Enzymfreie Glukose-Biosensoren auf Basis von MoS2-Nanokompositen

Einführung

Die Glukosekonzentration im menschlichen Blut ist ein wichtiger Gesundheitsindikator. Gesunde Menschen haben beispielsweise typischerweise einen Blutzuckerspiegel von etwa 3,9–6,1 µM (1 mM =∼ 18 mg/dl) und Glukosekonzentrationen außerhalb dieses Bereichs können auf Nierenfunktionsstörungen, Diabetes usw. hinweisen [1]. Angetrieben durch die ständig steigende Nachfrage im Gesundheitswesen wurden viele Anstrengungen unternommen, um enzymatische Glukose-Biosensoren auf der Basis von Glukoseoxidase (GO_x ) seit dem Bericht über die Enzymelektrode von Updike und Hicks im Jahr 1967 [2]. Trotz der Einfachheit, Effizienz, hohen Sensitivität und Selektivität enzymatischer Glucose-Biosensoren können zwei große Herausforderungen, d. h. hohe Kosten und Instabilität, immer noch nicht zufriedenstellend angegangen werden. Dies liegt daran, dass enzymatische Glukosesensoren Enzyme wie GO_{x . verwenden} Glukose indirekt zu detektieren, was oft teure Katalysatoren und eine komplizierte Gerätekonstruktion erfordert und daher relativ hohe Kosten verursacht [3, 4]. Darüber hinaus sind Enzyme wie GO_x sind aufgrund ihrer intrinsischen thermischen und chemischen Instabilität anfällig für Temperatur, Feuchtigkeit, pH-Wert und unphysiologische Chemikalien [5, 6]. Die Immobilisierung von GO_x auf einer Elektrodenoberfläche erschwert oft die Herstellung enzymatischer Glukosesensoren mit guter Stabilität und Reproduzierbarkeit [7, 8].

Dank der Entwicklung des Internets der Dinge haben Sensoren mit geringen Kosten und hoher Zuverlässigkeit immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Bei der Suche nach Glukosesensoren, die diese Anforderungen erfüllen, haben enzymfreie elektrochemische Biosensoren aufgrund einer Reihe von Vorteilen, einschließlich Einfachheit, hoher Empfindlichkeit und Stabilität, an Popularität gewonnen [9,10,11,12]. Enzymfreie elektrochemische Biosensoren detektieren Glukose direkt über elektrokatalytische Oxidation, wodurch der Einsatz kostspieliger Enzyme vermieden und die Stabilität unter Umgebungsbedingungen verbessert wird. Von solchen Biosensoren wird erwartet, dass sie neue Möglichkeiten für den Einbau in tragbare Geräte und die Echtzeit-Glukoseerkennung eröffnen [13]. Der Schlüssel zur Realisierung praktischer enzymfreier Glukosesensoren sind kostengünstige, zuverlässige, biokompatible und reichlich vorhandene Katalysatoren. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden Nanokomposite, z. B. Komposite aus zweidimensionalen Materialien und Nanopartikeln, als Biosensor-Elektrodenmaterialien weit verbreitet [14]. Insbesondere die auf zweidimensionalen (2D) Materialien basierende Bioelektronik wird aufgrund vieler einzigartiger physikalischer und chemischer Eigenschaften von 2D-Materialien, einschließlich großer spezifischer Oberflächen, hervorragender Leitfähigkeit und einfacher Synthese, zu einem aufregenden neuen interdisziplinären Gebiet. Die große spezifische Oberfläche von 2D-Materialien ermöglicht beispielsweise eine einfache Oberflächenfunktionalisierung durch Hybridisierung. Die hohe Leitfähigkeit ermöglicht eine effiziente Ladungsübertragung und -sammlung in 2D-Materialien. Unter verschiedenen 2D-Materialien sind Graphen und seine Derivate zweifellos das am besten untersuchte Material in Biosensoren [15]. Eine andere Art von 2D-Materialien, die in der Elektronik und Optoelektronik weithin erforscht wurde, zeigt ebenfalls Vorzüge als bioelektronische Materialien. Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs), insbesondere Molybdändisulfid (MoS₂ .) ), besitzen ähnliche Vorteile einer großen spezifischen Oberfläche, chemischer Inertheit und Oberflächenfunktionalität. Die Einlagerung von Fremdionen oder -molekülen in TMD-Nanoblätter kann aufgrund ihrer einzigartigen Atomstruktur leicht erreicht werden [16]. Eine wichtige Eigenschaft, die MoS₂ . ausmacht heben sich von anderen 2D-Materialien durch seine hohe katalytische Aktivität durch freiliegende Kanten ab [13]. Der Nachteil von MoS₂ ist auch ganz offensichtlich. Im Vergleich zu Graphen, 2D MoS₂ Platten haben eine viel geringere elektrische Leitfähigkeit. Umstapeln von MoS₂ Nanoblätter schränken den Ladungstransfer sowie die aktiven Reaktionszentren weiter ein.

