Enzymvrije glucosebiosensoren op basis van MoS2-nanocomposieten

Abstract

Hoogwaardige glucosebiosensoren zijn zeer gewenst voor de gezondheidszorg. Om aan deze eisen te voldoen, hebben glucosebiosensoren, met name enzymvrije glucosebiosensoren, veel aandacht gekregen. Tweedimensionale materialen, bijvoorbeeld grafeen, met een groot oppervlak, uitstekende elektrische eigenschappen en goede biocompatibiliteit, waren de belangrijkste focus van biosensoronderzoek in het afgelopen decennium. Deze review presenteert de recente vooruitgang die is geboekt in enzymvrije glucosebiosensoren op basis van MoS₂ nanocomposieten. Er worden twee verschillende technieken voor glucosedetectie geïntroduceerd, met de nadruk op elektrochemische glucosebiosensoren. Uitdagingen en toekomstperspectieven van MoS₂ nanocomposiet glucose biosensoren worden ook besproken.

Inleiding

De glucoseconcentratie in het menselijk bloed is een belangrijke gezondheidsindicator. Gezonde mensen hebben bijvoorbeeld doorgaans een bloedglucosewaarde van rond de 3,9–6,1 mM (1 mM =∼ 18 mg/dL), en glucoseconcentraties buiten dit bereik kunnen wijzen op nierdisfunctie, diabetes, enz. [1]. Gedreven door de steeds toenemende vraag naar gezondheidszorg, zijn er veel inspanningen gedaan voor enzymatische glucose-biosensoren op basis van glucose-oxidase (GO_x ) sinds het rapport van de enzymelektrode door Updike en Hicks in 1967 [2]. Ondanks de eenvoud, efficiëntie, hoge gevoeligheid en selectiviteit van enzymatische glucose-biosensoren, kunnen twee grote uitdagingen, d.w.z. hoge kosten en instabiliteit, nog steeds niet naar tevredenheid worden aangepakt. Dit komt omdat enzymatische glucosesensoren enzymen gebruiken, zoals GO_x om glucose indirect te detecteren, wat vaak gepaard gaat met dure katalysatoren en gecompliceerde apparaatconstructie, en dus relatief hoge kosten [3, 4]. Bovendien kunnen enzymen zoals GO_x zijn kwetsbaar voor temperatuur, vochtigheid, pH en niet-fysiologische chemicaliën vanwege hun intrinsieke thermische en chemische instabiliteit [5, 6]. De immobilisatie van GO_x op een elektrode-oppervlak voegt vaak nog een extra moeilijkheidsgraad toe bij het fabriceren van enzymatische glucosesensoren met een goede stabiliteit en reproduceerbaarheid [7, 8].

Dankzij de ontwikkeling van het Internet of Things krijgen sensoren met een lage kostprijs en een hoge betrouwbaarheid steeds meer aandacht. Bij het zoeken naar glucosesensoren die aan deze eisen voldoen, zijn enzymvrije elektrochemische biosensoren populair geworden vanwege een aantal voordelen, waaronder eenvoud, hoge gevoeligheid en stabiliteit [9,10,11,12]. Enzymvrije elektrochemische biosensoren detecteren direct glucose via elektrokatalytische oxidatie, waardoor het gebruik van kostbaar enzym wordt vermeden en de stabiliteit in omgevingsomstandigheden wordt verbeterd. Dergelijke biosensoren zullen naar verwachting nieuwe mogelijkheden bieden voor integratie met draagbare apparaten en real-time glucosedetectie [13]. De sleutel om praktische enzymvrije glucosesensoren te realiseren, zijn goedkope, betrouwbare, biocompatibele en overvloedige katalysatoren. Voor dit doel zijn nanocomposieten, bijvoorbeeld composieten van tweedimensionale materialen en nanodeeltjes, op grote schaal toegepast als materialen voor biosensorelektroden [14]. Met name bio-elektronica op basis van tweedimensionale (2D) materialen wordt een opwindend nieuw interdisciplinair veld, dankzij de vele unieke fysische en chemische eigenschappen van 2D-materialen, waaronder een groot specifiek oppervlak, uitstekende geleidbaarheid en gemakkelijke synthese. Het grote specifieke oppervlak van 2D-materialen maakt bijvoorbeeld gemakkelijke oppervlaktefunctionalisering via hybridisatie mogelijk. De hoge geleidbaarheid maakt een efficiënte overdracht en verzameling van lading in 2D-materialen mogelijk. Van verschillende 2D-materialen zijn grafeen en zijn derivaten ongetwijfeld het meest bestudeerde materiaal in biosensoren [15]. Een ander type 2D-materiaal dat op grote schaal is onderzocht in elektronica en opto-elektronica, laat ook zien dat het bio-elektronische materialen zijn. Overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD's), met name molybdeendisulfide (MoS₂ ), hebben vergelijkbare voordelen van een groot specifiek oppervlak, chemische inertie en oppervlaktefunctionaliteit. Intercalatie van vreemde ionen of moleculen in TMD-nanosheets kan gemakkelijk worden bereikt gezien hun unieke atomaire structuur [16]. Een belangrijke eigenschap die MoS₂ . maakt onderscheidt zich goed van andere 2D-materialen doordat de hoge katalytische activiteit ervan voortkomt uit blootgestelde randen [13]. Het nadeel van MoS₂ is ook vrij duidelijk. Vergeleken met grafeen, 2D MoS₂ platen hebben een veel lagere elektrische geleidbaarheid. Opnieuw stapelen van MoS₂ nanosheets beperken verder de ladingsoverdracht en actieve reactieplaatsen.

