Энзим-фри глюкозные биосенсоры на нанокомпозитах MoS₂: передовой подход

Аннотация

Высокопроизводительные глюкозные биосенсоры востребованы для здравоохранения. Для удовлетворения этих потребностей глюкозные биосенсоры, особенно энзим-фри глюкозные биосенсоры, привлекли большое внимание. Двухмерные материалы, например графен, с высокой удельной поверхностью, отличными электрическими свойствами и хорошей биосовместимостью, были основным фокусом исследований биосенсоров в последнее десятилетие. Этот обзор представляет недавний прогресс в энзим-фри глюкозных биосенсорах на основе нанокомпозитов MoS₂. Вводятся две различные техники детектирования глюкозы с акцентом на электрохимические глюкозные биосенсоры. Также обсуждаются проблемы и будущие перспективы глюкозных биосенсоров на нанокомпозитах MoS₂.

Введение

Концентрация глюкозы в человеческой крови — важный индикатор здоровья. Например, у здоровых людей уровень глюкозы в крови обычно составляет 3,9–6,1 мМ (1 мМ ≈ 18 мг/дл), а концентрации вне этого диапазона могут указывать на дисфункцию почек, диабет и т.д. [1]. Под влиянием растущего спроса на здравоохранение многие усилия посвящены энзиматическим глюкозным биосенсорам на основе глюкозоксидазы (GOx) с момента сообщения об энзимном электроде Упдайка и Хикса в 1967 г. [2]. Несмотря на простоту, эффективность, высокую чувствительность и селективность энзаймных глюкозных биосенсоров, две основные проблемы — высокая стоимость и нестабильность — до сих пор не могут быть удовлетворительно решены. Это связано с тем, что энзиматические глюкозные сенсоры используют ферменты, такие как GOx, для косвенного обнаружения глюкозы, что часто предполагает дорогие катализаторы и сложную конструкцию устройства, и, следовательно, относительно высокую стоимость [3, 4]. Кроме того, ферменты вроде GOx уязвимы к температуре, влажности, pH и нефизиологическим химикатам из-за их внутренней термической и химической нестабильности [5, 6]. Иммобилизация GOx на поверхности электрода часто добавляет еще один уровень сложности в фабрикации энзимных глюкозных сенсоров с хорошей стабильностью и воспроизводимостью [7, 8].

Благодаря развитию Интернета вещей, сенсоры низкой стоимости и высокой надежности привлекли все больше внимания. В поисках глюкозных сенсоров, отвечающих этим требованиям, энзим-фри электрохимические биосенсоры завоевали популярность благодаря ряду преимуществ, включая простоту, высокую чувствительность и стабильность [9-12]. Энзим-фри электрохимические биосенсоры напрямую обнаруживают глюкозу через электро催化тическое окисление, что позволяет избежать использования дорогого фермента, а также повышает стабильность в окружающей среде. Ожидается, что такие биосенсоры откроют новые возможности для интеграции с переносными устройствами и детектирования глюкозы в реальном времени [13]. Ключом к реализации практических энзим-фри глюкозных сенсоров являются недорогие, надежные, биосовместимые и обильные катализаторы. В этой цели нанокомпозиты, например композиты двухмерных материалов и наночастиц, широко применяются в качестве материалов электродов биосенсоров [14]. В частности, биоэлектроника на основе двухмерных (2D) материалов становится захватывающим новым междисциплинарным полем благодаря множеству уникальных физических и химических свойств 2D-материалов, включая большую удельную площадь поверхности, отличную проводимость и легкий синтез. Например, большая удельная площадь 2D-материалов позволяет легко функционализировать поверхность через гибридизацию. Высокая проводимость обеспечивает эффективный зарядовый перенос и сбор в 2D-материалах. Среди различных 2D-материалов графен и его производные несомненно являются наиболее изученным материалом в биосенсорах [15]. Другой тип 2D-материалов, широко исследованный в электронике и оптоэлектронике, также показывает преимущества как материалов для биоэлектроники. Дихалкогениды переходных металлов (TMD), особенно дисульфид молибдена (MoS₂), обладают похожими преимуществами большой удельной площади поверхности, химической инертности и поверхностной функциональности. Интеркаляция ионных или молекулярных веществ в нанолисты TMD может быть легко достигнута благодаря их уникальной атомной структуре [16]. Важным свойством, которое выделяет MoS₂ среди других 2D-материалов, является его высокая каталитическая активность, возникающая от открытых краев [13]. Однако недостаток MoS₂ также очевиден. По сравнению с графеном, 2D нанолисты MoS₂ имеют гораздо более низкую электрическую проводимость. Рестакинг нанолистов MoS₂ дополнительно ограничивает зарядовый перенос, а также активные реакционные центры.

