【摘要】：癌症是当前致死率较高的一种疾病，而癌症的早期诊断能增加患者生还和治愈的比例。电化学分析具有灵敏度高、分析速度快、仪器简单的优势，在临床医学领域得到广泛应用。微电极技术作为电化学分析的前沿领域，为人们进行细胞水平超灵敏检测癌症标记物、探索癌细胞的生理现象提供了强有力手段，对癌症的早期检测和相关的疗效评估有着重大的意义。开发研制微电极体系的核心是寻找合适的电极材料、设计新型的电极结构。石墨烯具有良好的生物相容性、优异的物理性能和化学性能，并能被广泛用于构建各种不同结构、形貌可控的新型多功能电极，因而在电化学生物传感器领域掀起了一股研究热潮。鉴于对癌症标记物超灵敏、高精确度和快速检测的应用需求，以及目前国内外在电化学传感、微电极技术和石墨烯功能材料等方面的研究进展，我们开发了两种基于三维多孔石墨烯修饰碳纤维的功能微电极，并构建了可用于超灵敏检测癌细胞释放H_2O_2的电极系统，开展其在癌细胞电化学检测中的基础应用研究。


首先本文提出一种创新的方法，即用离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF_4])作为电解液电沉积石墨烯材料。由于离子液体具有较宽的电位窗口，从而能在较负电位-2 V条件下，实现三维(3D)多孔石墨烯在活化碳纤维(active carbon fiber，ACF)上的一步电沉积和电化学还原。[BMIM][BF_4]分子将通过自身的咪唑环与石墨烯片层间的阳离子-π和π电子对相互作用吸附在3D多孔石墨烯表面，为后续纳米金属颗粒的沉积提供成核活性位点并能作为模板调控粒子形貌。进一步在含Pt和Au的前驱体溶液中电沉积，在3D多孔石墨烯支架表面负载高密度、均匀分散的双金属PtAu纳米颗粒。


由于电极上贵金属纳米颗粒与石墨烯之间的协同作用，使纳米复合微电极在检测H_2O_2时展现出高灵敏度、宽线性范围、低检测限和高选择性等良好的电化学传感性能。此外将微电极用于近细胞检测癌症标记物，测定活细胞释放的H_2O_2的含量。分别对几种不同的妇科恶性肿瘤细胞如乳腺癌细胞(MDA-MB-231、MCF-7)和宫颈癌细胞(Hela)进行测试，并与人正常的乳腺上皮细胞(HBL-100)的检测信号进行对比，发现癌细胞释放的H_2O_2量更多;用抗癌药物顺铂(DDP)对癌细胞进行化疗降低其细胞活性，之后再次测定其释放H_2O_2量并与抗癌药物处理前信号进行对比，发现电流信号也减弱。


根据这些检测信号的差异可以达到检测癌症、识别不同类型癌细胞和评估化疗疗效的目的。在下一项研究工作中，我们采用两种离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIM][BF_4])和1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM][PF_6])混合液作为电解液，在-3 V电位条件下制备3D石墨烯修饰的ACF。利用吸附在石墨烯片层上的离子液体作为掺杂剂，将电极材料在高温条件下进行热处理，使离子液体中的B、N和P元素同时掺杂到石墨烯片层中，制备得到多元素共掺杂的3D多孔石墨烯修饰碳纤维微电极。


由于石墨烯的3D多孔结构、较高杂原子掺杂量以及不同掺杂元素之间的协同作用，电极对H_2O_2表现出高效的电催化和传感性能。将微电极BPNF–ERGO/ACF进行近细胞检测实验，分别用于监测人乳腺癌细胞(MCF-7)、宫颈癌细胞(Hela)和人肝癌细胞(HepG2)释放H_2O_2的动态过程。此外也将电极用于原位检测人乳腺癌组织在应激条件下释放H_2O_2的含量，对拓宽电极的应用平台具有重大的研究意义。