基于 MoS₂ 纳米复合材料的无酶葡萄糖生物传感器：前沿综述

摘要

高性能葡萄糖生物传感器在医疗健康领域需求迫切。为满足这一需求，无酶葡萄糖生物传感器备受关注。二维材料（如石墨烯）凭借高比表面积、优异电学性能和良好生物相容性，成为过去十年生物传感器研究的主流。本文综述了基于 MoS₂ 纳米复合材料的无酶葡萄糖生物传感器的最新进展，重点介绍了两种葡萄糖检测技术，特别是电化学葡萄糖生物传感器，并讨论了挑战与未来展望。

引言

人血葡萄糖浓度是重要健康指标。健康人血糖通常在 3.9–6.1 mM (1 mM ≈ 18 mg/dL)，超出此范围可能提示肾功能不全、糖尿病等。自 1967 年 Updike 和 Hicks 报告酶电极以来，基于葡萄糖氧化酶 (GOₓ) 的酶法葡萄糖生物传感器因简便、高效、高灵敏度和选择性而得到广泛研究。然而，酶法传感器面临成本高、稳定性差两大难题：酶法间接检测葡萄糖常涉及昂贵催化剂和复杂器件构造，成本较高；GOₓ 等酶对温度、湿度、pH 和非生理化学物质敏感，热力学和化学稳定性差；酶在电极表面的固定化进一步增加了制备稳定、可重复传感器的难度。

得益于物联网发展，低成本、高可靠性的传感器日益受到重视。无酶电化学生物传感器通过直接电催化氧化检测葡萄糖，避免了昂贵酶的使用，提高了环境稳定性，具有简便、高灵敏度、高稳定性等优势，有望结合便携设备实现实时葡萄糖检测。实用无酶葡萄糖传感器的关键在于廉价、可靠、生物相容且丰富的催化剂。纳米复合材料（如二维材料与纳米颗粒复合）被广泛采用作为生物传感器电极材料。二维材料基生物电子学因其独特物化性质（大比表面积、优异导电性、易合成）成为新兴交叉领域。石墨烯及其衍生物无疑是生物传感器中研究最多的二维材料。另一类二维材料——过渡金属二硫属化物 (TMDs)，特别是二硫化钼 (MoS₂)，也具备大比表面积、化学惰性和表面功能化等优势。MoS₂ 独特的原子结构易于嵌入外来离子或分子。MoS₂ 暴露的边缘具有高催化活性，使其在二维材料中脱颖而出。但 MoS₂ 电导率远低于石墨烯，且纳米片重叠堆叠进一步限制电荷转移和活性反应位点。

直到近几年，基于二维 MoS₂ 的无酶葡萄糖传感器研究才逐渐增多。通过多种方法成功解决了 MoS₂ 固有低电导率问题，部分 MoS₂ 电化学葡萄糖生物传感器性能甚至超越石墨烯对应物。除电化学生物传感器外，利用 MoS₂ 在电子学和光电子学的进展，低成本非电化学方法也被近期研究。本文总结 MoS₂ 基葡萄糖生物传感器最新进展，重点阐述基于 MoS₂ 纳米复合材料的电化学葡萄糖生物传感器，简要介绍基于 MoS₂ 场效应晶体管的高灵敏度葡萄糖检测，最后给出结论与未来展望。

基于 MoS₂ 纳米复合材料的电化学葡萄糖生物传感器

数十年来，金属或合金是葡萄糖直接电催化氧化的主要催化剂选择。过去十年，具有大比表面积和独特理化性质的二维材料为电化学传感、储能、电子学等领域开辟新机遇。在电化学生物传感方面，不同二维材料与催化剂的纳米复合材料显示出比传统催化剂明显优势，材料间的协同耦合（协同效应）可显著增强催化活性。大量此类纳米复合材料（尤其是基于石墨烯或其衍生物）已开发并应用于无酶葡萄糖传感器。层状 MoS₂ 具有类似优势，其纳米片拥有大量边缘，类似官能化石墨烯片，可作为催化反应活性位点。