Er zijn marginale inspanningen geleverd in enzymvrije glucosesensoren op basis van 2D MoS₂ tot de zeer recente jaren. De slechte prestaties van MoS₂ -gebaseerde elektrochemische apparaten zijn goed aangepakt door een aantal methoden te gebruiken die de lage intrinsieke geleidbaarheid met succes hebben opgelost. Een paar MoS₂ -gebaseerde elektrochemische glucose-biosensoren zijn gerapporteerd met prestaties die de grafeen-tegenhangers overtreffen [17]. Naast elektrochemische biosensoren zijn onlangs ook goedkope niet-elektrochemische methoden onderzocht voor 2D MoS₂ , door gebruik te maken van de voortgang van MoS₂ gemaakt in elektronica en opto-elektronica [18]. In deze review vatten we de recente ontwikkelingen in MoS₂ . samen -gebaseerde glucose biosensoren. Bijzondere aandacht wordt besteed aan MoS₂ -gebaseerde elektrochemische glucosebiosensoren, die worden beschreven in de "Electrochemical Glucose Biosensor-Based MoS₂ Nanocomposieten” sectie. In de "Hoge gevoeligheid glucosedetectie met behulp van MoS₂ Sectie veldeffecttransistoren, MoS₂ veldeffecttransistoren voor glucosedetectie van glucose worden kort geïntroduceerd. Tot slot de conclusie en toekomstperspectieven van MoS₂ nanocomposiet glucose biosensoren worden gepresenteerd.

Op elektrochemische glucose-biosensor gebaseerde MoS₂ Nanocomposieten

Sinds enkele decennia zijn metalen of legeringen de belangrijkste katalysatoropties voor de directe elektrokatalytische oxidatie van glucose [19]. In het afgelopen decennium hebben tweedimensionale materialen met een groot oppervlak en unieke chemische en fysische eigenschappen nieuwe mogelijkheden geopend voor veel gebieden, waaronder elektrochemische detectie, energieopslag en elektronica [20]. In termen van elektrochemische biosensing vertonen nanocomposieten van verschillende 2D-materialen en katalysatoren duidelijke voordelen ten opzichte van traditionele katalysatoren. De synergetische koppeling tussen deze materialen, namelijk synergetische effecten, kan leiden tot een duidelijke verbetering van de katalytische activiteit [21]. Een groot aantal van dergelijke nanocomposieten, met name die op basis van grafeen of grafeenderivaten, zijn ontwikkeld en toegepast op enzymvrije glucosesensoren. Gelaagde MoS₂ zal naar verwachting vergelijkbare voordelen hebben omdat het de materiaaleigenschappen van grafeen deelt. In het bijzonder laag MoS₂ nanosheets hebben een groot aantal randen, die, vergelijkbaar met gefunctionaliseerde grafeenvellen, fungeren als actieve plaatsen voor katalytische reacties [22, 23].