Bei enzymfreien Glukosesensoren auf Basis von 2D-MoS₂ . wurden geringfügige Anstrengungen unternommen bis in die letzten Jahre. Die schlechte Leistung von MoS₂ -basierten elektrochemischen Geräten wurde gut mit einer Reihe von Methoden umgegangen, die erfolgreich die niedrige intrinsische Leitfähigkeit lösen. Ein paar MoS₂ -basierte elektrochemische Glukose-Biosensoren wurden mit einer Leistung berichtet, die ihre Graphen-Gegenstücke übertrifft [17]. Neben elektrochemischen Biosensoren wurden kürzlich auch kostengünstige nicht-elektrochemische Methoden für 2D-MoS₂ . untersucht , indem Sie den Fortschritt von MoS₂ . nutzen hergestellt in der Elektronik und Optoelektronik [18]. In diesem Review fassen wir die jüngsten Fortschritte bei MoS₂ . zusammen -basierte Glukose-Biosensoren. Besondere Aufmerksamkeit wird MoS₂ . gewidmet -basierte elektrochemische Glucose-Biosensoren, die in „Electrochemical Glucose Biosensor-Based MoS₂ . beschrieben sind Abschnitt „Nanokomposite“. In der „Hochempfindlichen Glukoseerkennung mit MoS₂ Feldeffekttransistoren“, Abschnitt MoS₂ Feldeffekttransistoren zum Glucosenachweis von Glucose werden kurz vorgestellt. Abschließend das Fazit und die Zukunftsperspektiven von MoS₂ Nanokomposit-Glucose-Biosensoren werden vorgestellt.

Elektrochemischer Glucose-Biosensor-basierter MoS₂ Nanokomposite

Seit einigen Jahrzehnten sind Metalle oder Legierungen die wichtigsten Katalysatoroptionen für die direkte elektrokatalytische Oxidation von Glucose [19]. Im letzten Jahrzehnt eröffnen zweidimensionale Materialien mit großer Oberfläche sowie einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften neue Möglichkeiten für viele Bereiche, einschließlich elektrochemischer Sensorik, Energiespeicherung und Elektronik [20]. In der elektrochemischen Biosensorik zeigen Nanokomposite aus unterschiedlichen 2D-Materialien und Katalysatoren deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Katalysatoren. Die synergistische Kopplung zwischen diesen Materialien, nämlich synergistische Effekte, können zu einer deutlichen Steigerung der katalytischen Aktivität führen [21]. Eine ganze Reihe solcher Nanokomposite, insbesondere solche auf Basis von Graphen oder Graphenderivaten, wurden entwickelt und auf enzymfreie Glukosesensoren angewendet. Mehrschichtiges MoS₂ Es wird erwartet, dass es ähnliche Vorteile besitzt, da es die Materialeigenschaften von Graphen teilt. Insbesondere Schicht MoS₂ Nanoblätter besitzen eine Vielzahl von Kanten, die ähnlich wie funktionalisierte Graphenblätter als aktive Zentren für katalytische Reaktionen fungieren [22, 23].

Tatsächlich haben Huang et al. synthetisiertes MoS₂ Nanoblumen durch eine hydrothermale Methode [24]. Eine mit MoS₂ . modifizierte Glaskohlenstoffelektrode Nanoblumen und Chitosan/Au-Nanopartikel-Komposite zeigten eine deutliche Reduktion des Überpotentials für die Bisphenol-A-Oxidation. Der Nanokompositsensor zeigte eine effiziente elektrokatalytische Oxidation von Bisphenol A, was durch den deutlich erhöhten Strom in den zyklischen Voltammogrammen belegt wurde. Für die Bisphenol-A-Erfassung wird ein guter linearer Detektionsbereich von 0,05 bis 100 μM erhalten. Auch wird eine Nachweisgrenze von 5 nM geschätzt. Diese Arbeit zeigte deutlich die ausgezeichnete elektrokatalytische Aktivität und die synergistischen Effekte von Au/MoS₂ Nanokomposite. Ähnlich ist MoS₂ -basierte Nanokomposite wurden für den enzymfreien Glukosenachweis verwendet. MoS₂ Blüten mit großer Oberfläche wurden hydrothermal unter Verwendung von Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB) als Tensid synthetisiert [25]. Die Morphologie der Mikroblumen kann durch den pH-Wert der Reaktionslösung, die Konzentration des CTAB-Tensids und die Tempertemperatur gesteuert werden. Das MoS₂ Mikroblumen, die bei einer Glühtemperatur von 500 °C erhalten wurden, zeigten eine gute Kristallqualität und damit einen verbesserten Ladungstransfer. Interessanterweise zeigten elektrochemische enzymfreie Glukosesensortests, dass das MoS₂ Mikroblumenelektrode ohne Funktionalisierung kann eine hohe Empfindlichkeit von 570,71 μA mM ⁻¹ . bieten cm ⁻² . Darüber hinaus weist der Sensor einen weiten linearen Erfassungsbereich von bis zu 30 mM auf.

