导语：碳纳米管具有体积小、圆柱形状、大比表面积、高导电性和良好的生物相容性等优点，已被广泛研究并用于构建电化学生物传感器。在电化学生物传感器中，碳纳米管具有双重用途：它们充当生物分子的固定载体，并为电化学转换提供必要的导电性。

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　　碳纳米管

　　碳纳米管由sp2碳制成，排列成空心圆柱管，直径范围从1到100nm不等。常见的碳纳米管有两种形式，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管是石墨烯片的卷制形式，而多壁碳纳米管由多层同心单壁石墨烯圆柱体组成，通过范德华力保持在一起。碳纳米管中碳六边形环排列的类型称为碳纳米管的手性。单壁碳纳米管可以是半导体的或半金属的，这取决于它们的直径和手性。在多壁碳纳米管的情况下，石墨烯片被卷成同心圆柱体，可以用两个结构模型来描述：俄罗斯娃娃模型和羊皮纸模型。在俄罗斯娃娃模型中，外部纳米管的直径大于内部纳米管的直径。在羊皮纸模型中，纳米管像卷纸一样绕着自身卷起。

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　　碳纳米管的功能化

　　生物功能化是将生物分子固定在表面上以赋予表面特定功能如生物特异性和/或催化活性的过程。生物功能化的主要目的是为特定应用（如生物传感器）准备表面。用于固定各种生物分子如蛋白质、酶、抗体和核酸，到碳纳米管的策略已被广泛研究，并广泛应用于许多生物传感器应用。

　　1、共价功能化

　　碳纳米管的共价官能化可以通过在碳纳米管侧壁上引入化学官能团来实现，以产生羧化碳纳米管、胺官能化碳纳米管或巯基官能化碳纳米管等等。碳纳米管上的官能团可以与生物分子结构中存在的互补官能团反应，形成共价键，有助于生物分子在碳纳米管表面的附着。虽然共价官能化使生物分子和碳纳米管之间有很强的相互作用，但碳纳米管的共价官能化需要特定的实验条件才能改变碳纳米管的表面官能度。它还可能导致每个生物分子的多个键的非均质取代，从而降低其活性。此外，通过共价连接修饰碳纳米管表面可能会改变固有特性，例如从sp2到sp3的杂交变化，导致共轭特性的可能损失，这可能会影响电导率和机械强度。

　　2、非共价功能化

　　非共价官能化在碳纳米管与生物分子相固定中起作用，因为当赋予新的功能时，它能够保留碳纳米管的固有特性。非共价方法可以帮助在固定到碳纳米管后的生物分子的构象保持固定化结构，而共价方法可以影响碳纳米管的 sp2结构，从而对其机械和电子性能产生负面影响。通常，用于碳纳米管非共价官能化的理想方法应使用生物相容性官能化试剂，该试剂在通用环境下稳定且不会在碳纳米管表面脱附，并具有用于连接各种生物分子的合适官能团。

　　由于范德华力，碳纳米管有聚集成束的趋势，这使得它们难以分散在许多溶剂中。而如果使得具有高亲和力分子的碳纳米管功能化，如表面活性剂、共轭芳香分子和聚合物被广泛用于增加碳纳米管在溶剂中的溶解度，从而增强生物分子在其表面的吸附。一种有效的功能化方法不仅必须引入通用且均匀的表面官能团，而且还必须最大限度地减少其对碳纳米管电子特性的影响。

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　　不同物质与碳纳米管的相互作用

　　碳纳米管换能器用于通过对分析物特异性分子（识别元件）进行表面修饰来检测具有生物学意义的分子，例如蛋白质、酶、抗体、病毒和DNA等。

　　1、蛋白质

　　由于其优异的生物相容性和丰富的表面基团，许多蛋白质已被用于生物传感器应用中。蛋白质的使用不仅被用作检测目标分子的识别分子，而且还用作碳纳米管表面功能化的两亲生物分子。有研究报道了使用1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯对侧壁碳纳米管进行非共价功能化的简单通用方法。然后将功能化的单壁碳纳米管用于固定铁蛋白和链霉亲和素，在透射电镜下成功观察到。这种方法可以扩展到生物分子之外，并且可以用于各种应用，例如具有所需特性的可聚合分子或小分子。

　　2、酵素

　　碳纳米管的纳米线结构可以接近氧化还原酶的活性中心，从而实现快速有效的电子转移。在某些情况下，酶基于疏水相互作用自发地物理吸附到碳纳米管表面并实现直接电子转移。碳纳米管的适当功能化有助于固定生物分子，使其活性位点足够靠近电极表面或与氧化还原活性物质结合，以建立介导的电子转移。有研究证明了通过先前报道的相同连接分子1-芘丁酸琥珀酰亚胺酯使用半导体单壁碳纳米管来检测葡萄糖。还发现该传感器可作为pH传感器，在pH变化时电导发生可逆变化。

　　3、抗体

　　抗体-抗原相互作用是生物传感器应用中最常见的亲和相互作用。其他类型的亲和相互作用包括生物素-链霉亲和素相互作用、亲和素-生物素和宿主-客体复合物（金刚烷-环糊精）。抗体的互补位可以通过空间互补与抗原的表位相互作用，这可以用于通过将抗体或抗原与不同的换能器结合来开发免疫传感器。碳纳米管也越来越多地用于免疫传感器制造。碳纳米管可以作为免疫分析的传感器、载体或标记物，因为它们可以转移大量的电活性物质来放大电化学信号以及稳定生物活性物质。

　　4、病毒

　　病毒也被用作与碳纳米管集成的识别元件，用于检测靶细胞。应用噬菌体展示技术选择对单壁碳纳米管的不同手性结构具有亲和力的噬菌体肽。

结语：碳纳米管具有不同于传统材料的独特性能，如大表面积、优异的电子性能和高导电性，使其适用于生物传感器应用。与共价官能化不同，碳纳米管的非共价官能化有助于保持碳纳米管的原始机械和电子特性，并保留具有所需功能的固有特性。用于生物传感器的碳纳米管的非共价功能化为具有高生物相容性的生物分子固定提供了理想的策略。