Inderdaad, Huang et al. gesynthetiseerde MoS₂ nanobloemen door een hydrothermische methode [24]. Een glasachtige koolstofelektrode die is aangepast met de MoS₂ nanoflowers en chitosan/Au nanodeeltjescomposieten vertoonden een duidelijke overpotentiaalreductie voor bisfenol A-oxidatie. De nanocomposietsensor toonde een efficiënte elektrokatalytische oxidatie van bisfenol A, zoals blijkt uit de aanzienlijk verhoogde stroom in de cyclische voltammogrammen. Een goed lineair detectiebereik van 0,05 tot 100 M wordt verkregen voor bisfenol A-detectie. Ook wordt een zeer detectielimiet van 5 nM geschat. Dit werk toonde duidelijk de uitstekende elektrokatalytische activiteit en synergetische effecten van Au/MoS₂ . aan nanocomposieten. Evenzo MoS₂ -gebaseerde nanocomposieten zijn gebruikt voor enzymvrije glucosedetectie. MoS₂ bloemen met een groot oppervlak werden gesynthetiseerd door een hydrothermische methode met cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB) als oppervlakteactieve stof [25]. De morfologie van de microbloemen kan worden geregeld door de pH van de reactieoplossing, de concentratie van CTAB-oppervlakteactieve stof en de uitgloeitemperatuur. De MoS₂ microflowers verkregen bij een gloeitemperatuur van 500 °C vertoonden een goede kristallijne kwaliteit en dus een verbeterde ladingsoverdracht. Interessant is dat elektrochemische enzymvrije glucosedetectietests aantoonden dat de MoS₂ microflower-elektrode zonder enige functionalisering kan een hoge gevoeligheid bieden van 570,71 μA mM⁻¹ cm⁻² . Bovendien toont de sensor een breed lineair detectiebereik tot 30 mM.

De synergetische effecten van MoS₂ katalysatoren die zijn gedoteerd of gehybridiseerd door vreemde metalen, zoals Cu, Ni, Co en Fe, gelden ook voor verbeterde elektrochemische katalyse van glucose. Huang et al. erin geslaagd om de voordelen van zowel de sterke elektrokatalytische activiteit van koper voor glucose-oxidatie als het grote oppervlak en de actieve randplaatsen van MoS₂ te combineren nanobladen [26]. De Cu-nanodeeltjes versierde MoS₂ nanosheets toonden elektrokatalytische activiteit in de richting van glucose-oxidatie. Een hoge gevoeligheid van 1055 μA mM⁻² cm⁻² en een lineair detectiebereik tot 4 mM is gerapporteerd voor de Cu/MoS₂ nanocomposiet glucosesensor. De gevoeligheid verdubbelde bijna de waarde gemeten van de MoS₂ microbloem elektrode. De sensor toonde ook een goede selectiviteit bij het detecteren van glucose tegen urinezuur, ascorbinezuur en dopamine. De interferentiestroom die door deze chemicaliën wordt veroorzaakt, is slechts ongeveer 2,1-5,2% van die van glucose, en een dergelijk laag interferentiestroomniveau kan als verwaarloosbaar worden beschouwd bij fysiologische concentratie.

Een andere aantrekkelijke kandidaat is nikkel (Ni), dat uitgebreid is onderzocht voor Ni/grafeen-hybriden. Net als Cu is Ni ook een aardrijk metaal. Het redoxkoppel van Ni³⁺ /Ni²⁺ biedt een indrukwekkende katalytische activiteit in alkalische media. Daarom hebben Huang et al. gebruikte MoS₂ nanosheet als katalysatordrager om Ni-nanodeeltjes te immobiliseren [27]. MoS₂ nanosheet is gesynthetiseerd uit MoS₂ poeder in ethanol/water gemengd oplosmiddel via vloeibare exfoliatie. Ni-nanodeeltjes werden gereduceerd op MoS₂ nanosheet door een MoS₂ . te verwarmen nanosheet-ethyleenglycol-oplossing bij 60°C gedurende 1 uur na toevoeging van NiCl₂ ·6H₂ O voorloper en N₂ H₄ ·H₂ O- en NaOH-oplossingen. Een glucosesensorelektrode werd geprepareerd door Ni-MoS₂ hybride op een glasachtige koolstofelektrode. Cyclisch voltammogram van de Ni/MoS₂ hybride-gemodificeerde elektrode onthulde duidelijk glucose-oxidatie met een hogere stroom dan een Ni-gemodificeerde referentie-elektrode. De verbeterde elektrokatalytische activiteit werd toegeschreven aan actievere sites op MoS₂ nanosheets en verminderde aggregatie van Ni-nanodeeltjes op een 2D-materiaaldrager. De amperometrische resultaten bevestigden een goed lineair detectiebereik tot 4 mM, een hoge gevoeligheid van 1824 μA mM⁻¹ cm⁻² , en een lage detectielimiet van 0,31 M bij een signaal/ruisverhouding van 3 (S/N =3). Vergeleken met de Cu/MoS₂ nanocomposiet glucosesensor, is er een verdere verbetering van de gevoeligheid door gebruik te maken van Ni/MoS₂ nanocomposieten. De impact van de interfererende soorten, waaronder dopamine, ascorbinezuur en urinezuur, op glucosewaarneming bleek ook marginaal te zijn. Belangrijker was dat de sensor een goede reproduceerbaarheid en een hoge stabiliteit vertoonde. Een verwaarloosbare vermindering van 3,4% in de respons van de sensor werd gemeten na opslag bij omgevingstemperatuur gedurende 4 weken. Bovendien, Anderson et al. rapporteerde een zeer gevoelige niet-enzymatische glucosebiosensor door colloïdale zilveren nanodeeltjes op te nemen met MoS₂ [28]. De introductie van Ag-nanodeeltjes was bedoeld om de intrinsieke slechte geleidbaarheid van MoS₂ . aan te pakken . Een uitstekende gevoeligheid van 9044,6 μA mM⁻¹ cm⁻² en een lage detectielimiet van 0,03 M werden gerapporteerd. Het lineaire detectiebereik is echter maximaal 1 mM.

