氧化铈在生物分析与传感检测中的应用研究进展

李金成，陈 芸，赖向东，刘晓辉，姜 晖，王雪梅

（生物电子学国家重点实验室（吴健雄实验室），东南大学 生物科学与医学工程学院，江苏 南京 210096）

铈是镧系元素中除铕以外活性最高的一种稀土元素，也是地壳中储量最高的一种稀土元素，主要存在于独居石和氟碳铈矿中，也存在于铀、钍和钚的核裂变产物中［1］。铈具有特殊的电子层结构（［Xe］4f15d16s2），5d轨道上有1个电子，而其余La系元素新增电子均在4f轨道上［2］。铈有Ce3+和Ce4+两种氧化态，三价铈盐通常为白色，有一个不成对的4f电子，故有顺磁性［3］；大多数四价铈盐及其溶液为橙红色到橙黄色，具有反磁性和强氧化性，在分析化学中常用作氧化剂［4］。

氧化铈（CeO2）是应用最广泛的铈化合物，具有萤石型晶体结构，晶格是面心立方（FCC）结构，其中铈原子位于立方体的面心和顶点，氧原子占据所有四面体位置（图1）。CeO2晶胞中同时存在三价和四价两种混合价态的铈离子以及氧离子，铈离子为立方配位，每个铈离子与8个氧离子包围，氧离子为四面体配位，每个氧离子与4个铈离子包围［5］。Ce3+/Ce4+之间可以自发进行氧化还原循环并在晶面上产生氧空位（Vö）［5］。混合价态和氧空位对CeO2的性质有重大影响。在缺氧环境中，CeO2可以失去部分晶格氧，而晶体结构仍保持萤石型晶体结构，从而形成大量的氧空位，一个氧空位伴随两个Ce3+生成，当环境中富氧时，失去的晶格氧可以被重新填充，因此CeO2具有很强的储放氧能力，良好的化学稳定性以及高温下氧空位的快速扩散能力，可以促进反应中的电荷转移，从而起到良好的催化作用［6］。

图1 氧化铈（CeO2）的萤石型晶体结构［7］Fig．1 Fluorite type crystal structure of cerium oxide（CeO2）［7］

CeO2具有良好的氧化还原性能以及储氧性能（OSC），目前已广泛应用于发光材料［8］、紫外吸收材料［9-10］、燃料电池［11］、催化剂［12］、染色剂［13］、玻璃抛光［14］、汽车尾气净化［15］、电子陶瓷［16］等领域。随着研究的深入，CeO2的多种生物医学活性逐渐被发现［17］。据报道，氧化铈具有抗菌活性［18］、抗癌活性［19］、超氧化物歧化酶（SOD）活性［20］、过氧化物酶活性［21］、过氧化氢酶（CAT）活性［22］、磷酸酶活性［23］和氧化酶活性［24］等，可清除超氧化物、过氧化物、羟自由基及氮氧化物自由基等活性氧（ROS）［25］，可作为辅助治疗剂减轻多种疾病引起的炎症和氧化应激［26］，可用于治疗雄激素性脱发［27］、骨质疏松［28］、肠炎［29］、关节炎［30］、糖尿病［31］、脑卒中［32］、阿尔兹海默症［33］和帕金森［34］等神经退行性疾病以及抗辐射、促进组织再生和药物/基因递送载体等，在疾病诊疗领域具有广阔的应用潜力［35-36］。

CeO2纳米颗粒具有大比表面体积、高表面反应活性、高催化效率和超强吸附能力，在构建高灵敏度传感器方面具有明显的优势。目前，CeO2的催化活性、电化学活性和生物医学活性已被用于设计开发成多种新型传感器，可提高目标物在传感器表面的电子转移效率，实现对气体、有机化合物、金属离子、生物标志物等多种物质的灵敏分析与检测。由于传感器的识别单元（包括敏感膜）决定了其特异性或选择性，而灵敏度也与其换能器的类型密切相关，因而，根据其检测模式的不同，目前基于氧化铈（CeO2）纳米材料的传感器主要分为电化学传感器、比色传感器、荧光传感器以及化学发光传感器等。