Маргинальные усилия были прилагаемы в энзим-фри глюкозных сенсорах на основе 2D MoS₂ до совсем недавних лет. Плохая производительность MoS₂-основанных электрохимических устройств была успешно преодолена рядом методов, успешно решивших проблему низкой собственной проводимости. Несколько MoS₂-основанных электрохимических глюкозных биосенсоров были сообщены с производительностью, превышающей аналоги на основе графена [17]. Помимо электрохимических биосенсоров, низкостоимостные неэлектрохимические методы также недавно изучались для 2D MoS₂, используя прогресс MoS₂ в электронике и оптоэлектронике [18]. В этом обзоре мы суммируем недавние достижения в MoS₂-основанных глюкозных биосенсорах. Особое внимание уделяется MoS₂-основанным электрохимическим глюкозным биосенсорам, которые описаны в разделе «Электрохимические глюкозные биосенсоры на нанокомпозитах MoS₂». В разделе «Высокочувствительное детектирование глюкозы с использованием полевых транзисторов на MoS₂» кратко представлены полевые транзисторы на MoS₂ для детектирования глюкозы. В заключение представлены выводы и будущие перспективы глюкозных биосенсоров на нанокомпозитах MoS₂.

Электрохимические глюкозные биосенсоры на нанокомпозитах MoS₂

На протяжении нескольких десятилетий металлы или сплавы были основными вариантами катализаторов для прямого электроcatalytic окисления глюкозы [19]. В последнее десятилетие двухмерные материалы с большой площадью поверхности, а также уникальными химическими и физическими свойствами открыли новые возможности для многих облаков, включая электрохимическое сенсирование, накопление энергии и электронику [20]. В контексте электрохимического сенсирования нанокомпозиты различных 2D-материалов и катализаторов показывают явные преимущества перед традиционными катализаторами. Синергетическое сопряжение между этими материалами, а именно синергетические эффекты, может привести к существенному усилению каталитической активности [21]. Хорошее количество таких нанокомпозитов, особенно основанных на графене или его производных, были разработаны и применены к энзим-фри глюкозным сенсорам. Слоистый MoS₂ ожидается обладать похожими преимуществами, поскольку он разделяет материальные свойства графена. В частности, нанолисты слоистого MoS₂ обладают большим количеством краев, которые, аналогично функционализированным графеновым листам, действуют как активные центры для каталитических реакций [22, 23].