De elektrokatalytische activiteiten van MoS₂ kan verder worden verbeterd door te hybridiseren met grafeen. De lage intrinsieke geleidbaarheid van MoS₂ ondermijnt zijn hoge katalytische activiteit. De kosten worden overgedragen tussen MoS₂ nanomaterialen zijn traag in elektrochemische reacties of algemene elektronische toepassingen. Aan de andere kant heeft grafeen een superieure elektrische geleidbaarheid en kan het dienen als een onmiddellijke oplossing om het elektronentransport in MoS₂ te vertragen. nanomaterialen [29]. Jeong et al. gefabriceerde driedimensionale (3D) MoS₂ /grafeen aerogel nanocomposieten door een hydrothermische methode in één pot [13]. Hoewel verbeterde elektrokatalytische activiteiten zijn waargenomen door gebruik te maken van de 3D-poreuze structuur in vergelijking met het 2D-referentiemonster, bemoeilijkte het gebruik van glucose-oxidase de fabricage en kreeg het te maken met dezelfde problemen van enzymatische sensoren. Geng et al. gesynthetiseerde Ni-gedoteerde MoS₂ nanodeeltjes gedecoreerd op gereduceerd grafeenoxide (Ni-MoS₂ /rGO) door een gemakkelijke en schaalbare methode [30]. Zoals getoond in Fig. 1a, werd grafeenoxide gesynthetiseerd door de Hummers en Offeman-methode gemengd met CH₃ COOH en gedeïoniseerd water. Ni-Mo-precursoroplossing werd bereid door toevoeging van (NH₄ )₂ MoS₄ en Ni(CH₃ COO)₂ ·4H₂ O met verschillende molaire verhoudingen in de grafeenoxide-oplossing. De Ni-MoS₂ /rGO-suspensie werd verkregen na centrifugeren en drogen bij 80 ° C. De verzamelde Ni-MoS₂ /rGO-suspensie werd vervolgens 4 uur bij 600 °C gecalcineerd in N₂ atmosfeer. De verkregen Ni-MoS₂ /rGO-nanocomposieten werden gebruikt voor niet-enzymatische glucosedetectie. Figuur 1b toont de amperometrische respons van een sensorelektrode gemodificeerd door Ni-MoS₂ /rGO nanocomposieten aan de opeenvolgende toevoeging van glucose-oplossing. Na elke toevoeging van glucose werd een duidelijke stroomtoename waargenomen. Bovendien laat de inzet in figuur 1b zien dat de sensor in staat was te reageren op een glucoseconcentratie van slechts 5 M. Het exacte huidige signaal als een functie van de glucoseconcentratie is uitgezet in figuur 1c, die duidelijk een breed lineair detectiebereik van de sensor laat zien, 0,005-8,2 mM, dat goed het typische menselijke bloedglucoseniveau dekt. De berekende gevoeligheid en detectielimiet is 256,6 μA mM⁻¹ cm⁻² en 2,7 μM (S/N =3), respectievelijk. Hoewel de gevoeligheid en detectielimiet van de sensor duidelijk lager is dan de eerdere, is het lineaire detectiebereik aanzienlijk verbeterd. Het werk rapporteerde verder verbeterde elektronentransportsnelheden en elektrokatalytische activiteit met een diffusiecoëfficiënt van 1,83 × 10⁻³ cm² s⁻¹ en katalytische snelheidsconstanten van 6,26 × 10⁵ cm³ mol⁻¹ s⁻¹ met behulp van de Ni-MoS₂ /rGO composieten. Zoals getoond in Fig. 1d, wanneer de sensor onder droge omstandigheden werd bewaard, blijft de huidige respons op 1 mM glucose gedurende 15 dagen bijna onveranderd, wat een goede stabiliteit laat zien. De invloed van veel voorkomende interferentiechemicaliën, NaCl, dopamine, urinezuur, ascorbinezuur en V_B , werd ook onderzocht. De resultaten worden getoond in Fig. 1e, en de impact van deze chemicaliën op de signaalstroom is marginaal. De huidige verandering veroorzaakt door 0,1 mM NaCl, dopamine, urinezuur, ascorbinezuur en V_B , een typische concentratie van de interferentiechemicaliën in normaal serum, is slechts 0,76%, 2,77%, 6,03%, 0%, 2,51% en 0,63% van de huidige respons op 2,5 mM glucose. Ten slotte toonde het werk een goede match aan tussen de gemeten concentratie door de Ni-MoS₂ /rGO-sensor en de gerapporteerde ziekenhuiswaarden, waaruit blijkt dat de sensoren een groot potentieel hebben voor praktische toepassingen [30].

