加热生成了BP@PDA-SCX8；最后利用SCX8 与叶酸（FA） 主客体识别作用，制备了BP@PDASCX8·FA 纳米复合材料。基于FA 与目标物前列腺癌细胞（LNCaP cells）表面叶酸受体的特异性结合作用，BP@PDA-SCX8·FA 修饰的电极能有效捕获LNCaP细胞，从而使电活性分子与电极表面的电极交换过程受阻。利用该原理，实现了对目标细胞的阻抗分析，检测的线性范围为每毫升2×10～1×10个细胞，检测限为每毫升36 个细胞。由于特异性的超分子识别作用，该传感平台表现出良好的灵敏度、稳定性及重现性。

图14 癌细胞检测的电化学传感器[75]

Dai 等以BP 量子点功能化的Mxene 为增强型双模探针，建立一种外泌体检测的ECL 和光热双模生物传感器。将制备的Mxenes 依次与BPQDs、Ru(dcbpy)-PEI、抗体Ab复合得到了信号探针MXenes-BPQDs@Ru(dcbpy)-PEI-Ab。目标物捕获电极Apt/ILs/SiONUs/GCE 能通过适配体的识别作用结合外泌体，再利用抗体抗原的特异性作用可以将信号探针固定到电极表面。信号探针中Ru(dcbpy)和MXenes-BP 可分别产生ECL 信号和光热效应，从而能实现外泌体的双模检测。BPQDs可以作为共反应剂催化Ru(dcbpy)的氧化，从而增强Ru(dcbpy)的ECL 信号，且MXenes 具有大的比表面积和电导率，作为载体可增加Ru(dcbpy)和BPQDs 的量，进一步增强体系的ECL 信号。另一方面，BPQD 和MXenes 均具有优异的光热效应，从而可协同增强传感器的光热信号。两种模式均可实现对外泌体的灵敏检测，响应线性范围为1.1×10～1.1×10颗粒/μL。为了进一步考察传感器的实际样品测试能力，实验还对MCF-7 和Hela 细胞提取的外泌体进行了测试，结果表明，MCF-7细胞外泌体表面的EPCAM（皮细胞黏附分子）蛋白表达最高。

6 结语与展望

BP 作为一类新兴的二维纳米材料，引起了众多领域的广泛关注。BP 独特的电学及光学特性也使其在电化学及光分析中极具应用前景。本文全面总结了基于BP 纳米材料的电化学传感器，并根据目标的类别对传感器进行了分类讨论，包括气体分子、生物小分子、其他小分子、生物大分子、细胞几大类。BP 基纳米材料具有高的比表面积、载流子传输速率和电导率、表面易修饰、催化活性高等优异特性，在电化学传感中能发挥重要作用，主要包括：①修饰电极基底，提高电极导电性、增强电化学信号，在大部分此类电化学传感器中都利用BP 的该特性；②作为载体材料负载电化学信号分子或目标物识别单元，如生物酶、纳米颗粒催化材料、电信号分子、核酸适配体、功能蛋白等；③作为活性中心直接或间接催化检测目标物发生反应，如催化HO、抗坏血酸、巯基小分子、多酚类物质的直接电化学氧化；④作为ECL 信号团或作为共反应剂增强ECL 信号，如BP 能显著提升Ru(dcbpy)及ZnO纳米颗粒的电致发光信号；⑤作为光敏剂产生PEC信号，如黑磷量子点@二氧化钛复合物可作为高效的PEC传感器光敏材料。

虽然目前BP 基电化学传感器的研究取得了一定的进展，但仍然有一些关键问题需要解决：①BP 的稳定性仍需改善，如一些检测需要在惰性气体的保护下进行，不利于分析操作的简便化；②BP 的精准结构难以调控，目前电化学传感器中所用BP 材料为传统方法制备所得，其形貌与组成存在较大不确定性，因此对电化学传感器的可靠性与重现性带来了挑战；③BP 在电化学传感器中的功能还比较单一，大部分仅将BP 作为电极修饰层或载体材料来提高导电性，而BP 的其他性质如特殊的催化特性、各向异性的光电特性等还有待进一步研究与利用；④电化学分析性能还需改善，如传感器的稳定性、重现性等。针对这些问题，未来的研究可在以下几个发面开展：①进一步改进合成方法，如采用自下而上CVD 法、模板合成法等，得到结构更加精确的BP 纳米材料；②通过表面改性或本体掺杂的策略提高BP 的稳定性，在此过程中也有望提升BP 的其他性能，如引入特定的金属元素能使BP具有本征的电化学信号；③将BP与其他纳米材料结合得到性能更优的复合物；④通过表面改性或采用有机合成方法对BP表面进行官能团化，调控BP 的表面性质与反应特性，增加传感器检测对象与传感策略的多样性。