Действительно, Хуан и соавт. синтезировали наноцветы MoS₂ гидротермальным методом [24]. Стеклянно-углеродный электрод, модифицированный наноцветами MoS₂ и композитами хитосана/золотых наночастиц, показал выраженное снижение перепада потенциалов для окисления бисфенола А. Нанокомпозитный сенсор демонстрировал эффективное электроcatalytic окисление бисфенола А, что подтверждается значительным увеличением тока в циклических вольтаммограммах. Получен хороший линейный диапазон детектирования от 0,05 до 100 мкМ для сенсирования бисфенола А. Также оценен очень низкий предел детектирования 5 нМ. Эта работа ясно продемонстрировала отличную электроcatalytic активность и синергетические эффекты Au/MoS₂ нанокомпозитов. Аналогично, MoS₂-основанные нанокомпозиты использовались для энзим-фри детектирования глюкозы. Цветы MoS₂ с большой площадью поверхности синтезировали гидротермальным методом с цетилтриметиламмониевым бромидом (CTAB) в качестве поверхностно-активного вещества [25]. Морфология микrocветов может быть контролирована pH реакционного раствора, концентрацией ПАВ CTAB и температурой отжига. Микrocветы MoS₂, полученные при температуре отжига 500 °C, показали хорошее кристаллическое качество и, следовательно, улучшенный зарядовый перенос. Интересно, что испытания электрохимического энзим-фри глюкозного сенсирования показали, что электрод из микrocветов MoS₂ без какой-либо функционализации может предложить высокую чувствительность 570,71 мкА мМ⁻¹ см⁻². Кроме того, сенсор демонстрирует широкий линейный диапазон детектирования до 30 мМ.

Синергетические эффекты катализаторов MoS₂, легированных или гибридизированных инородными металлами, такими как Cu, Ni, Co и Fe, также верны для усиленного электроcatalytic окисления глюкозы. Хуан и соавт. смогли объединить преимущества как сильной электроcatalytic активности меди для окисления глюкозы, так и большой площади поверхности и активных краевых центров нанолистов MoS₂ [26]. Наночастицы меди, декорированные на нанолистах MoS₂, показали электроcatalytic активность по отношению к окислению глюкозы. Для Cu/MoS₂ нанокомпозитного глюкозного сенсора сообщается высокая чувствительность 1055 мкА мМ⁻² см⁻² и линейный диапазон детектирования до 4 мМ. Чувствительность почти удвоила значение, измеренное для электрода из микrocветов MoS₂. Сенсор также продемонстрировал хорошую селективность при детектировании глюкозы против мочевой кислоты, аскорбиновой кислоты и дофамина. Интерференционный ток, вызванный этими химикатами, составляет всего около 2,1–5,2% от тока глюкозы, и такой низкий уровень интерференционного тока может считаться пренебрежимо малым при физиологических концентрациях.

Еще одним привлекательным кандидатом является никель (Ni), который широко изучался для Ni/графен гибридов. Аналогично меди, Ni также является обидным металлом. Редокс-пара Ni³⁺/Ni²⁺ предлагает впечатляющую каталитическую активность в щелочной среде. Поэтому Хуан и соавт. использовали нанолист MoS₂ как катализаторную подложку для иммобилизации наночастиц Ni [27]. Нанолист MoS₂ синтезировали из порошка MoS₂ в смеси этанол/вода через жидкофазную эксфолиацию. Наночастицы Ni восстанавливали на нанолисте MoS₂ нагреванием раствора нанолиста MoS₂ — этиленгликоль при 60 °C в течение 1 ч после добавления предворителя NiCl₂·6H₂O и растворов N₂H₄·H₂O и NaOH. Электрод глюкозного сенсора подготавливали осаждением Ni-MoS₂ гибрида на стеклянно-углеродный электрод. Циклическая вольтаммограмма электрода, модифицированного Ni/MoS₂ гибридом, четко выявила окисление глюкозы с более высоким током, чем у референсного электрода, модифицированного только Ni. Улучшенная электроcatalytic активность атрибутировалась большему количеству активных центров на нанолистах MoS₂, а также сниженной агрегации наночастиц Ni на 2D материальной подложке. Амперометрические результаты подтвердили хороший линейный диапазон детектирования до 4 мМ, высокую чувствительность 1824 мкА мМ⁻¹ см⁻² и низкий предел детектирования 0,31 мкМ при соотношении сигнал/шум 3 (S/N = 3). По сравнению с Cu/MoS₂ нанокомпозитным глюкозным сенсором наблюдается дальнейшее улучшение чувствительности при использовании Ni/MoS₂ нанокомпозитов. Влияние интерферентных видов, включая дофамин, аскорбиновую кислоту и мочевую кислоту, на глюкозное сенсирование также оказалось маргинальным. Что более важно, сенсор показал хорошую воспроизводимость и высокую стабильность. Пренебрежимо малые 3,4% снижение отклика сенсора измерялось после хранения в окружающей среде в течение 4 недель. Кроме того, Андерсон и соавт. сообщили о высокочувствительном неэнзимном глюкозном биосенсоре путем включения коллоидальных наночастиц серебра с MoS₂ [28]. Введение наночастиц Ag направлено на устранение внутренней плохой проводимости MoS₂. Сообщались отличная чувствительность 9044,6 мкА мМ⁻¹ см⁻² и низкий предел детектирования 0,03 мкМ. Однако линейный диапазон детектирования составляет только до 1 мМ.