Die synergistischen Effekte von MoS₂ Katalysatoren, die mit Fremdmetallen wie Cu, Ni, Co und Fe dotiert oder hybridisiert sind, gelten auch für die verbesserte elektrochemische Katalyse von Glucose. Huanget al. gelang es, die Vorteile sowohl der starken elektrokatalytischen Aktivität von Kupfer für die Glucoseoxidation als auch der großen Oberfläche und aktiven Kantenzentren von MoS₂ . zu kombinieren Nanoblätter [26]. Die Cu-Nanopartikel dekorierten MoS₂ Nanoblätter zeigten elektrokatalytische Aktivität bei der Glucoseoxidation. Eine hohe Empfindlichkeit von 1055 μA mM ⁻² cm ⁻² und ein linearer Detektionsbereich von bis zu 4 mM wurden für Cu/MoS₂ . berichtet Nanokomposit-Glukosesensor. Die Empfindlichkeit hat sich gegenüber dem vom MoS₂ . gemessenen Wert fast verdoppelt Mikroblumenelektrode. Der Sensor zeigte auch eine gute Selektivität beim Nachweis von Glukose gegenüber Harnsäure, Ascorbinsäure und Dopamin. Der durch diese Chemikalien verursachte Störstrom beträgt nur etwa 2,1 bis 5,2 % des von Glukose, und ein so niedriger Störstrom kann bei physiologischer Konzentration als vernachlässigbar angesehen werden.

Ein weiterer attraktiver Kandidat ist Nickel (Ni), das ausgiebig für Ni/Graphen-Hybride untersucht wurde. Ähnlich wie Cu ist auch Ni ein auf der Erde häufig vorkommendes Metall. Das Redoxpaar von Ni ³⁺ /Ni ²⁺ bietet eine beeindruckende katalytische Aktivität in alkalischen Medien. Daher haben Huang et al. verwendetes MoS₂ Nanoblatt als Katalysatorträger zur Immobilisierung von Ni-Nanopartikeln [27]. MoS₂ Nanoblatt wurde aus MoS₂ . synthetisiert Pulver in Ethanol/Wasser-Lösungsmittelgemisch durch Flüssigpeeling. Ni-Nanopartikel wurden auf MoS₂ . reduziert Nanoblatt durch Erhitzen eines MoS₂ Nanoblatt-Ethylenglykol-Lösung bei 60 °C für 1 h nach Zugabe von NiCl₂ ·6H₂ O-Vorstufe und N₂ H₄ ·H₂ O- und NaOH-Lösungen. Eine Glukosesensorelektrode wurde durch Abscheiden von Ni-MoS₂ . hergestellt Hybrid auf einer Glaskohlenstoffelektrode. Zyklisches Voltammogramm des Ni/MoS₂ Hybrid-modifizierte Elektrode zeigte deutlich Glucoseoxidation mit einem höheren Strom als eine Ni-modifizierte Referenzelektrode. Die verbesserte elektrokatalytische Aktivität wurde den aktiveren Zentren auf MoS₂ . zugeschrieben Nanoblätter sowie reduzierte Ni-Nanopartikel-Aggregation auf einem 2D-Materialträger. Die amperometrischen Ergebnisse bestätigten einen guten linearen Erfassungsbereich bis 4 mM, eine hohe Empfindlichkeit von 1824 μA mM ⁻¹ cm ⁻² , und eine niedrige Nachweisgrenze von 0.31 μM bei einem Signal/Rausch-Verhältnis von 3 (S/N =3). Verglichen mit Cu/MoS₂ Nanokomposit-Glukosesensor, die Empfindlichkeit wird durch die Verwendung von Ni/MoS₂ . weiter verbessert Nanokomposite. Der Einfluss der störenden Spezies, einschließlich Dopamin, Ascorbinsäure und Harnsäure, auf die Glukosemessung wurde ebenfalls als marginal festgestellt. Noch wichtiger war, dass der Sensor eine gute Reproduzierbarkeit und eine hohe Stabilität aufwies. Nach 4-wöchiger Lagerung in der Umgebung wurde eine vernachlässigbare Verringerung der Reaktion des Sensors um 3,4% gemessen. Außerdem haben Anderson et al. berichteten über einen hochempfindlichen nicht-enzymatischen Glukose-Biosensor durch den Einbau kolloidaler Silber-Nanopartikel mit MoS₂ [28]. Die Einführung von Ag-Nanopartikeln sollte die intrinsische schlechte Leitfähigkeit von MoS₂ . ansprechen . Eine ausgezeichnete Empfindlichkeit von 9044,6 μA mM ⁻¹ cm ⁻² und eine niedrige Nachweisgrenze von 0,03 µM wurden berichtet. Der lineare Erfassungsbereich beträgt jedoch nur bis zu 1 mM.