1 基于氧化铈的电化学传感

电化学传感具有灵敏度高、响应快、成本低、操作方便等优点。由于纳米CeO2良好的生物相容性、导电性和转移氧气的能力，已被广泛用于开发电化学传感器，以增加传感器的响应性、灵敏度和稳定性。基于CeO2的电化学传感器早期主要用于对气体进行检测分析。当被测气体与传感器接触时可发生电化学反应，从而将被测气体含量转化为电流（或电压）信号。近年来，CeO2电化学传感器在生物分子检测中发挥了越来越多的作用。CeO2良好的生物相容性可用作生物酶固定材料，此外CeO2还具有多种模拟酶活性，可以稳定高效的代替生物酶催化某些生化反应。基于CeO2的电化学传感器具有灵敏度高、选择性好、操作方便的特点，可通过电流、电位、电导、电量等对多种物质进行检测。特别是基于CeO2的气体传感器，因具有响应迅速、测量准确、稳定性好等优点，受到了广泛研究（表1）。

表1 用于气体检测的铈基电化学传感器Table 1 Electrochemical sensors based on cerium oxide for gas detection

1.1 气体传感（环境监测）

1.1.1 氧气传感CeO2在高温下可转化为非化学计量比的CeO2-x，具有良好的结构稳定性和高氧迁移率，可产生许多氧空位，这些氧空位可以提高电子迁移率，是高活性的反应位点。CeO2对氧空位的扩散系数很大，其浓度迅速达到平衡状态，因此使用CeO2构建氧传感器响应迅速。这种传感器一般是电阻式或电流式，即传感器在工作温度下的导电性与氧分压在一定范围内呈函数关系［37］。

CeO2的粒径对传感器的性能影响很大。Izu等［38-39］研究了电阻式氧传感器的的响应时间（t90）与扩散系数（DV）、表面反应系数（kV）和粒径（R）之间的动力学函数关系，发现在粒径为1 μm或更小的情况下，传感器动力学由表面反应控制，响应时间与R/kV成比例，减小CeO2的粒径可缩短传感器的响应时间。随后他们通过优化制备工艺和使用元素掺杂的方法［40-41］，进一步减小CeO2的粒径，大大缩短了传感器的响应时间。除了减小粒径，氧化铈与杂元素掺杂［42-43］、与其他材料复合［44］或者改进传感器的结构［45］均可进一步提升氧化铈传感器的性能，但机理可能不同。

1.1.2 其他气体传感针对有毒有害气体的灵敏监测成为一项保障人类生命安全和可持续发展的重要任务。目前基于CeO2的有毒有害气体传感器已有大量研究报告。CeO2对CO等废气以及某些挥发性有机化合物（VOCs）有吸附和催化作用，可将某些气体信号转化为电信号，从而对其进行高灵敏检测。

CeO2可单独作为传感材料直接用于乙醇［46］、三甲胺（TMA）［47］、CO［48］、甲醛［49］等多种气体传感，形貌调控可使CeO2暴露更多的活性位点，有利于提升其传感性能［48］。Khan等［46］将平均尺寸为（25±10）nm的CeO2涂覆在玻碳电极表面作为工作电极，对0．17~170 mmol/L浓度范围的乙醇表现出良好的灵敏度（0．92 μA/cm2·mmol·L-1）、较低的检出限（（0．124±0．010）mmol/L）和较短的响应时间。此外，这种氧化铈对酰胺黑和吖啶橙两种染料具有光催化活性，在250 W高压汞灯下照射170 min后，45．6%的酰胺黑和37．7%的吖啶橙被降解。

Izu等［50-53］研究了形貌调控和元素掺杂对氧化铈的CO传感性能的影响。他们分别使用了具有多孔结构［50］和核壳结构［51］的CeO2膜检测CO［52］，提高了传感器对CO的选择性和响应值。此外，他们还研究了其他贵金属（Pt、Ag、Pd、Au等）对CeO2膜CO传感器响应的影响［53］。结果显示，添加4 wt%Au可使CeO2传感器对CO的响应增加40倍，响应时间与未添加时相同。添加Ag纳米颗粒的CeO2传感器在第一次测量中显示响应增加，但随着测量次数的增加该响应逐渐降低。Pd的添加会导致CeO2传感器的响应不均匀，但未观察到电阻增加。