een Schema van de synthese van Ni-MoS₂ /rGO composieten. b Amperometrische respons van een Ni-MoS₂ /rGO-sensor voor de opeenvolgende toevoeging van glucose. c De geëxtraheerde responsstroom naar verschillende glucoseconcentraties. d Stabiliteitstest van de sensor door amperometrische meting gedurende 15 dagen. e Vergelijking van de amperometrische reacties van 2,5 mM glucose en 0,1 mM interferentiechemicaliën. Overgenomen uit [25], Copyright 2017, met toestemming van Elsevier

Een alternatieve manier om de overdracht van kosten in MoS₂ . te verbeteren nanocomposieten is om te hybridiseren met een ander zeer geleidend en biocompatibel koolstofmateriaal, koolstofnanobuisjes (CNT's). Ondertussen kan op deze manier het opnieuw stapelen van MoS₂ . worden beperkt nanomaterialen, waardoor actievere reactieplaatsen ontstaan. CNT's zijn ook op grote schaal gesynthetiseerd in 3D-structuren en toegepast bij energieopslag, energiewinning, detectie, enz. [31,32,33]. Li et al. een 3D-nanocomposieten van MoS₂ . gemaakt nanosheets gehybridiseerd met kobaltoxide nanodeeltjes en CNT's [34]. De kobaltoxide-nanodeeltjes werden gebruikt om elektrokatalytische activiteiten te verbeteren en de CNT's om de geleidbaarheid te verbeteren. Hydrothermische methode met één pot die wordt gebruikt om de Co-MoS₂ . te synthetiseren /CNT nanocomposieten wordt kort getoond in figuur 2a. Een mengsel van CNT's, 0,1 mmol Co(CH₃ COO)₂ 4H₂ O, 1,35 mmol Na₂ MoO₄ , en 7,5 mmol l-cysteïne werd overgebracht in een met Teflon beklede roestvrijstalen autoclaaf en gedurende 24 uur op 180 ° C gehouden. Het product werd vervolgens afgekoeld, gecentrifugeerd en gespoeld met gedeïoniseerd water en absolute ethanol. De schoongemaakte Co-MoS₂ /CNT nanocomposieten werden uiteindelijk gedroogd in een vacuümoven bij 60 ° C gedurende 6 uur. De scanning elektronenmicroscopie (SEM) en transmissie elektronenmicroscopie (TEM) beelden van de Co-MoS₂ /CNT nanocomposieten worden getoond in Fig. 2b, c. Typische 3D-gebundelde CNT's met diameters rond 20 nm werden waargenomen. De TEM-afbeelding toont duidelijk de holle CNT's die aan MoS₂ . zijn bevestigd nanobladen. Een dergelijke structuur dient als een sterk geleidende matrix om MoS₂ . te ondersteunen nanosheets en immobiliseren Co nanodeeltjes. Zo'n dicht opeengepakte Co-MoS₂ /CNT-nanocomposieten bieden niet alleen een goede hoeveelheid katalytische actieve randen, maar zorgen ook voor een efficiënte ladingsoverdracht tijdens reacties. Wat nog belangrijker is, de dicht opeengepakte Co-MoS₂ /CNT-structuur en de vrij grote tussenlaagafstand van 0,65 nm voor MoS₂ (groter dan die van 0,34 nm voor CNT's) onderdrukken effectief het opnieuw stapelen van MoS₂ /CNT composiet. Typische cyclische voltammetrie- en amperometrische metingen werden uitgevoerd om de prestaties te onderzoeken van de enzymvrije sensor gemaakt van Co-MoS₂ /CNT nanocomposieten. De amperometrische reacties van Co-MoS₂ /CNT-detectie-elektrode gemeten (bij 0,65 V versus Ag / AgCl) met opeenvolgende toevoeging van glucose worden getoond in Fig. 2d. Er werd een duidelijke stapsgewijze toename van de responsstroom op glucosetoevoeging waargenomen. Een goed lineair detectiebereik werd bereikt tot 5,2 mM, zoals weergegeven in Fig. 2e. De berekende gevoeligheid is 131,69 μA mM⁻¹ cm⁻² . Ondanks de relatief lage gevoeligheid, werd een extreem lage detectielimiet van 80 nM verkregen (S/N =3) uit Fig. 2f.