Huang 等人通过水热法合成 MoS₂ 纳米花，修饰玻璜碳电极并结合壳聚糖/金纳米颗粒复合物，实现了双酚 A 氧化的显著过电位降低，展现了 Au/MoS₂ 纳米复合材料优异的电催化活性和协同效应。类似地，MoS₂ 基纳米复合材料也被用于无酶葡萄糖检测。利用十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 作为表面活性剂水热合成 MoS₂ 微花，通过控制反应溶液 pH、CTAB 浓度和退火温度调控形貌。500 °C 退火获得的 MoS₂ 微花结晶质量好，电荷转移改善。有趣的是，未经任何功能化的 MoS₂ 微花电极即表现出高灵敏度 570.71 μA mM⁻¹ cm⁻²，线性检测范围达 30 mM。

外来金属 (Cu、Ni、Co、Fe) 掺杂或杂化 MoS₂ 的协同效应同样适用于葡萄糖电催化氧化增强。Huang 等人结合铜对葡萄糖氧化的强电催化活性与 MoS₂ 纳米片的大比表面积和活性边缘位点，制备 Cu 纳米颗粒修饰 MoS₂ 纳米片，报告灵敏度 1055 μA mM⁻² cm⁻²，线性范围达 4 mM，灵敏度近乎 MoS₂ 微花电极的两倍，且对尿酸、抗坏血酸、多巴胺具有良好选择性。Ni 也是丰富金属，Ni³⁺/Ni²⁺ 氧化还原对在碱性介质中表现出色催化活性。Huang 等人以 MoS₂ 纳米片为载体固定 Ni 纳米颗粒，制备的 Ni/MoS₂ 混合电极显示更高的葡萄糖氧化电流，归因于 MoS₂ 纳米片提供更多活性位点及减少 Ni 纳米颗粒团聚。安培法结果显示线性范围达 4 mM，灵敏度 1824 μA mM⁻¹ cm⁻²，检测限 0.31 μM (S/N=3)，干扰物影响微乎其微，且表现出良好重现性和高稳定性 (环境储存 4 周响应仅下降 3.4%)。Anderson 等人引入胶体银纳米颗粒改善 MoS₂ 本征电导率差，报告灵敏度高达 9044.6 μA mM⁻¹ cm⁻²，检测限 0.03 μM，但线性范围仅至 1 mM。

将 MoS₂ 与石墨烯杂化可进一步提升电催化活性。MoS₂ 低本征电导率削弱其高催化活性，而石墨烯优异导电性可解决 MoS₂ 纳米材料中电子传输缓慢问题。Jeong 等人通过一锅法水热合成三维 (3D) MoS₂/石墨烯气凝胶纳米复合材料，虽观察到电催化活性增强，但使用葡萄糖氧化酶使制备复杂化并面临酶法传感器相同问题。Geng 等人采用简便可扩展方法合成 Ni 掺杂 MoS₂ 纳米颗粒装饰还原氧化石墨烯 (Ni-MoS₂/rGO)。该传感器表现出宽线性检测范围 0.005–8.2 mM，覆盖典型人血糖水平，灵敏度 256.6 μA mM⁻¹ cm⁻²，检测限 2.7 μM (S/N=3)，稳定性好 (干燥条件下 15 天电流响应几乎不变)，抗干扰能力强，且实测值与医院数值吻合良好，显示出实际应用潜力。

另一种改善 MoS₂ 纳米复合材料电荷转移的途径是与碳纳米管 (CNTs) 杂化，同时有效抑制 MoS₂ 纳米材料重叠堆叠，提供更多活性反应位点。Li 等人制备 Co₃O₄ 纳米颗粒和 CNTs 杂化的 3D MoS₂ 纳米片复合材料，致密堆积结构不仅提供大量催化活性边缘，还允许反应中高效电荷转移，且较大层间距 (0.65 nm) 有效抑制重叠堆叠。该传感器线性检测范围达 5.2 mM，灵敏度 131.69 μA mM⁻¹ cm⁻²，但检测限极低 (80 nM, S/N=3)。

双金属合金和纳米结构也显示出改进的催化性能。Li 等人合成 Au-Pd 双金属纳米颗粒用于无酶过氧化氢和葡萄糖传感，线性范围 0.5–20 mM 远超正常血糖水平。Ma 等人设计金纳米颗粒-吡咯聚合物 (PPY) 共修饰 MoS₂ 纳米复合材料，金属/导电聚合物杂化提高表面积和电导率，且导电聚合物可进一步降低成本。该传感器检测限极低 (0.08 nM)，选择性近乎无干扰，稳定性超 3 周，但灵敏度仅 37.35 μA·μM⁻¹·cm⁻²，检测范围有限 (0.1–80 nM)。