生物模板也可用于调控氧化铈的形貌。Liu等以凤凰树叶［54］和玫瑰花瓣［55］为生物模板，大规模制备介孔CeO2纳米片，并研究了其对二甲苯的传感特性。生物模板中的羟基和羧基有利于铈离子在吸附过程中的分散和固定。介孔纳米片的固有结构特性、表面配位不饱和晶格氧、源自Ce3+离子的氧空位和生物模板的印迹效应等协同作用可能是增强响应性和选择性的主要原因。

元素掺杂主要影响CeO2的粒径和Ce4+/Ce3+间的比例，从而增加氧空位的浓度和催化性能。钌或铟的掺杂会导致晶格缺陷，增加氧电导率并可能增加电子态，从而增加了NO2在传感器上的响应，这对CeO2可用作NO2气体传感器是有益的［56］。Zr掺杂的CeO2（Ce1-xZrxO2，0≤x≤0．7）对氨气（NH3）的检出限可低至3 ppm［57］。Gd的掺杂降低了氧化铈的晶格参数、粒径和电阻，增加了对CO2的灵敏度，可能与粒径和表面电荷浓度有关［58］。添加少量（10%）CeO2可显著抑制SnO2传感器对甲烷（CH4）的响应，但对CO的灵敏度不受影响，从而提升了传感器的选择性［59］。

Ortega等［60］合成了La和Eu掺杂的CeO2，分别获得蓝色（La）和红色（Eu）的荧光发射；表明该掺杂材料用于白光LED器件和CO气体传感方面很有前途。

Suzuki等［61］改进了传感器的结构，在传感器中加入了薄膜加热器，开发了一种针对太空环境的电阻式氢气传感器，能够在从大气压到10-5Pa的压力范围内检测氢气，其原理可能是低氧分压时CeO2释放氧，使表面的氧空位和Ce3+增加，从而使电子传递加快，电阻降低所致。

CeO2是良好的酶固定材料，可与酶复合修饰在电极表面以构建生物传感器。Gumpu等［62］采用CeO2-PANI核壳纳米粒子与二胺氧化酶（DAO）复合，通过强静电吸引力提高固定效率，构建了一种CeO2/DAO/壳聚糖生物传感器用于虎虾样品中腐胺浓度的准确测量，在0．28~1．7 mmol/L范围内进行的加标回收实验显示出良好的准确性，相对误差为0．012~0．088，回收率为88．9%~98．2%。该电极具有表面积大、导电性好、生物相容性好等特点，表明CeO2的加入使纳米界面表现出优异的电子转移能力，从而提高了传感性能。

不同形貌的CeO2具有不同的传感特性。Divya等［63］研究了截角八面体（CeNP）、纳米立方体（CeNC）、八面体（CeNO）和纳米棒（CeNR）四种不同形态CeO2膜的空气相对湿度（水蒸气）传感性能。测试结果表明，CeNP在湿度传感方面的效率更高，可能归因于其较高的表面积和孔隙率。Poonia等［64］使用气凝胶法制备了高表面积（268 m2/g）的球形CeO2对湿度变化具有出色的可逆性和稳定性。Zhang等［65］制备的CeO2纳米片具有检测湿度和甲醛的双功能。Fu等［66］通过水热法合成了CeO2纳米线，用于湿度传感时，水蒸气被吸附在纳米线的表面形成羟基并发生质子转移，电阻随着湿度的增加呈指数下降，响应和恢复都非常快。

研究表明，掺杂、复合可进一步提升CeO2的传感性能。将Ba掺杂到CeO2中可提高CeO2的湿度敏感性［67］；铜的掺杂可提高氧空位，减小CeO2的粒径，提高传感器的灵敏度和抗腐蚀能力［68］。聚苯胺（PANI）/CeO2纳米复合材料在不同温度下的电阻随湿度变化表现出很好的线性［69］。

1.2 生物小分子传感

生物活性小分子是在复杂的新陈代谢过程中产生，并参与重要的生理生化过程的有机小分子，对其进行检测具有重要意义。CeO2是一种良好的生物酶固定材料，可将生物酶一起吸附修饰在电极表面，用于构建生物酶传感器。同时，CeO2又具有多种生物酶模拟活性，可催化多种生物小分子的分解过程，因此可用于构建无酶电化学传感器。这种电化学传感器主要是基于生物酶或模拟酶的催化作用，可加速生物活性分子在电极表面的电子传递速率，提高分子在电极上的响应，因此具有选择性好、灵敏度高等优点。

