1引言

大发官网石墨烯是一种由纯碳原子的六元环平面结构构成的二维材料，是零维的富勒烯、一维的碳纳米管（CNTs）以及三维石墨结构的构筑基元。它具有非常大的理论比表面积、很高的杨氏模量、超高的光学透过率、优良的导热性和导电性，并能够通过电子转移实现荧光猝灭。目前，人们已将基于石墨烯的材料广泛应用于诸多领域，如吸附剂、催化剂、药物载体等。石墨烯具有的奇特性质，使得其能够满足高灵敏性传感器设计的需求，并已用于构建光学、电化学及场效应传感器、细胞标记及实时监测等。本文介绍了基于石墨烯材料的光学生物传感器的研究进展，重点评述了基于石墨烯基的荧光共振能量转移（FRET）以及比色法传感器。

2基于石墨烯的荧光共振能量转移传感器

荧光共振能量转移（FRET）是能量由供体荧光团经无辐射途径转移给受体荧光团，并引起供体荧光猝灭和受体荧光增强的光学现象，是测量活体及体外纳米尺度距离及变化的有效手段。近年来，人们致力于开发基于石墨烯材料的FRET传感器，将其用于生物及化学检测。FRET传感器主要由3部分构成：供体、受体（猝灭剂）及供受体之间的桥联媒介。在基于石墨烯的FRET传感器中，石墨烯及其衍生物既可以作为供体，又可作为受体。一方面，石墨烯由于其结构特点，能够同时猝灭发射波长或结构不同的多种荧光团的荧光，是一种通用的猝灭剂；另一方面，石墨烯及其衍生物经过一定的化学处理，可以产生荧光信号，可作为荧光供体。基于石墨烯的FRET生物传感器依托于一些生物分子构建的桥联基，用于调节供体荧光团和受体之间的距离，从而引起荧光的变化。其中，DNA、蛋白质、多肽等生物分子均可以作为桥联基。

2．1以石墨烯作为猝灭剂

在报道的基于石墨烯材料的FRET传感器中，以石墨烯材料作为猝灭剂的居多。氧化石墨烯（GO）是石墨烯的一种重要衍生物，是化学还原法制备石墨烯的前驱体，在石墨烯片层结构的边缘和表面带有多种含氧基团，如羧基、羟基、环氧基等。正是由于这些含氧基团的存在，使其较石墨烯具有更好的水溶性，可以应用于生物体系中。石墨烯及GO由于其大面积的共轭结构，可以作为能量受体猝灭多种有机染料及量子点的荧光，是一种广适性的荧光猝灭剂。与传统的猝灭剂相比，石墨烯材料具有更高的猝灭效率，使FRET传感器具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点。

2．1．1基于DNA联接

研究表明，石墨烯能区分多种DNA分子结构，包括ssDNA，dsDNA以及茎环结构等。石墨烯及GO由于其结构特点，对带有裸露的环状结构的化合物具有强烈的吸附能力。

DNA中的碱基包含六元环结构，石墨烯会与裸露的碱基发生强烈的π-π相互作用、疏水作用等，从而吸附DNA。但是石墨烯与不同分子结构的DNA的结合能力明显不同。对于相同碱基数量的单链DNA（ssDNA）和双链DNA（dsDNA），石墨烯能够稳定吸附ssDNA，而对dsDNA的吸附能力则较弱。其原因是由于DNA杂交后空间结构发生改变，磷酸盐骨架将碱基有效屏蔽在其中，使石墨烯无法与碱基接触，从而造成结合能力的减弱。DNA一级结构的差异也会导致与石墨烯的结合能力不同，碱基数量越多的ssDNA与石墨烯材料的结合能力越强。正是基于石墨烯对不同结构的DNA的吸附能力有所区别，研究者们构建了一系列以DNA联接的石墨烯基FRET传感器。

(1)利用DNA互补序列

2009年，Lu等首次报道了基于石墨烯的FRET生物传感器。该传感器是由标记了羧基荧光素（FAM）的ssDNA与GO构成。在没有目标DNA时，FAM-ssDNA会吸附到GO表面，造成FAM与GO之间发生FRET，使FAM荧光团的荧光被迅速猝灭；而当FAM-ssDNA与目标DNA杂交后，会改变DNA的构型并且削弱了FAM-ssDNA与GO之间的相互作用，这就造成FAM-ssDNA从GO表面释放出来，增大FAM与GO之间的距离，阻碍FRET，造成FAM荧光恢复。从而建立了一种用于检测特定DNA序列的高灵敏度及选择性的荧光恢复检测方法。该课题组还运用GO作为纳米猝灭剂构建了一种分子信标（MB）探针。传统的分子信标探针两端分别标记荧光团和猝灭团。而这种新型的分子信标探针则只需在一端标记荧光团，而猝灭剂GO则不需要标记。与传统的分子信标相比，该探针不需要复杂的合成步骤，同时猝灭更有效、灵敏度更高。更重要的是，由于发卡状的DNA在GO表面的构象约束大大提高了该探针对单碱基错配的选择性识别能力。其后相继出现了以量子点（QDs）或Ag纳米簇标记的ssDNA探针作为信号报告基团，以GO作为猝灭剂，以类似的模型构建FRET传感器，用于特定DNA序列的检测。GO能够同时猝灭标记ssDNA探针的不同颜色的荧光，可利用此性质识别多种与ssDNA探针互补的特定DNA序列，实现在同一溶液中检测多种特定DNA序列。Zhang等构建了免标记的石墨烯FRET传感器，用于DNA特定序列的检测。当体系中不存在目标ssDNA时，探针ssDNA及所用的DNA嵌插染料（SYBRGreenI，SG）都吸附在石墨烯表面；当引入目标ssDNA时，由于形成dsDNA，并且SG与dsDNA内嵌结合，从而远离石墨烯表面，使荧光恢复。