Электроcatalytic активность MoS₂ может быть дополнительно улучшена гибридизацией с графеном. Низкая собственная проводимость MoS₂ подрывает его высокую каталитическую активность. Зарядовые переносы среди MoS₂ наноматериалов медленны в электрохимических реакциях или общих электронных приложениях. С другой стороны, графен обладает превосходной электрической проводимостью и может служить непосредственным решением для медленного электронного транспорта в MoS₂ наноматериалах [29]. Чжон и соавт. фабриковали трехмерные (3D) аэрогелевые нанокомпозиты MoS₂/графен одностадийным гидротермальным методом [13]. Хотя усиленные электроcatalytic активности наблюдались при использовании 3D пористой структуры по сравнению с 2D референсным образцом, использование глюкозоксидазы усложнило фабрикацию и столкнулось с теми же проблемами энзимных сенсоров. Гэн и соавт. синтезировали Ni-легированные наночастицы MoS₂, декорированные на редуцированном оксиде графена (Ni-MoS₂/rGO) простым и масштабируемым методом [30]. Как показано на рис. 1a, оксид графена, синтезированный методом Хаммерса и Оффемана, смешивали с CH₃COOH и деионизированной водой. Раствор Ni-Mo предворителя подготавливали добавлением (NH₄)₂MoS₄ и Ni(CH₃COO)₂·4H₂O с разными мольными соотношениями в раствор оксида графена. Суспензия Ni-MoS₂/rGO получали после центрифугирования и сушки при 80 °C. Собранная суспензия Ni-MoS₂/rGO затем кальцинировали 4 ч при 600 °C в атмосфере N₂. Полученные нанокомпозиты Ni-MoS₂/rGO использовали для неэнзимного глюкозного сенсирования. Рис. 1b показывает амперометрический отклик электрода сенсора, модифицированного нанокомпозитами Ni-MoS₂/rGO, на последовательное добавление раствора глюкозы. Четкое увеличение тока наблюдалось после каждого добавления глюкозы. Кроме того, вставка на рис. 1b показывает, что сенсор способен реагировать на концентрацию глюкозы всего 5 мкМ. Извлеченный токовый сигнал как функция концентрации глюкозы нанесен на рис. 1c, что четко показывает широкий линейный диапазон детектирования сенсора, 0,005–8,2 мМ, хорошо покрывающий типичный уровень глюкозы в человеческой крови. Расчетная чувствительность и предел детектирования составляют 256,6 мкА мМ⁻¹ см⁻² и 2,7 мкМ (S/N = 3) соответственно. Хотя чувствительность и предел детектирования сенсора заметно ниже предыдущих, линейный диапазон детектирования значительно улучшен. Работа также сообщает об улучшенных скоростях электронного транспорта и электроcatalytic активности с коэффициентом диффузии 1,83 × 10⁻³ см²/с и каталитическими константами скорости 6,26 × 10⁵ см³ мол⁻¹ с⁻¹ при использовании композитов Ni-MoS₂/rGO. Как показано на рис. 1d, когда сенсор хранили в сухих условиях, его токовый отклик на 1 мМ глюкозу оставался практически неизменным в течение 15 дней, показывая хорошую стабильность. Влияние распространенных интерферентных химикатов, NaCl, дофамина, мочевой кислоты, аскорбиновой кислоты и V_B, также изучалось. Результаты показаны на рис. 1e, и влияние этих химикатов на сигнальный ток маргинально. Изменение тока, вызванное 0,1 мМ NaCl, дофамина, мочевой кислоты, аскорбиновой кислоты и V_B, типичной концентрации интерферентных химикатов в нормальной сыворотке, составляет всего 0,76%, 2,77%, 6,03%, 0%, 2,51% и 0,63% от токового отклика на 2,5 мМ глюкозы. Наконец, работа продемонстрировала хорошее соответствие между измеренной концентрацией Ni-MoS₂/rGO сенсором и сообщенными больничными значениями, показывая большой потенциал сенсоров для практических применений [30].