1.2.1过氧化氢（H2O2）与葡萄糖传感H2O2是化学、生物、制药、临床、环境和食品加工等过程中的关键组分，也是许多酶促反应的副产物，对H2O2的分析检测具有重要意义。CeO2可修饰于电极表面以增加灵敏度、降低检出限，可用于构建无酶H2O2电化学传感器，也可用于酶固定材料构建酶传感器。表2比较了用于H2O2和葡萄糖传感的各种氧化铈电化学传感器的性能。

表2 基于氧化铈的H2O2/葡萄糖电化学传感器Table 2 Electrochemical sensors for H2O2/glucose detection based on cerium oxide

Neal等［70］研究了不同比例Ce3+/Ce4+的氧化铈对H2O2的电催化效果，发现Ce4+比例较高的CeO2在H2O2存在下表现出更好的模拟过氧化氢酶活性和更高的电流响应。Ispas等［71］将CeO2用作固定酶材料，将葡萄糖氧化酶（GOX）固定在CeO2表面，构建了一种葡萄糖电化学传感器。CeO2可促进GOX的活性中心和GCE表面之间的直接电子转移，为酶的固定化提供生物相容的微环境，并为开发第三代生物传感器和生物燃料电池提供进一步的可能性。李燕等［72］采用CeO2作酶固定材料，将血红蛋白（Hb）吸附在CeO2上，并用5%的Nafion固定在GC电极表面，制备了CeO2/Hb修饰电极。CeO2的加入加速了Hb中亚铁血红蛋白和高铁血红蛋白之间的转化，实现了Hb与电极间的直接电子转移，保留了Hb对H2O2的催化能力，可用于H2O2的有效检测。

贵金属常用于提升传感器性能［73-74］。钯改性的CeO2（Pd-CeO2）修饰电极对葡萄糖、抗坏血酸（AA）、多巴胺（DA）和尿酸（UA）的氧化具有更高的催化活性［75］，除了非酶法检测葡萄糖，还具有同时测定AA、DA和UA的潜力。金改性的CeO2（Au-CeO2）电极检测葡萄糖时，灵敏度高达44 μA/cm2·mmol·L-1，检出限为10 μmol/L［76］，有望用于分析评估燃料电池、生物体液（如血液、唾液、汗水、尿液和血清）以及食品和饮料中的葡萄糖。

马晓倩等［77］使用稀土元素Gd掺杂的CeO2构建了一种无酶传感器，采用水热法合成了Ce1-xGdxO（4-x）/2纳米复合材料，发现Gd掺杂可有效增加氧空位浓度，提高电导率，不同掺杂比率对H2O2的电催化响应和灵敏度不同。Ce0．9Gd0．1O1．95-CHIT/GCE修饰电极对H2O2的线性范围为0．01~11 mmol/L，检出限（S/N=3）为1．7 μmol/L。

不同形貌的CeO2对H2O2的传感性能不同。Ujjain等［78］合成了菱面体形和球形两种形貌的CeO2，发现均可用于H2O2的电催化氧化，但菱面体形CeO2-HMTA的电催化活性更高。复合材料可提升电极的稳定性。CeO2与碳复合簇C/CeO2用于葡萄糖电催化氧化时，表现出良好的稳定性和抗干扰性能［79］。Xu等［80］将TiO2/CeO2/CePO4复合材料和GOX固定在Pt电极表面，构建了一种在富氧和缺氧环境中均能使用的电流式葡萄糖传感器。TiO2的加入在一定程度上提高了电极的催化能力和对H2O2的响应。

1.2.2 pH（H+）传感钐或锆掺杂的CeO2可用于pH传感。Shuk等［81］将钐（Sm）掺杂进氧化铈，增加了氧空位浓度和氧化物离子导电性，对溶液pH值在3~10范围内与电势变化呈线性，但不是Nemstian响应，可能与CeO2的离子交换性质有关。室温下该传感器可在1~2 min内对分析物的pH值变化做出相对快速且可重复的响应，被用于跟踪酸碱滴定。Betelu等［82］采用钐或锆部分替代铈掺杂进CeO2，可使充电电流分别增加6．5倍和12．0倍。其中Ce0．8Zr0．2O2SPE的测量最精确，在25℃和5．5~13．2的pH范围内表现出接近Nemstian响应的行为（灵敏度-（51±2）mV/pH），电极响应受pH变化方向的轻微影响，可用于稳定可靠的水pH值监测。