een Schematisch diagram van de hydrothermische assemblage van Co-MoS2 / CNT's. b SEM en c TEM-afbeeldingen van de gesynthetiseerde Co-MoS2 / CNT's. d Amperometrische reacties van de Co-MoS₂ /CNT-sensor voor de opeenvolgende toevoeging van glucose. e De geëxtraheerde responsstroom naar verschillende glucoseconcentraties. v Amperometrische curve van de Co-MoS₂ /CNT-sensor tot 80 nM glucose. Overgenomen uit [29], Copyright 2019, met toestemming van Elsevier

Net als de synergetische effecten die worden weergegeven door metaal-2D-materiaalhybriden, hebben bimetaallegeringen en nanostructuren ook verbeterde katalytische prestaties laten zien en een goed potentieel voor veel toepassingen, waaronder detectie [35], energiewinning [36, 37], enz. Li et al. . onlangs gesynthetiseerde Au-Pd bimetaal nanodeeltjes voor niet-enzymatische waterstofperoxide en glucose detectie [5]. De fabricage van de Au-Pd/MoS₂ sensorelektrode wordt geïllustreerd in figuur 3a. De MoS₂ nanosheets werden bereid door vloeibare exfoliatie. Au-Pd bimetaal nanodeeltjes werden gesynthetiseerd door chemische reductie. De voorbereide Au-Pd/MoS₂ nanocomposieten werden vervolgens afgezet op een glasachtige koolstofelektrode voor chemische detectie. Zoals getoond in Fig. 3b, werden goede stroomstappen waargenomen met een opeenvolgende toevoeging van glucose. Het lineaire detectiebereik gemeten als 0, 5-20 mM ligt ver boven de normale bloedglucosespiegel van de mens (figuur 3c). In plaats van conventionele bimetalen nanodeeltjes te gebruiken die vaak gemaakt zijn van dure metalen, hebben Ma et al. ontwierp een gouden nanodeeltjes-polypyrrool (PPY) co-versierde MoS₂ nanocomposiet [38]. De metaal/geleidende polymeerhybriden zullen naar verwachting ook het oppervlak en de geleidbaarheid van een sensorelektrode verbeteren. Bovendien kan het gebruik van geleidende polymeren de kosten van elektrochemische sensoren verder verlagen. De gefabriceerde MoS₂ -PPY-Au / glasachtige koolstofelektrode vertoonde een ongelooflijke lage detectie van 0,08 nM, bijna interferentievrije selectiviteit en lange stabiliteit gedurende 3 weken. De sensorgevoeligheid is echter slechts 37,35 μA·μM^–1 ·cm^–2 en het detectiebereik is vrij beperkt (0,1-80 nM).

een Illustratie van de synthese van Au-Pd/MoS₂ nanocomposieten en montage op een glasachtige koolstofelektrode voor niet-enzymatische elektrochemische detectie van H₂ O₂ en glucose. b Amperometrische reacties van de Au-Pd/MoS₂ nanocomposietsensor voor de opeenvolgende toevoeging van glucose. c De geëxtraheerde responsstroom naar verschillende glucoseconcentraties. Overgenomen uit [5], Copyright 2017, met toestemming van Elsevier