a Схема синтеза композитов Ni-MoS₂/rGO. b Амперометрический отклик сенсора Ni-MoS₂/rGO на последовательное добавление глюкозы. c Извлеченный отклика тока к разным концентрациям глюкозы. d Тест стабильности сенсора амперометрическими измерениями в течение 15 дней. e Сравнение амперометрических откликов 2,5 мМ глюкозы и 0,1 мМ интерферентных химикатов. Воспроизведено из [25], Copyright 2017, с разрешения Elsevier

Альтернативный способ улучшения зарядового переноса в MoS₂ нанокомпозитах — гибридизация с другим высокопроводящим и биосовместимым углеродным материалом, углеродными нанотрубками (CNT). Тем временем этот способ хорошо ограничивает рестакинг MoS₂ наноматериалов, обеспечивая больше активных реакционных центров. CNT также широко синтезируются в 3D структурах и применяются в накоплении энергии, сборе энергии, сенсировании и т.д. [31-33]. Ли и соавт. подготовили 3D нанокомпозиты нанолистов MoS₂, гибридизированных с наночастицами оксида кобальта и CNT [34]. Наночастицы оксида кобальта использовались для усиления электроcatalytic активности, а CNT — для улучшения проводимости. Одностадийный гидротермальный метод, использованный для синтеза Co-MoS₂/CNT нанокомпозитов, кратко показан на рис. 2a. Смесь CNT, 0,1 мМ Co(CH₃COO)₂ 4H₂O, 1,35 мМ Na₂MoO₄ и 7,5 мМ L-цистеина переносили в тефлоновидную нержавеющую автоклав и держали при 180 °C в течение 24 ч. Продукт затем охлаждали, центрифугировали и промывали деионизированной водой и абсолютным этанолом. Очищенные нанокомпозиты Co-MoS₂/CNT наконец сушили в вакуумной печи при 60 °C в течение 6 ч. Изображения сканирующей электронной микроскопии (SEM) и передаточной электронной микроскопии (TEM) нанокомпозитов Co-MoS₂/CNT показаны на рис. 2b, c. Наблюдались типичные 3D с пучками CNT диаметром около 20 нм. TEM-изображение четко показывает полые CNT, прикрепленные к нанолистам MoS₂. Такая структура служит высокопроводящей матрицей для поддержки нанолистов MoS₂ и иммобилизации наночастиц Co. Такие плотно упакованные нанокомпозиты Co-MoS₂/CNT не только обеспечивают хорошее количество каталитических активных краев, но и позволяют эффективный зарядовый перенос во время реакций. Что более важно, плотно упакованная структура Co-MoS₂/CNT и довольно большое межслойное расстояние 0,65 нм для MoS₂ (больше, чем 0,34 нм для CNT) эффективно подавляют рестакинг MoS₂/CNT композита. Типичные циклическая вольтамметрия и амперометрические измерения проводились для изучения производительности энзим-фри сенсора из нанокомпозитов Co-MoS₂/CNT. Амперометрические отклики сенсирующего электрода Co-MoS₂/CNT, измеренные (при 0,65 В отн. Ag/AgCl) с последовательным добавлением глюкозы, показаны на рис. 2d. Наблюдалось четкое ступенчатое увеличение отклика тока к добавлению глюкозы. Хороший линейный диапазон детектирования достигнут до 5,2 мМ, как показано на рис. 2e. Расчетная чувствительность составляет 131,69 мкА мМ⁻¹ см⁻². Несмотря на относительно низкую чувствительность, получен экстремально низкий предел детектирования 80 нМ (S/N = 3) из рис. 2f.