1.2.3 氨基酸传感Özel等［83］将谷氨酸氧化酶（GmOx）与CeO2/TiO2纳米粒子共同固定在Pt微电极上，成功制备了一种谷氨酸氧化酶微电极，可用于缺氧条件下L-谷氨酸（GluA）的测量。CeO2纳米颗粒的氧气输送能力使谷氨酸氧化酶在无氧条件下仍能稳定工作。结果显示，该传感器在有氧和无氧条件下的检出限分别为0．594 μmol/L和0．493 μmol/L，灵敏度分别为793 pA/μmol·L-1（RSD：3．49%，n=5）和395 pA/μmol·L-1（RSD：2．48%，n=5），响应时间分别为2 s和5 s。该生物传感器具有良好的操作稳定性和对常见干扰物质的选择性，可用于体内缺氧条件下谷氨酸的检测。

1.2.4 乳酸传感Sardesai等［84］利用CeO2的储存和释放氧气的能力，将Pt掺杂的CeO2和乳酸氧化酶（LOX）依次涂布在经过亲水改性的Pt电极表面，构建了一种可在缺氧环境下使用的乳酸生物传感器。这种生物传感器克服了传统LOX生物传感器对氧气的依赖，与纯CeO2相比，Pt的掺杂提高了CeO2的电催化活性和储氧能力。体外评估表明，该传感器具有高选择性和稳定性，响应时间6 s，在100 pmol/L~15．5 mmol/L的宽浓度范围内具有良好的线性和灵敏度；体内测试结果表明，该传感器可在脑缺血和再灌注的麻醉大鼠模型中以高空间和时间分辨率连续监测和定量研究缺氧性脑损伤中的乳酸含量。

1.2.5 核苷酸传感Jafari等［85］将ssDNA探针固定在还原氧化石墨烯修饰的CeO2（CeO2-RGO）纳米复合材料改性的玻璃碳电极上，然后采用快速傅里叶变换方波伏安法（FFT-SWV）检测［Ru（bpy）3］2+/3+在该CeO2-RGO修饰电极上的氧化还原信号。当ssDNA与其互补靶标核苷酸杂交后，可导致［Ru（bpy）3］2+/3+的FFT-SWV信号急剧下降。该CeO2-RGO修饰电极用于检测嗜水气单胞菌编码气溶素蛋白的DNA寡核苷酸序列时表现出优异的选择性，线性范围为1×10-15~1×10-8mol/L。该课题组还用此电极检测了鱼塘水中提取的嗜水曲霉DNA，质量浓度高达0．01 μg/mL，RSD为5%。

1.2.6 多巴胺传感多巴胺（DA）是儿茶酚胺类神经递质，可调控哺乳动物中枢神经系统的生理功能，与多种疾病相关。Nayak等［86］使用CeO2与氧化石墨烯纳米片复合，提高了电子转移效率，对DA具有更高的电化学响应和选择性。氧化铈/还原氧化石墨烯（CeO2/rGO）复合材料对抗坏血酸（AA）和DA均表现出优异的电化学活性，还可以光催化降解亚甲基蓝［87］。

1.3 免疫传感

免疫传感器是一类重要的生物传感器，与上文提及的基于催化过程的生物活性小分子传感不同，免疫传感基于特异性免疫反应，使用抗体、适配体等具有特异性识别功能的生物分子作为捕获和识别元件。利用CeO2与抗原、抗体和DNA分子间的强吸附性，可将抗原、抗体或核酸适配体固定在CeO2表面，从而可捕获某些大分子或疾病标志物并转化为可检测信号。免疫传感器具有特异性强、识别快、精度高、稳定性好等优点，具有较高的应用价值。