Die elektrokatalytischen Aktivitäten von MoS₂ durch Hybridisierung mit Graphen weiter verbessert werden. Die geringe Eigenleitfähigkeit von MoS₂ untergräbt seine hohe katalytische Aktivität. Die Ladungsübertragungen zwischen MoS₂ Nanomaterialien sind bei elektrochemischen Reaktionen oder allgemeinen elektronischen Anwendungen langsam. Andererseits hat Graphen eine überlegene elektrische Leitfähigkeit und kann als sofortige Lösung zur Verlangsamung des Elektronentransports in MoS₂ . dienen Nanomaterialien [29]. Jeonget al. hergestelltes dreidimensionales (3D) MoS₂ /Graphen-Aerogel-Nanokomposite durch eine hydrothermale Eintopfmethode [13]. Obwohl durch die Verwendung der porösen 3D-Struktur im Vergleich zur 2D-Referenzprobe verbesserte elektrokatalytische Aktivitäten beobachtet wurden, erschwerte die Verwendung von Glucoseoxidase die Herstellung und stellte sich den gleichen Problemen wie bei enzymatischen Sensoren. Geng et al. synthetisiertes Ni-dotiertes MoS₂ Nanopartikel dekoriert auf reduziertem Graphenoxid (Ni-MoS₂ /rGO) durch eine einfache und skalierbare Methode [30]. Wie in Abb. 1a gezeigt, wurde nach der Hummers- und Offeman-Methode synthetisiertes Graphenoxid mit CH₃ . gemischt COOH und entionisiertes Wasser. Die Ni-Mo-Vorläuferlösung wurde durch Zugabe von (NH₄ )₂ MoS₄ und Ni(CH₃ COO)₂ ·4H₂ O mit unterschiedlichen Molverhältnissen in die Graphenoxidlösung. Das Ni-MoS₂ /rGO-Suspension wurde nach Zentrifugation und Trocknen bei 80 °C erhalten. Das gesammelte Ni-MoS₂ /rGO-Suspension wurde dann für 4 h bei 600 °C in N₂ . kalziniert Atmosphäre. Das erhaltene Ni-MoS₂ /rGO-Nanokomposite wurden für die nicht-enzymatische Glukosemessung verwendet. Abbildung 1b zeigt das amperometrische Verhalten einer durch Ni-MoS₂ . modifizierten Sensorelektrode /rGO-Nanokomposite zur sukzessiven Zugabe von Glucoselösung. Nach jeder Glucosezugabe wurde ein deutlicher Stromanstieg beobachtet. Außerdem zeigt der Einschub in Abb. 1b, dass der Sensor in der Lage war, auf eine Glukosekonzentration von nur 5 µM zu reagieren. Das genaue Stromsignal als Funktion der Glukosekonzentration ist in Abb. 1c aufgetragen, die deutlich einen breiten linearen Erfassungsbereich des Sensors von 0,005–8,2 µM zeigt, der den typischen menschlichen Blutzuckerspiegel gut abdeckt. Die berechnete Empfindlichkeit und Nachweisgrenze beträgt 256,6 μA mM ⁻¹ cm ⁻² bzw. 2,7 μM (S/N =3). Obwohl die Empfindlichkeit und Nachweisgrenze des Sensors deutlich niedriger ist als bei den früheren, ist der lineare Nachweisbereich deutlich verbessert. Die Arbeit berichtete außerdem über verbesserte Elektronentransportraten und elektrokatalytische Aktivität mit einem Diffusionskoeffizienten von 1,83 × 10 ⁻³ cm ² s ⁻¹ und katalytische Geschwindigkeitskonstanten von 6,26 × 10 ⁵ cm ³ mol ⁻¹ s ⁻¹ unter Verwendung des Ni-MoS₂ /rGO-Verbundstoffe. Wie in Fig. 1d gezeigt, bleibt, wenn der Sensor unter trockenen Bedingungen gelagert wurde, seine aktuelle Reaktion auf 1 mM Glucose 15 Tage lang nahezu unverändert, was eine gute Stabilität zeigt. Der Einfluss üblicher Interferenzchemikalien, NaCl, Dopamin, Harnsäure, Ascorbinsäure und V_B , wurde ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse sind in Abb. 1e dargestellt, und der Einfluss dieser Chemikalien auf den Signalstrom ist marginal. Die Stromänderung verursacht durch 0,1 mM NaCl, Dopamin, Harnsäure, Ascorbinsäure und V_B , eine typische Konzentration der Interferenzchemikalien in normalem Serum, beträgt nur 0,76 %, 2,77 %, 6,03 %, 0 %, 2,51 % und 0,63 % der aktuellen Reaktion auf 2,5 µM Glukose. Schließlich zeigte die Arbeit eine gute Übereinstimmung zwischen der gemessenen Konzentration des Ni-MoS₂ /rGO-Sensor und die berichteten Krankenhauswerte, die ein großes Potenzial der Sensoren für praktische Anwendungen zeigen [30].