a Схематическая диаграмма гидротермальной сборки Co-MoS₂/CNT. b SEM и c TEM изображения синтезированных Co-MoS₂/CNT. d Амперометрические отклики сенсора Co-MoS₂/CNT на последовательное добавление глюкозы. e Извлеченный отклик тока к разным концентрациям глюкозы. f Амперометрическая кривая сенсора Co-MoS₂/CNT к 80 нМ глюкозы. Воспроизведено из [29], Copyright 2019, с разрешения Elsevier

Аналогично синергетическим эффектам, демонстрируемым гибридами металл-2D материал, биметаллические сплавы и наноструктуры также показали улучшенную каталитическую производительность и проявили хороший потенциал для многих приложений, включая сенсирование [35], сбор энергии [36, 37] и т.д. Ли и соавт. недавно синтезировали биметаллические наночастицы Au-Pd для неэнзимного сенсирования перекиси водорода и глюкозы [5]. Фабрикация электрода сенсора Au-Pd/MoS₂ иллюстрирована на рис. 3a. Нанолисты MoS₂ подготавливали жидкофазной эксфолиацией. Биметаллические наночастицы Au-Pd синтезировали химическим восстановлением. Подготовленные нанокомпозиты Au-Pd/MoS₂ затем осаждали на стеклянно-углеродный электрод для химического сенсирования. Как показано на рис. 3b, хорошие ступеньки тока наблюдались при последовательном добавлении глюкозы. Линейный диапазон детектирования, измеренный как 0,5–20 мМ, значительно превышает нормальный уровень глюкозы в человеческой крови (рис. 3c). Вместо использования конвенциональных биметаллических наночастиц, часто изготавливаемых из дорогих металлов, Ма и соавт. спроектировали нанокомпозит MoS₂ с ко-декорированием золотых наночастиц и полпиррола (PPY) [38]. Металл/проводящий полимер гибриды также ожидают улучшить площадь поверхности и проводимость электрода сенсора. Кроме того, использование проводящих полимеров может дополнительно снизить стоимость электрохимических сенсоров. Фабрикованный электрод MoS₂-PPY-Au/стеклянно-углеродный показал невероятно низкий предел детектирования 0,08 нМ, практически без интерференционной селективности и долгую стабильность более 3 недель. Однако чувствительность сенсора составляет всего 37,35 мкА·мкМ⁻¹·см⁻², а диапазон детектирования довольно ограничен (0,1–80 нМ).

a Иллюстрация синтеза нанокомпозитов Au-Pd/MoS₂ и сборки на стеклянно-углеродный электрод для неэнзимного электрохимического сенсирования H₂O₂ и глюкозы. b Амперометрические отклики сенсора нанокомпозита Au-Pd/MoS₂ на последовательное добавление глюкозы. c Извлеченный отклик тока к разным концентрациям глюкозы. Воспроизведено из [5], Copyright 2017, с разрешения Elsevier