Pachauri等［88］将口腔癌生物标志物细胞角蛋白片段21-1（Cyfra-21-1）的特异性抗体偶联到ncCeO2-RGO/ITO电极表面，构建了一种诊断口腔癌的免疫电化学传感器。使用微分脉冲伏安法（DPV）可在0．625 pg/mL~0．01 ng/mL范围内观察到最佳线性响应，检出限为0．625 pg/mL，灵敏度为14．5 μA·ng-1·mL·cm-2，R2=0．98，可抵抗葡萄糖、氯化钠（NaCl）、粘蛋白16（MUC-16）和白细胞介素8（IL-8）等多种干扰物。马霄等［89］利用CeO2固定癌胚抗原抗体（anti-CEA），构建了一种新型的癌胚抗原（CEA）免疫传感器。该传感器在最适条件下对CEA的响应良好，线性范围为0~80 ng/mL（r=0．998 25），检出限为0．08 ng/mL。Dhiman等［90］将赭曲霉毒素A（OTA）抗体偶联的CeO2集成在微流控芯片上，构建了一种微流控电化学免疫传感器（图2）。循环伏安法（CV）和差分脉冲伏安法（DPV）测试显示，该传感器可在350 pg/mL~75 ng/mL范围内对OTA具有线性响应，灵敏度为7．5 mA·ng-1·mL·cm-2。

图2 Anti-OTA/CeO2/ITO微流控芯片传感器检测赭曲霉毒素A［90］Fig．2 Anti-OTA/CeO2/ITO microfluidic chip sensor for detection of ochratoxin A［90］

2 基于氧化铈的比色传感

比色传感器检测可见光信号，通过直接或间接反应将被测物信号转化为颜色变化，无需借助复杂仪器，仅凭肉眼即可分辨检测结果。该方法成本低、易操作，无需昂贵仪器，特别适合现场实时检测。CeO2纳米粒子在氧化还原过程中会发生肉眼可见的颜色变化，可用作显色指示剂。此外，它还能直接或间接催化某些底物（如邻苯二胺（OPD）、3，3'，5，5'-四甲基联苯胺（TMB）、2，2'-联氮双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸（ABTS）等）发生显色反应，因此CeO2在开发构建比色传感器方面极具潜力。

Ornatska等［91］首次使用CeO2纳米粒子作为比色探针，并与GOX共同固定在滤纸上，构建了一种葡萄糖传感器（图3）。在葡萄糖存在情况下，GOX可分解葡萄糖产生H2O2诱导Ce3+/Ce4+之间的转换，使固定在生物活性传感纸上的CeO2纳米颗粒发生肉眼可见的颜色变化。该比色测定过程无需有机染料和过氧化物酶（HPR）等外部试剂，反应完全可逆，可以连续地重复使用至少10个测量周期而不会显著丧失活性，在室温下放置79 d仍可保持稳定的分析性能，可用于人血清样本中葡萄糖的分析检测。值得注意的是，该比色传感器可扩展于所有以H2O2为产物的酶促反应底物的分析与检测。介孔CeO2材料在其孔内捕获氧化酶（如GOx或ChOx）也可用于葡萄糖或胆固醇的比色检测［92］。

图3 基于氧化铈的比色纸传感器检测葡萄糖［91］Fig．3 Cerium oxide based colorimetric paper sensor for detection of glucose［91］

Gaynor等［93］研究了H2O2与CeO2纳米粒子的氧化还原变色反应机理，认为该变色反应是由于过氧化物和氧分子吸附在CeO2纳米颗粒上，与铈离子之间产生双电子转移过程，导致CeO2在电磁光谱的可见区域吸收增加。他们还观察到这种比色反应对H2O2的敏感性随着CeO2微晶尺寸的减小而显著增加，可能是由于表面积增加以及表面上Ce3+浓度增加所致。

Sharpe等［94-95］发现CeO2与某些抗氧化剂（如抗坏血酸、没食子酸、香草酸、槲皮素、咖啡酸等）相互作用后表面颜色改变，由此设计了一种便携式比色传感器。该传感器的特点是无需专门设备，适用于大量样本的高通量分析，已成功应用于实际样品（茶叶和药用菌）中抗氧化剂的活性评估［96］。茶叶中茶多酚是很好的抗氧化剂，霍丹群等［97］利用茶多酚还原CeO2，构建了3×3的交叉阵列比色传感器，实现了对5种茶多酚和14种茶叶，共95个样本的快速准确识别。