a Schema der Synthese von Ni-MoS₂ /rGO-Verbundstoffe. b Amperometrisches Ansprechverhalten eines Ni-MoS₂ /rGO-Sensor zur sukzessiven Zugabe von Glukose. c Der extrahierte Reaktionsstrom auf verschiedene Glukosekonzentrationen. d Stabilitätstest des Sensors durch amperometrische Messung für 15 Tage. e Vergleich der amperometrischen Reaktionen von 2,5 µM Glucose und 0,1 µM Interferenzchemikalien. Nachdruck von [25], Copyright 2017, mit Genehmigung von Elsevier

Ein alternativer Weg, um den Ladungstransfer in MoS₂ . zu verbessern nanocomposites soll mit einem anderen hochleitfähigen und biokompatiblen Kohlenstoffmaterial, Carbon Nanotubes (CNTs), hybridisieren. In der Zwischenzeit kann auf diese Weise das erneute Stapeln von MoS₂ . gut eingeschränkt werden Nanomaterialien, wodurch aktivere Reaktionszentren bereitgestellt werden. CNTs wurden auch häufig in 3D-Strukturen synthetisiert und in der Energiespeicherung, Energiegewinnung, Sensorik usw. eingesetzt [31,32,33]. Liet al. stellten ein 3D-Nanokomposit aus MoS₂ . her Nanoblätter hybridisierten mit Kobaltoxid-Nanopartikeln und CNTs [34]. Die Kobaltoxid-Nanopartikel wurden verwendet, um die elektrokatalytischen Aktivitäten zu verbessern, und die CNTs, um die Leitfähigkeit zu verbessern. Hydrothermales Eintopfverfahren zur Synthese von Co-MoS₂ /CNT-Nanokomposite ist in Abb. 2a kurz dargestellt. Eine Mischung von CNTs, 0.1 mmol Co(CH₃ COO)₂ 4H₂ O, 1,35 mmol Na₂ MoO₄ , und 7,5 µmol µl-Cystein wurde in einen mit Teflon ausgekleideten rostfreien Autoklaven überführt und 24 Stunden bei 180 °C gehalten. Das Produkt wurde dann abgekühlt, zentrifugiert und mit entionisiertem Wasser und absolutem Ethanol gespült. Das gereinigte Co-MoS₂ /CNT-Nanokomposite wurden schließlich in einem Vakuumofen bei 60 °C für 6 Stunden getrocknet. Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Bilder des Co-MoS₂ /CNT-Nanokomposite sind in Abb. 2b, c gezeigt. Es wurden typische 3D-gebündelte CNTs mit Durchmessern um 20 nm beobachtet. Das TEM-Bild zeigt deutlich die hohlen CNTs, die an MoS₂ . befestigt sind Nanoblätter. Eine solche Struktur dient als hochleitfähige Matrix zur Unterstützung von MoS₂ Nanoblätter und immobilisieren Co-Nanopartikel. So dicht gepacktes Co-MoS₂ /CNT-Nanokomposite bieten nicht nur eine gute Menge an katalytisch aktiven Kanten, sondern ermöglichen auch einen effizienten Ladungstransfer während der Reaktion. Noch wichtiger ist das dicht gepackte Co-MoS₂ /CNT-Struktur und der relativ große Zwischenschichtabstand von 0,65 nm für MoS₂ (größer als 0,34 nm für CNTs) unterdrücken effektiv das erneute Stapeln von MoS₂ /CNT-Verbund. Um die Leistungsfähigkeit des enzymfreien Sensors aus Co-MoS₂ . zu untersuchen, wurden typische zyklische Voltammetrie und amperometrische Messungen durchgeführt /CNT-Nanokomposite. Die amperometrischen Antworten von Co-MoS₂ Die gemessene /CNT-Sensorelektrode (bei 0,65 V vs. Ag/AgCl) mit sukzessiver Zugabe von Glucose ist in Fig. 2d gezeigt. Es wurde ein deutlicher stufenweiser Anstieg des Ansprechstroms auf die Glucosezugabe beobachtet. Es wurde ein guter linearer Erfassungsbereich bis 5,2 µM erreicht, wie in den Abb. 1 und 2 gezeigt. 2e. Die berechnete Empfindlichkeit beträgt 131,69 μA mM ⁻¹ cm ⁻² . Trotz der relativ geringen Sensitivität ergibt sich aus Abb. 2f eine extrem niedrige Nachweisgrenze von 80 nM (S/N =3).