除金属外，高催化活性金属氧化物也被尝试用于改善电化学催化。Cu₂O 纳米材料因低成本和高电催化活性在多种应用中显示前景。Fang 等人研究 MoS₂ 装饰 Cu₂O 纳米颗粒用于无酶葡萄糖传感，线性范围 0.01–4 mM，检测限 ~1 μM，灵敏度高达 3108.87 μA mM⁻¹ cm⁻²，超越大多数 MoS₂ 基无酶葡萄糖传感器，显示金属氧化物在低成本无酶葡萄糖传感器中的潜力。表 1 对比了基于 MoS₂ 纳米复合材料的无酶葡萄糖生物传感器性能。

利用 MoS₂ 场效应晶体管实现高灵敏度葡萄糖检测

MoS₂ 场效应晶体管 (FET) 具有高开关电流比、低漏电流、小亚阈值摆幅、高迁移率等优势。得益于优异电子性能和机械稳健性，MoS₂ 晶体管在低能耗、低成本、可穿戴电子学方面前景广阔。基于 MoS₂ 晶体管的生物传感器、光探测器、气体传感器及其柔性器件近期相继报道。Shan 等人首次报道基于 MoS₂ FET 的葡萄糖检测。背栅 MoS₂ FET 制备在 SiO₂/Si 基底上，源/漏电极采用光刻和电子束光刻定制，蒸发沉积 Au/Ni (70 nm/10 nm) 接触。MoS₂ 通道材料 (~2 μm × 3 μm) 经机械剥离转移至预制电极上。测量显示源-漏电流随葡萄糖浓度增加而增大，归因于酶促葡萄糖氧化产生的电子转移到 n 型 MoS₂ 通道增强其电导率。实时 I_ds 测量显示传感器对葡萄糖具有高达 30 mM 的超大线性范围，低浓度下可检测 300 nM 葡萄糖，灵敏度计算为 260.75 mA mM⁻¹，稳定性达 45 天。但该器件需在测试溶液中加入 GOₓ 酶，并非完全无酶，限制了便携应用实用性。

结论与展望

本文综述了开发基于 MoS₂ 纳米复合材料无酶生物传感器的最新努力。这些工作均展示了简便低成本制备高性能葡萄糖传感器的途径，在灵敏度、线性检测范围和检测限方面表现优异，无疑为低成本灵敏葡萄糖传感器开辟新机遇。进展很大程度上依赖于二维材料、金属纳米材料和催化氧化物纳米颗粒新型纳米复合材料合成的近期进展。未来将有更多投入此方向，积累的经验对相关材料传感应用研究大有裨益。

但同时必须认识到，临床或实际应用仍需大量工作。器件稳定性和重现性有待提高，目前仅在有限储存时间或干燥条件下测试。化学合成方法虽简便低成本，但可扩展性尚不明确，喷墨打印等新技术可用于传感器可重复大规模制造。虽然 MoS₂ 电化学传感器性能与碳材料基对应物具有竞争力，但 MoS₂ 独特优势（如催化边缘位点）尚未充分发挥，在非酶葡萄糖传感方面仍有巨大改进空间。此外，基于 MoS₂ 纳米复合材料的柔性葡萄糖生物传感器开发对医疗健康柔性传感至关重要，将更具市场竞争力，必将成为未来研究热点。

最后，MoS₂ FET 传感器在葡萄糖检测中表现优异。鉴于 MoS₂ FET 近期发展，这一方向在开发低成本葡萄糖传感器及其他化学传感器方面极具前景。必须重申，目前报道的 MoS₂ FET 葡萄糖传感器仅对 GOₓ 掺杂葡萄糖溶液起作用。未来工作需寻找替代方案避免使用 GOₓ，以实现 MoS₂ FET 葡萄糖传感器更实际的部署。

缩略语

2D:

二维

3D:

三维

CNT:

碳纳米管

CTAB:

十六烷基三甲基溴化铵

FETs:

场效应晶体管

GOₓ:

葡萄糖氧化酶

MoS₂:

二硫化钼

Ni:

镍

SEM:

扫描电子显微镜

TEM:

透射电子显微镜

TMDs:

过渡金属二硫属化物