Naast metalen zijn ook metaaloxiden met hoge katalytische activiteit geprobeerd voor verbeterde elektrochemische katalyse. Afgezien van de hoge elektrokatalytische activiteiten, zijn de lage kosten van metaaloxiden een ander voordeel dat niet kan worden overbelast voor goedkope elektrochemische sensoren. Onder verschillende metaaloxiden, Cu₂ O nanomaterialen met verschillende morfologieën zijn veelbelovend voor katalyse in verschillende toepassingen. Fang et al. zijn onderzocht MoS₂ versierd met Cu₂ O nanodeeltjes voor niet-enzyme glucosedetectie [39]. De amperometrische metingen van de Cu₂ O/MoS₂ hybride-gemodificeerde elektrode vertonen een goed lineair bereik van 0,01 tot 4 mM. De geëxtraheerde detectielimiet is ongeveer 1 M. De gevoeligheid werd berekend tot 3108,87 μA mM⁻¹ cm⁻² , wat hoger is dan de meeste MoS₂ -gebaseerde niet-enzym glucosesensoren. De resultaten wijzen ook op een goed potentieel van metaaloxiden voor goedkope niet-enzyme glucosesensoren. De vergelijking van de enzymvrije glucose-biosensoren op basis van MoS₂ nanocomposieten wordt weergegeven in tabel 1.

Hooggevoelige glucosedetectie met MoS₂ Veldeffecttransistoren

MoS₂ veldeffecttransistoren (FET's) hebben een aantal voordelen, zoals een hoge schakelstroomverhouding, lage lekstroom, kleine subdrempelzwaai en hoge mobiliteit [41, 42]. Dankzij de uitstekende elektronische eigenschappen en mechanische robuustheid, MoS₂ transistors zijn veelbelovend voor lage energie, lage kosten en draagbare elektronica [43, 44]. Biosensoren, fotodetectoren, gassensoren en hun flexibele tegenhangers op basis van MoS₂ transistors zijn recentelijk gerapporteerd [45]. De voordelen van MoS₂ transistors maken deze sensoren zeer gevoelig, laag in stroomverbruik, draagbaar, enz. MoS₂ FET's zijn gerapporteerd als verschillende sensoren voor vochtigheid, H₂ O₂ , NEE, NEE₂ , NH₃ , DNA, enz. [46,47,48,49]. Shan et al. meldde de eerste MoS₂ -gebaseerde veldeffecttransistor voor glucosedetectie [40]. Zoals getoond in Fig. 4a, een back-gate MoS₂ FET is gefabriceerd op een SiO₂ /Si-substraat. Source- en drain-elektroden werden van een patroon voorzien door fotolithografie en e-beam-lithografie. Au/Ni (70 nm/10 nm) contacten werden afgezet door verdamping. Opgemerkt moet worden dat de MoS₂ kanaalmateriaal van ongeveer 2 m x 3 μm werd mechanisch geëxfolieerd en overgebracht naar de vooraf gevormde elektroden, zoals weergegeven in Fig. 4b. De gefabriceerde transistor werd in een monstercel geplaatst en getest.

een Schema van de back-gated MoS₂ transistor. b Optisch microscopiebeeld van de MoS₂ kanaalmateriaal tussen de source- en drain-elektroden. c De realtime huidige reacties op verschillende glucoseconcentraties. d De huidige reactie I _ds van de MoS₂ FET als functie van glucoseconcentraties, van 0 tot 30 mM. De inzet toont de responsstroom die is geëxtraheerd voor lagere glucoseconcentraties, van 0 tot 1,0 M. Herdrukt onder CC BY-NC 3.0 van [44]