CeO2可以催化无色的邻苯二胺（OPD）氧化，生成黄色产物2，3-二氨基吩嗪（oxOPD）。Peng等［98］利用这一氧化显色反应，使用白细胞介素6（IL-6）捕获抗体（一抗）标记的四氧化三铁（Fe3O4-Ab1）和信号抗体（二抗）标记的CeO2（CeO2-Ab2），构建了一种比色传感器用于血清样品中IL-6的检测。CeO2优异的氧化酶活性放大了比色信号，提高了灵敏度。该传感器在血清样品中癌症生物标志物的监测方面也具有很大潜力。利用CeO2的过氧化物酶活性，可在H2O2存在下催化3，3'，5，5'-四甲基联苯胺（TMB）氧化显蓝色，以构建H2O2比色传感器［99-100］。此外，CeO2纳米颗粒的类氧化酶活性可催化ABTS显色用于氟化物的比色检测［101］。

3 基于氧化铈的荧光传感

荧光是一种广泛存在的光致发光（PL）过程，这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子的过程。荧光传感器通过光谱仪记录荧光峰值、量子产率、荧光寿命以及新荧光峰的出现等变化，仪器操作简便，可灵敏、迅速的对目标物质进行定性和定量检测。该检测过程可能涉及到光诱导电子转移（PET）、荧光共振能量转移（FRET）、分子内电荷转移（ICT）、激基缔合物（Monomer-excimer）的形成或消失、激发态分子内质子转移（ESIPT）等一个或多个复杂的光物理学现象。荧光传感器目前面临的问题主要在于受环境因素影响大，灵敏度有待提高，对目标物难以达到专一、高效地识别。CeO2可在紫外激发下发出绿色荧光（~530 nm），微环境中的一些因素会影响CeO2的荧光发射光谱；同时，CeO2又可增强或猝灭许多荧光过程，因此CeO2已被开发为多种荧光传感器。

Shehata等［102-103］利用液体中溶解氧（DO）可猝灭CeO2纳米粒子在520 nm处的荧光发射，分别使用CeO2和铝掺杂的CeO2构建了DO荧光传感器，铝掺杂增加了CeO2中的氧离子电导率，从而提高了CeO2纳米粒子对DO的敏感性。随后该课题组［104-105］还使用静电纺丝技术，制备了CeO2与PVA和壳聚糖的复合纳米发光纤维，用于生物医学和环境领域中过氧化物和自由基浓度的监测。此外，他们还将CeO2与金纳米颗粒复合，用于水中铅粒子、DO和铁粒子的检测［106-107］。

CeO2的氧化还原特性和光致发光特性与晶体中Ce3+与Ce4+的比率相关。Krishnan等［108］利用这一特性，将维生素C用作荧光恢复剂，设计了一种“Turn-on”型荧光传感器。采用0．5 mmol/L高锰酸钾溶液将Ce3+氧化成Ce4+，使CeO2的绿色荧光完全猝灭，然后用维生素C将Ce4+还原成Ce3+，CeO2的荧光恢复，通过获取各样品的光致发光光谱可对维生素C进行定量。Malyukin等［109］利用CeO2与H2O2的相互作用导致Ce3+→Ce4+，同时伴随着纳米CeO2发光的猝灭，构建了一种可多次循环使用的H2O2荧光传感器。

Liu等［110］使用CeO2作为荧光猝灭剂，利用H2O2和DNA间的竞争性置换反应，构建了一种荧光传感器（图4）。基于CeO2强烈吸附磷酸盐的特性，荧光分子标记的DNA作为荧光探针可被CeO2吸附，荧光被完全淬灭。采用H2O2竞争性置换使DNA从CeO2表面解吸附，可使荧光信号增强至20倍。该传感系统可灵敏地检测低至130 nmol/L（4．4 ppb）的H2O2，还可与GOX结合在缓冲液中检测低至8．9 μmol/L的葡萄糖。

图4 基于氧化铈的荧光传感器检测H2O2［110］Fig．4 Fluorescent sensor for detection of H2O2 based on cerium oxide［110］

4 基于氧化铈的化学发光传感

与光致发光相比，化学发光（CL）传感器无需激发光源，因此背景发射更低，灵敏度更高，具有很高的实际应用价值，目前已在许多商业化检测试剂盒中得到广泛应用。CL传感器可分为基于酶催化的化学发光和基于电化学的化学发光。电致化学发光（ELC）结合了化学发光与电化学技术的优势，克服了传统CL需要添加发光试剂的缺点，具有灵敏度高和电位可控的优点。钌、铈等金属元素由于特殊的电子结构可以产生化学发光。CeO2可以催化鲁米诺（3-氨基-苯二甲酰肼）的化学发光过程。