Помимо металлов, оксиды металлов с высокой каталитической активностью также пытались для улучшения электроcatalytic катализа. Помимо высокой электроcatalytic активности, низкая стоимость оксидов металлов — еще одно преимущество, которое нельзя переоценивать для низкостоимостных электрохимических сенсоров. Среди различных оксидов металлов наноматериалы Cu₂O с разными морфологиями перспективны для катализа в различных приложениях. Фан и соавт. изучали MoS₂, декорированный наночастицами Cu₂O, для неэнзимного глюкозного сенсирования [39]. Амперометрические измерения электрода, модифицированного гибридом Cu₂O/MoS₂, показывают хороший линейный диапазон от 0,01 до 4 мМ. Извлеченный предел детектирования составляет около 1 мкМ. Чувствительность была расчитана как высокая 3108,87 мкА мМ⁻¹ см⁻², что выше большинства MoS₂-основанных неэнзимных глюкозных сенсоров. Результаты также указывают на хороший потенциал оксидов металлов для низкостоимостных неэнзимных глюкозных сенсоров. Сравнение энзим-фри глюкозных биосенсоров на основе нанокомпозитов MoS₂ представлено в Таблице 1.

Высокочувствительное детектирование глюкозы с использованием полевых транзисторов на MoS₂

Полевые транзисторы (FET) на MoS₂ обладают рядом преимуществ, таких как высокое отношение коммутационного тока, низкий ток утечки, малый субпороговый наклон и высокая подвижность [41, 42]. Благодаря своим отличным электронным свойствам и механической робастности MoS₂ транзисторы показывают хороший потенциал для низкоэнергетических, низкостоимостных и носимой электроники [43, 44]. Биосенсоры, фотодетекторы, газосенсоры и их гибкие аналоги на основе MoS₂ транзисторов недавно сообщались [45]. Преимущества MoS₂ транзисторов делают эти сенсоры высокочувствительными, с низким потреблением энергии, переносными и т.д. MoS₂ FET сообщались как различные сенсоры для влажности, H₂O₂, NO, NO₂, NH₃, ДНК и т.д. [46-49]. Шань и соавт. сообщили о первом MoS₂-основанном полевом транзисторе для детектирования глюкозы [40]. Как показано на рис. 4a, задне затворной MoS₂ FET был фабрикован на подложке SiO₂/Si. Источниковые и стоковые электроды паттернировали фотолитографией и электронно-лучевой литографией. Контакты Au/Ni (70 нм/10 нм) осаждали испарением. Следует отметить, что канальный материал MoS₂ размером около 2 мкм × 3 мкм был механически эксфолирован и перенесен на предварительно паттернированные электроды, как показано на рис. 4b. Фабрикованный транзистор помещали в ячейку образца и тестировали.

a Схема задне затворного MoS₂ транзистора. b Оптическое микроскопическое изображение канального материала MoS₂ между источными и стоковыми электродами. c Реальные токовые отклики к разным концентрациям глюкозы. d Отклик тока I_ds MoS₂ FET как функция концентраций глюкозы, от 0 до 30 мМ. Вставка показывает отклик тока, извлеченный для более низких концентраций глюкозы, от 0 до 1,0 мкМ. Воспроизведено под CC BY-NC 3.0 из [44]