De gemeten I _ds –V _ds curven met verschillende concentraties glucoseoplossingen toonden duidelijk een toename van de source-drainstroom met een toename van de glucoseconcentratie. Opgemerkt moet worden dat GO_x enzym werd toegevoegd aan de glucoseconcentratie. Daarom is de detectie niet volledig enzymvrij. De verhoogde kanaalstroom bij toenemende glucoseconcentratie werd toegeschreven aan de enzymatische glucose-oxidatie. De door de reactie geproduceerde elektronen werden overgebracht naar het n-type MoS₂ kanaal en dus verhoogde de geleidbaarheid. Om de sensorreactie op glucose te illustreren, gebruikt de realtime I _ds de meting werd uitgevoerd met opeenvolgende toevoeging van verschillende glucoseconcentraties, zoals weergegeven in figuur 4c. De metingen begonnen met een zuivere PBS-oplossing en een oplossing met een hogere concentratie met 1 mM meer glucose, de vorige elke minuut geplaatst. De source-drain-stroomrespons op verschillende glucoseconcentraties is uitgezet in figuur 4d. Het is duidelijk dat de MoS₂ FET-sensor toont een zeer groot lineair bereik voor glucosedetectie, tot 30 mM. De tests werden herhaald voor een lage concentratie glucoseoplossingen om de detectielimiet en gevoeligheid van de MoS₂ te onderzoeken. FET-sensor. Zoals getoond in de inzet van Fig. 4d, kan de sensor duidelijk de aanwezigheid van glucose detecteren met een concentratie zo laag als 300 nM. De gevoeligheid van de MoS₂ FET glucose biosensor is berekend op 260,75 mA mM⁻¹ . Naast een hoge gevoeligheid en lage detectielimieten, vertoonde het apparaat ook een hoge stabiliteit tot 45 dagen. Het huidige apparaat moet echter de toevoeging van GO_{x . met zich meebrengen} enzym in de glucose-oplossing die wordt getest, waardoor het minder praktisch is voor draagbare toepassingen.

Conclusie en perspectieven

Deze mini-review presenteert de recente inspanningen voor de ontwikkeling van enzymvrije, op biosensoren gebaseerde MoS₂ nanocomposieten. Deze publicaties boden allemaal gemakkelijke en goedkope middelen voor hoogwaardige glucosesensoren, in termen van gevoeligheid, lineair detectiebereik en detectielimiet. Deze studies openen ongetwijfeld nieuwe kansen voor goedkope en gevoelige glucosesensoren. De vorderingen zijn grotendeels afhankelijk van de recente vooruitgang die is geboekt bij de synthese van nieuwe nanocomposieten van 2D-materialen, metalen nanomaterialen en nanodeeltjes van katalytisch oxide. Verwacht mag worden dat er meer inspanningen in deze richting zullen worden geïnvesteerd, en de opgedane ervaring is zeer nuttig voor toekomstige studies over verwante materialen voor detectietoepassingen.

Tegelijkertijd moet men zich echter realiseren dat er nog veel inspanningen nodig zijn voor klinische of andere praktische toepassingen. De stabiliteit en reproduceerbaarheid van deze apparaten moeten nog worden verbeterd. Tot dusver werden ofwel beperkte opslagtijd of in droge omstandigheden gebruikt. Ten tweede zijn de chemische synthesemethoden eenvoudig en goedkoop, maar of de methoden schaalbaar zijn, blijft onduidelijk. Nieuwe technieken, zoals inkjetprinten, kunnen worden gebruikt voor herhaalbare grootschalige fabricage van sensoren. Hoewel MoS₂ -gebaseerde elektrochemische sensoren vertonen competitieve prestaties in vergelijking met de op koolstofmateriaal gebaseerde tegenhangers, de voordelen, bijvoorbeeld katalytische randlocaties van MoS₂ , zijn niet substantieel. Er is duidelijk veel ruimte om echt te profiteren van de unieke eigenschappen van MoS₂ voor verdere verbeteringen in niet-enzymatische glucosedetectie. Verder is de ontwikkeling van flexibele op glucose-biosensor gebaseerde MoS₂ nanocomposieten zijn belangrijk voor flexibele detectie in de gezondheidszorg en zouden concurrerender moeten zijn op de markt, die in de toekomst zeker een onderzoekshotspot zal worden.

Eindelijk, MoS₂ Op FET gebaseerde sensoren leveren uitstekende prestaties bij het meten van glucose. Gezien de recente ontwikkeling van MoS₂ FET's lijkt deze richting veelbelovend bij de ontwikkeling van goedkope glucosesensoren en andere soorten chemische sensoren. Er moet nogmaals worden benadrukt dat het huidige werk gerapporteerd over MoS₂ FET-glucosesensoren waren alleen functioneel voor GO_x -gedoteerde glucose-oplossing. Toekomstig werk moet alternatieven vinden om het gebruik van GO_{x . te vermijden} voor meer praktische implementatie van MoS₂ FET-glucosesensoren.