a Schematische Darstellung der hydrothermalen Anordnung von Co-MoS2/CNTs. b SEM und c TEM-Bilder der synthetisierten Co-MoS2/CNTs. d Amperometrische Antworten des Co-MoS₂ /CNT-Sensor zur sukzessiven Zugabe von Glukose. e Der extrahierte Reaktionsstrom auf verschiedene Glukosekonzentrationen. f Amperometrische Kurve des Co-MoS₂ /CNT-Sensor auf 80 nM Glukose. Nachdruck von [29], Copyright 2019, mit Genehmigung von Elsevier

Ähnlich den synergistischen Effekten von Metall-2D-Materialhybriden zeigten auch bimetallische Legierungen und Nanostrukturen eine verbesserte katalytische Leistung und ein gutes Potenzial für viele Anwendungen, einschließlich Sensorik [35], Energiegewinnung [36, 37] usw. Li et al . synthetisierten vor kurzem bimetallische Au-Pd-Nanopartikel für die nicht-enzymatische Wasserstoffperoxid- und Glucosesensorik [5]. Die Herstellung von Au-Pd/MoS₂ Sensorelektrode ist in Fig. 3a dargestellt. Das MoS₂ Nanoblätter wurden durch Flüssigexfoliation hergestellt. Bimetallische Au-Pd-Nanopartikel wurden durch chemische Reduktion synthetisiert. Das präparierte Au-Pd/MoS₂ Nanokomposite wurden dann auf einer glasartigen Kohlenstoffelektrode für die chemische Sensorik abgeschieden. Wie in Fig. 3b gezeigt, wurden bei einer sukzessiven Zugabe von Glucose gute Stromstufen beobachtet. Der mit 0,5–20 mM gemessene lineare Nachweisbereich liegt weit über dem normalen menschlichen Blutzuckerspiegel (Abb. 3c). Anstatt herkömmliche bimetallische Nanopartikel zu verwenden, die oft aus teuren Metallen bestehen, haben Ma et al. entwarf ein mit Gold-Nanopartikel-Polypyrrol (PPY) kodekoriertes MoS₂ Nanokomposit [38]. Von den Metall/leitfähigen Polymer-Hybriden wird auch erwartet, dass sie die Oberfläche und die Leitfähigkeit einer Sensorelektrode verbessern. Darüber hinaus kann die Verwendung von leitfähigen Polymeren die Kosten elektrochemischer Sensoren weiter senken. Das hergestellte MoS₂ -PPY-Au/Glaskohlenstoff-Elektrode zeigte eine unglaublich niedrige Detektion von 0,08 nM, eine nahezu störungsfreie Selektivität und eine lange Stabilität über 3 Wochen. Die Sensorempfindlichkeit beträgt jedoch nur 37,35 μA·μM ^–1 ·cm ^–2 und der Erfassungsbereich ist ziemlich begrenzt (0,1–80 nM).

a Illustration der Synthese von Au-Pd/MoS₂ Nanokomposite und Aufbau auf einer Glaskohlenstoffelektrode zur nicht-enzymatischen elektrochemischen Messung von H₂ O₂ und Glukose. b Amperometrische Reaktionen von Au-Pd/MoS₂ Nanokompositsensor zur sukzessiven Zugabe von Glucose. c Der extrahierte Reaktionsstrom auf verschiedene Glukosekonzentrationen. Nachdruck von [5], Copyright 2017, mit Genehmigung von Elsevier