Измеренные кривые I_ds–V_ds с разными концентрациями растворов глюкозы четко показывали увеличение токов источник-сток с увеличением концентрации глюкозы. Следует отметить, что фермент GOx добавляли в концентрацию глюкозы. Поэтому сенсирование не является полностью энзим-фри. Усиление канального тока при увеличении концентрации глюкозы атрибутировалось энзиматическому окислению глюкозы. Электроны, произведенные от реакции, переносились в n-типовой MoS₂ канал и следовательно увеличивали его проводимость. Для иллюстрации отклика сенсора на глюкозу проводили реальные I_ds измерения с последовательным добавлением разных концентраций глюкозы, как показано на рис. 4c. Измерения начинались с чистого раствора PBS и раствора более высокой концентрации с 1 мМ больше глюкозы размещали предыдущий каждую минуту. Отклик ток источника-стока к разным концентрациям глюкозы нанесен на рис. 4d. Четко, MoS₂ FET сенсор показывает очень большой линейный диапазон для детектирования глюкозы, до 30 мМ. Испытания повторяли для низкой концентрации растворов глюкозы для зондирования предела детектирования и чувствительности MoS₂ FET сенсора. Как показано во вставке на рис. 4d, сенсор может четко обнаружить наличие глюкозы с концентрацией всего 300 нМ. Чувствительность MoS₂ FET глюкозного биосенсора расчитана как 260,75 мА мМ⁻¹. Помимо высокой чувствительности и низких пределов детектирования, устройство также показало высокую стабильность до 45 дней. Однако текущее устройство должно включать добавление фермента GOx в раствор глюкозы под тестом, что делает его менее практичным для переносных приложений.

Заключение и перспективы

Этот мини-обзор представляет недавние усилия по разработке энзим-фри биосенсоров на основе нанокомпозитов MoS₂. Эти публикации представили простые и низкостоимостные средства к высокопроизводительным глюкозным сенсорам в терминах чувствительности, линейного диапазона детектирования и предела детектирования. Эти исследования несомненно открывают новые возможности для низкостоимостных и чувствительных глюкозных сенсоров. Прогресс во многом зависит от недавних достижений в синтезе новых нанокомпозитов 2D-материалов, металлических наноматериалов и каталитических оксидных наночастиц. Можно ожидать, что больше усилий будет вложено в это направление, и накопленный опыт высоко полезен для будущих исследований связанных материалов для сенсорных приложений.

Однако в то же время следует понимать, что многие усилия еще требуются для клинических или любых других практических применений. Стабильность и воспроизводимость этих устройств еще должны быть улучшены. До сих пор использовались либо ограниченное время хранения, либо сухие условия. Во-вторых, методы химического синтеза просты и недороги, но остается неясным, являются ли методы масштабируемыми. Новые техники, такие как струйная печать, могут использоваться для воспроизводимой крупносерийной фабрикации сенсоров. Хотя MoS₂-основанные электрохимические сенсоры показывают конкурентоспособную производительность по сравнению с аналогами на основе углеродных материалов, преимущества, например каталитические краевые центры MoS₂, не являются существенными. Есть явно много места, чтобы действительно использовать уникальные свойства MoS₂ для дальнейших улучшений в неэнзимном глюкозном сенсировании. Кроме того, разработка гибких глюкозных биосенсоров на основе нанокомпозитов MoS₂ важна для гибкого сенсирования в здравоохранении и должна быть более конкурентоспособной на рынке, что определенно станет горячей исследовательской темой в будущем.

Наконец, сенсоры на основе MoS₂ FET показывают отличную производительность в глюкозном сенсировании. Учитывая недавнее развитие MoS₂ FET, это направление кажется очень перспективным для разработки низкостоимостных глюкозных сенсоров и других типов химических сенсоров. Следует еще раз подчеркнуть, что текущая работа над MoS₂ FET глюкозными сенсорами была функциональна только для GOx-допированного раствора глюкозы. Будущая работа должна найти альтернативы для избежания использования GOx для более практического развертывания MoS₂ FET глюкозных сенсоров.

Доступность данных и материалов

Не применимо.

Аббревиатуры

2D:

Двухмерные

3D:

Трехмерные

CNT:

Углеродные нанотрубки

CTAB:

Цетилтриметиламмониевый бромид

FETs:

Полевые транзисторы

GOx:

Глюкозоксидаза

Initials:

Полное название

MoS₂:

Дисульфид молибдена

Ni:

Никель

SEM:

Растровое электронное микроскопирование

TEM:

Проходное электронное микроскопирование

TMDs:

Дихалкогениды переходных металлов