MoS₂-nanocomposiet-gebaseerde enzymvrije glucosesensoren: een innovatieve benadering

Samenvatting

Hoogpresterende glucosesensoren zijn sterk gewenst voor gezondheidszorg. Om aan deze eisen te voldoen, hebben glucosesensoren, met name enzymvrije glucosesensoren, veel aandacht gekregen. Tweedimensionale materialen, zoals grafene, met een groot oppervlakte, uitstekende elektrische eigenschappen en goede bio-compatibiliteit, zijn het laatste decennium de hoofdfocus van biosensoronderzoek. Deze review presenteert de recente vooruitgang in enzymvrije glucosesensoren gebaseerd op MoS₂-nanocomposieten. Twee verschillende technieken voor glucosedetectie worden geïntroduceerd, met de nadruk op electrochemische glucosesensoren. Uitdagingen en toekomstperspectieven van MoS₂-nanocomposiet-glucosesensoren worden ook besproken.

Inleiding

De glucoseconcentratie in het menselijk bloed is een belangrijke gezondheidsindicator. Gezonde mensen hebben bijvoorbeeld doorgaans een bloedglucoseniveau van ongeveer 3,9-6,1 mM (1 mM = ~18 mg/dL), en glucoseconcentraties buiten dit bereik kunnen wijzen op nierdysfunctie, diabetes, etc. Gedreven door de steeds groeiende vraag naar gezondheidszorg, is veel inspanning geleverd in enzymatische glucosesensoren gebaseerd op glucoseoxidase (GOₓ) sinds het rapport van de enzym-elektrode door Updike en Hicks in 1967. Ondanks de eenvoud, efficiëntie, hoge gevoeligheid en selectiviteit van enzymatische glucosesensoren, kunnen twee grote uitdagingen, namelijk hoge kosten en instabiliteit, niet bevredigend worden aangepakt. Dit komt doordat enzymatische glucosesensoren enzymen zoals GOₓ gebruiken om glucose indirect te detecteren, wat vaak duur katalysatoren en ingewikkelde toestelconstructie betreft, en dus relatief hoge kosten. Daarnaast zijn enzymen zoals GOₓ kwetsbaar voor temperatuur, vochtigheid, pH en niet-fysiologische chemicaliën vanwege hun intrinsieke thermische en chemische instabiliteit. De immobilisatie van GOₓ op een elektrode-oppervlak voegt vaak een extra laag van moeilijkheid toe aan het fabriceren van enzymatische glucosesensoren met goede stabiliteit en reproduceerbaarheid.

Dankzij de ontwikkeling van het Internet of Things, hebben sensoren met lage kosten en hoge betrouwbaarheid steeds meer aandacht getrokken. In de zoektocht naar glucosesensoren die aan deze eisen voldoen, hebben enzymvrije electrochemische biosensors populariteit gekregen vanwege een aantal voordelen, waaronder eenvoud, hoge gevoeligheid en stabiliteit. Enzymvrije electrochemische biosensors detecteren glucose direct via electrocatalytische oxidatie, wat het gebruik van duur enzym vermijdt en de stabiliteit in omgevingscondities verbetert. Dergelijke biosensors verwachten nieuwe mogelijkheden te openen voor integratie met draagbare toestellen en real-time glucosedetectie. De sleutel om praktische enzymvrije glucosesensoren te realiseren, is goedkope, betrouwbare, bio-compatibele en overvloedige katalysatoren. Hiertoe zijn nanocomposieten, zoals composieten van tweedimensionale materialen en nanopartikels, wijd toegepast als biosensorelektrodematerialen. In het bijzonder wordt bio-elektronica gebaseerd op tweedimensionale (2D) materialen een opwindend nieuw interdisciplinair veld, dankzij de unieke fysieke en chemische eigenschappen van 2D-materialen, waaronder groot specifiek oppervlak, uitstekende geleiding en gemakkelijke synthese. Het grote specifieke oppervlak van 2D-materialen maakt eenvoudige oppervlaktefunctionaliseerbaar via hybridisatie. De hoge geleiding maakt efficiënte ladingsoverdracht en -verzameling in 2D-materialen mogelijk. Onder de diverse 2D-materialen zijn grafene en zijn derivaten ongetwijfeld het best bestudeerde materiaal in biosensors. Een ander type 2D-materialen dat wijd is onderzocht in elektronica en opto-elektronica, toont ook merieten als bio-elektronica-materialen. Overgangsmetaaldichalcogeniden (TMDs), met name molybdeen disulfide (MoS₂), bezitten vergelijkbare voordelen van groot specifiek oppervlak, chemische inertie en oppervlaktefunctionaliteit. Intercalatie van vreemde ionen of moleculen in TMD-nanosheets kan gemakkelijk worden bereikt gegeven hun unieke atoomaire structuur. Een belangrijke eigenschap die MoS₂ laat uitsteken boven andere 2D-materialen is zijn hoge katalytische activiteit afkomstig van blootgelegde randen. Het nadeel van MoS₂ is echter ook duidelijk. In vergelijking met grafene hebben 2D MoS₂-lagen een veel lagere elektrische geleiding. Herstapeling van MoS₂-nanosheets beperkt de ladingsoverdracht en actieve reactieplaatsen verder.