Außer Metallen wurden auch Metalloxide mit hoher katalytischer Aktivität für eine verbesserte elektrochemische Katalyse versucht. Neben den hohen elektrokatalytischen Aktivitäten sind die geringen Kosten von Metalloxiden ein weiterer Vorteil, der für kostengünstige elektrochemische Sensoren nicht überbewertet werden kann. Unter verschiedenen Metalloxiden ist Cu₂ O-Nanomaterialien mit unterschiedlichen Morphologien sind vielversprechend für die Katalyse in verschiedenen Anwendungen. Fanget al. wurden untersucht MoS₂ verziert mit Cu₂ O-Nanopartikel für die nicht-enzymatische Glucosemessung [39]. Die amperometrischen Messungen des Cu₂ O/MoS₂ Hybrid-modifizierte Elektroden zeigen einen guten linearen Bereich von 0,01 bis 4 µmM. Die extrahierte Nachweisgrenze liegt bei etwa 1 μM. Die Sensitivität wurde mit 3108,87 μA mM ⁻¹ . berechnet cm ⁻² , was höher ist als bei den meisten MoS₂ -basierte Nicht-Enzym-Glukosesensoren. Die Ergebnisse weisen auch auf ein gutes Potenzial von Metalloxiden für kostengünstige Nicht-Enzym-Glukosesensoren hin. Der Vergleich der enzymfreien Glucose-Biosensoren auf Basis von MoS₂ Nanokomposite sind in Tabelle 1 dargestellt.

Hochempfindliche Blutzuckermessung mit MoS₂ Feldeffekttransistoren

MoS₂ Feldeffekttransistoren (FETs) besitzen eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. ein hohes Schaltstromverhältnis, einen geringen Leckstrom, einen kleinen Hub unterhalb der Schwelle und eine hohe Mobilität [41, 42]. Dank seiner hervorragenden elektronischen Eigenschaften und mechanischen Robustheit ist MoS₂ Transistoren sind vielversprechend für niedrige Energie, niedrige Kosten und tragbare Elektronik [43, 44]. Biosensoren, Photodetektoren, Gassensoren und ihre flexiblen Gegenstücke auf Basis von MoS₂ Transistoren wurden kürzlich beschrieben [45]. Die Vorteile von MoS₂ Transistoren machen diese Sensoren hochempfindlich, stromsparend, tragbar usw. MoS₂ FETs wurden als verschiedene Sensoren für Feuchtigkeit, H₂ ., beschrieben O₂ , NEIN, NEIN₂ , NH₃ , DNA usw. [46,47,48,49]. Shanet al. berichtete über das erste MoS₂ -basierter Feldeffekttransistor zur Glukoseerkennung [40]. Wie in Fig. 4a gezeigt, ist ein Back-Gate-MoS₂ FET wurde auf einem SiO₂ . hergestellt /Si-Substrat. Source- und Drain-Elektroden wurden durch Photolithographie und Elektronenstrahllithographie strukturiert. Au/Ni-Kontakte (70 nm/10 nm) wurden durch Aufdampfen abgeschieden. Es ist zu beachten, dass die MoS₂ Kanalmaterial von etwa 2 µm × 3 µm wurde mechanisch abgeblättert und auf die vorstrukturierten Elektroden übertragen, wie in Abb. 4b dargestellt. Der hergestellte Transistor wurde in eine Probezelle gelegt und getestet.

a Schema des Back-Gated MoS₂ Transistor. b Optisches Mikroskopiebild des MoS₂ Kanalmaterial zwischen den Source- und Drain-Elektroden. c Die aktuellen Reaktionen in Echtzeit auf verschiedene Glukosekonzentrationen. d Der Ansprechstrom I _ds des MoS₂ FET als Funktion der Glucosekonzentrationen von 0 bis 30 µM. Der Einschub zeigt den Reaktionsstrom, der für niedrigere Glukosekonzentrationen von 0 bis 1,0 µM extrahiert wurde. Nachgedruckt unter CC BY-NC 3.0 von [44]

Das gemessene Ich _ds –V _ds Kurven mit unterschiedlichen Konzentrationen von Glucoselösungen zeigten deutlich eine Zunahme des Source-Drain-Stroms mit Zunahme der Glucosekonzentration. Es ist zu beachten, dass GO_x Enzym wurde der Glucosekonzentration zugesetzt. Daher ist die Erfassung nicht vollständig enzymfrei. Der verstärkte Kanalstrom bei steigender Glucosekonzentration wurde der enzymatischen Glucoseoxidation zugeschrieben. Die bei der Reaktion erzeugten Elektronen wurden auf das n-Typ-MoS₂ . übertragen Kanal und erhöht damit seine Leitfähigkeit. Um die Sensorreaktion auf Glukose zu veranschaulichen, wird das Echtzeit-I _ds die Messung erfolgte unter sukzessiver Zugabe unterschiedlicher Glucosekonzentrationen, wie in Abb. 4c dargestellt. Die Messungen begannen mit einer reinen PBS-Lösung und einer höher konzentrierten Lösung mit 1 µM mehr Glucose, die jede Minute der vorherigen zugesetzt wurde. Die Source-Drain-Stromantwort auf verschiedene Glucosekonzentrationen ist in 4d aufgetragen. Das MoS₂ . ist eindeutig Der FET-Sensor zeigt einen sehr großen linearen Bereich für die Glukoseerkennung, bis zu 30 µM. Die Tests wurden für eine niedrige Konzentration von Glucoselösungen wiederholt, um die Nachweisgrenze und die Empfindlichkeit des MoS₂ . zu überprüfen FET-Sensor. Wie im Einschub von Fig. 4d gezeigt, kann der Sensor das Vorhandensein von Glucose mit einer Konzentration von nur 300 &mgr;nM klar erkennen. Die Empfindlichkeit des MoS₂ Der FET-Glucose-Biosensor wird mit 260,75 mA mM ⁻¹ . berechnet . Neben einer hohen Sensitivität und niedrigen Nachweisgrenzen zeigte das Gerät auch eine hohe Stabilität von bis zu 45 Tagen. Das aktuelle Gerät muss jedoch GO_{x . hinzufügen} Enzym in der zu testenden Glukoselösung, was es für tragbare Anwendungen weniger praktisch macht.