Pur等［111］使用CeO2/三（2，2-联吡啶）钌（II）/壳聚糖修饰的还原氧化石墨烯（CeO2NPs-RGO/Ru（bpy）2+3/CHIT）开发了一种用于快速检测细胞色素C（Cyt C）的新型超灵敏ELC传感器。ECL信号由电极表面上的Ru（bpy）2+3和三丙胺（TPA）之间的电化学作用产生。将Cyt C添加到溶液中会竞争性抑制Ru（bpy）2+3和TPA间的相互作用，从而降低ECL信号。该传感器对Cyt C的检测具有较高的灵敏度和选择性，以及良好的稳定性，可用于人血清样品中Cyt C的测定。

Li等［112］利用CeO2可在碱性条件下催化鲁米诺与H2O2之间的化学发光反应，设计了一种化学发光传感器阵列，可用于H2O2的灵敏、快速、高通量检测，对H2O2的线性范围为1．0×10-8~5．0×10-5mol/L（R2=0．999 1），响应时间为1 s，检出限为1．0×10-9mol/L。该CL体系的最大发射波长位于425 nm，其发光机理可能是CeO2对鲁米诺-H2O2体系的催化作用。由于H2O2是爆炸物三过氧化三丙酮（TATP）的合成原料，所以该体系还可以用于TATP的快速、安全检测。

Pang等［113］将CeO2纳米粒子首次与K2S2O8用于ECL领域（图5），基于氧化石墨烯/羧化多壁碳纳米管（GO/MWCNTs-COOH）的优异导电性和大比表面积特点用于负载CeO2纳米颗粒，附着CEA抗体的Au纳米颗粒也沉积在该基质上以增强灵敏度。进一步将该GO/MWCNTs-COOH/Au@CeO2纳米复合材料用于修饰玻碳电极，构建了一种高灵敏检测人血清样品中CEA的ECL传感器。该传感器灵敏度高、重复性好，展示了CeO2用于化学发光的潜力。

图5 GO/MWCNTs-COOH/Au@CeO2纳米复合材料电化学发光（ECL）传感器检测癌胚抗原（CEA）［113］Fig．5 GO/MWCNTs-COOH/Au@CeO2 nanocomposite electrochemiluminescence（ECL）sensor for detection of carcinoembryonic antigen（CEA）［113］

5 总结与展望

近年来，基于CeO2的新型传感器层出不穷，已广泛应用于包括光学、电学、化学、医学等众多领域，发展出了电化学传感、比色传感、荧光传感、化学发光传感等多种模式。独特的光电和化学特性使CeO2能够用于构建各种类型的传感器，本文回顾和总结了近年来的众多文献报道，发现CeO2在传感器中具有催化、固定、识别、换能等多种用途，可提高传感器的特异性和灵敏度。尽管基于CeO2的传感器取得了许多进展，但仍不能满足迅速增长的实际需求。因此，如何提升CeO2的各项传感性能使之更好地适应各种需求是当前研究的热点课题。CeO2的催化和传感能力高度依赖于其形态，目前的手段主要是通过形貌粒径调控、杂元素掺杂和多组分复合的方式，以提升CeO2的表面积、导电性、晶格中氧空位比例，进一步降低检出限，提高响应速度、灵敏度和选择性，以获得更佳的传感能力，扩展其在环境监测、生产生活、医疗健康等领域的进一步应用。

目前基于CeO2传感器设计研发的可能方向主要包括：一是以新颖性为导向，主要研究基于CeO2的新型传感材料的制备、掺杂和复合以进一步提高传感性能；另一个是以实际需求为导向，主要研究基于CeO2的传感器产业化应用。新型传感材料是产业化的未来，产业化又为新型传感材料的研发提供内在动力，二者紧密联系，互为依托。新冠肺炎的大爆发让我们看到了快速、精准的医疗检测技术在当前的迫切需求。迄今为止，只有少数关于CeO2传感材料在医疗诊断领域的应用研究，科学家仍需时间验证这些传感器的各项性能。随着研究的进一步深入，我们相信这类基于CeO2传感器将大量涌现并应用于新冠肺炎等疾病的快速诊断。