Schlussfolgerung und Perspektiven

Dieser Mini-Review präsentiert die jüngsten Bemühungen um die Entwicklung von enzymfreiem MoS₂ . auf Biosensorbasis Nanokomposite. Diese Veröffentlichungen präsentierten alle einfache und kostengünstige Mittel zu Hochleistungs-Glukosesensoren in Bezug auf Empfindlichkeit, linearen Nachweisbereich und Nachweisgrenze. Diese Studien eröffnen zweifellos neue Möglichkeiten für kostengünstige und empfindliche Glukosesensoren. Die Fortschritte hängen weitgehend von den jüngsten Fortschritten bei der Synthese neuartiger Nanokomposite aus 2D-Materialien, metallischen Nanomaterialien und katalytischen Oxid-Nanopartikeln ab. Es ist zu erwarten, dass weitere Anstrengungen in diese Richtung unternommen werden, und die gesammelten Erfahrungen sind für zukünftige Studien zu verwandten Materialien für Sensoranwendungen von großem Nutzen.

Gleichzeitig sollte man sich jedoch bewusst sein, dass für klinische oder andere praktische Anwendungen noch viele Anstrengungen erforderlich sind. Die Stabilität und Reproduzierbarkeit dieser Geräte muss noch verbessert werden. Bisher wurden entweder begrenzte Lagerzeiten oder trockene Bedingungen verwendet. Zweitens sind die chemischen Synthesemethoden einfach und kostengünstig, aber ob die Methoden skalierbar sind, bleibt unklar. Neue Techniken, wie beispielsweise Tintenstrahldruck, können für die wiederholbare Fertigung von Sensoren in großem Maßstab verwendet werden. Obwohl MoS₂ -basierte elektrochemische Sensoren zeigen eine wettbewerbsfähige Leistung im Vergleich zu den auf Kohlenstoffmaterial basierenden Gegenstücken, die Vorteile, z. B. katalytische Randzentren von MoS₂ , sind nicht wesentlich. Es gibt eindeutig viel Raum, um die einzigartigen Eigenschaften von MoS₂ . wirklich zu nutzen für weitere Verbesserungen bei der nicht-enzymatischen Glukosemessung. Darüber hinaus wurde die Entwicklung von MoS₂ . auf Basis von flexiblen Glucose-Biosensoren Nanokomposite sind wichtig für die flexible Sensorik im Gesundheitswesen und sollten auf dem Markt wettbewerbsfähiger sein, der in Zukunft sicherlich zu einem Forschungs-Hotspot werden wird.

Schließlich MoS₂ FET-basierte Sensoren zeigen eine hervorragende Leistung bei der Glukosemessung. Angesichts der jüngsten Entwicklung von MoS₂ FETs scheint diese Richtung für die Entwicklung kostengünstiger Glukosesensoren und anderer Arten chemischer Sensoren sehr vielversprechend. Es sollte betont werden, dass die aktuelle Arbeit über MoS₂ . berichtet FET-Glukosesensoren funktionierten nur bei GO_x -dotierte Glucoselösung. Zukünftige Arbeiten müssen Alternativen finden, um die Verwendung von GO_{x . zu vermeiden} für einen praktischeren Einsatz von MoS₂ FET-Glukosesensoren.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht zutreffend.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

3D:

Dreidimensional

CNT:

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

CTAB:

Cetyltrimethylammoniumbromid

FETs:

Feldeffekttransistoren

GOx :

Glukoseoxidase

Initialen:

Vollständiger Name

MoS₂ :

Molybdändisulfid

Ni:

Nickel

SEM:

Rasterelektronenmikroskopie

TEM:

Transmissionselektronenmikroskopie

TMDs:

Übergangsmetalldichalkogenide