Tot de allerlaatste jaren zijn er marginale inspanningen gedaan in enzymvrije glucosesensoren gebaseerd op 2D MoS₂. De slechte prestaties van MoS₂-gebaseerde electrochemische toestellen zijn goed aangepakt door een aantal methoden die de lage intrinsieke geleiding met succes hebben opgelost. Een paar MoS₂-gebaseerde electrochemische glucosesensoren zijn gerapporteerd met prestaties die hun grafene-gegenhangers overtreffen. Naast electrochemische biosensors, zijn recent ook goedkope niet-electrochemische methoden bestudeerd voor 2D MoS₂, door gebruik te maken van de vooruitgang van MoS₂ in elektronica en opto-elektronica. In deze review vatten we de recente vooruitgang in MoS₂-gebaseerde glucosesensoren samen. Bijzondere aandacht wordt gegeven aan MoS₂-gebaseerde electrochemische glucosesensoren, die beschreven worden in de sectie "Electrochemische glucosesensor gebaseerd op MoS₂-nanocomposieten". In de sectie "Hooggevoelige glucosedetectie met MoS₂-veldeffecttransistors" worden MoS₂-veldeffecttransistors voor glucosedetectie kort geïntroduceerd. Ten slotte worden de conclusie en toekomstperspectieven van MoS₂-nanocomposiet-glucosesensoren gepresenteerd.

Electrochemische glucosesensor gebaseerd op MoS₂-nanocomposieten

gedurende enkele decennia zijn metalen of legeringen de belangrijkste katalysatoropties voor de directe electrocatalytische oxidatie van glucose. In het afgelopen decennium openen tweedimensionale materialen met groot oppervlak en unieke chemische en fysieke eigenschappen nieuwe kansen voor veel velden, waaronder electrochemische sensing, energieopslag en elektronica. Wat betreft electrochemische sensing, tonen nanocomposieten van verschillende 2D-materialen en katalysatoren duidelijke voordelen ten opzichte van traditionele katalysatoren. De synergistische koppeling tussen deze materialen, namelijk synergistische effecten, kan leiden tot duidelijke verbetering in katalytische activiteit. Een goed aantal dergelijke nanocomposieten, met name die gebaseerd op grafene of grafene-derivaten, zijn ontwikkeld en toegepast op enzymvrije glucosesensoren. gelaagde MoS₂ wordt verwacht vergelijkbare voordelen te bezitten omdat het de materiaaleigenschappen van grafene deelt. In het bijzonder bezitten gelaagde MoS₂-nanosheets een groot aantal randen, die, vergelijkbaar met gefunctionaliseerde grafene-lagen, fungeren als actieve plaatsen voor katalytische reacties.

Inderdaad synthetiseerden Huang et al. MoS₂-nanobloemen door een hydrothermale methode. Een glaskoolstofelektrode gemodificeerd met de MoS₂-nanobloemen en chitosan/Au-nanopartikelscomposieten toonde een duidelijke overpotentiaalreductie voor bisfenol A-oxidatie. De nanocomposietsensor toonde een efficiënte electrocatalytische oxidatie van bisfenol A, bewijs door de aanzienlijk verhoogde stroom in de cyclische voltammogrammen. Een goed lineair detectiebereik van 0,05 tot 100 μM werd verkregen voor bisfenol A-sensing. Ook werd een zeer lage detectielimiet van 5 nM geschat. Dit werk demonstreerde duidelijk de uitstekende electrocatalytische activiteit en synergistische effecten van Au/MoS₂-nanocomposieten. Op dezelfde manier zijn MoS₂-gebaseerde nanocomposieten gebruikt voor enzymvrije glucosedetectie. MoS₂-bloemen met een groot oppervlak werden gesynthetiseerd door een hydrothermale methode met cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB) als surfactant. De morfologie van de microbloemen kan worden gecontroleerd door de pH van de reactieoplossing, de concentratie van CTAB-surfactant en de annealtemperatuur. De MoS₂-microbloemen verkregen bij een annealtemperatuur van 500 °C toonden een goede kristallijne kwaliteit en dus verbeterde ladingsoverdracht. Interessant genoeg toonden electrochemische enzymvrije glucosesensingtests aan dat de MoS₂-microbloemelektrode zonder enige functionalisering een hoge gevoeligheid van 570,71 μA mM⁻¹ cm⁻² kan bieden. Daarnaast toont de sensor een wijd lineair detectiebereik tot 30 mM.

De synergistische effecten van MoS₂-katalysatoren gedoopt of gehybrideerd met vreemde metalen, zoals Cu, Ni, Co en Fe, gelden ook voor verbeterde electrochemische katalyse van glucose. Huang et al. wisten de voordelen te combineren van zowel de sterke electrocatalytische activiteit van koper voor glucoseoxidatie als het grote oppervlak en de actieve randplaatsen van MoS₂-nanosheets. De koper-nanopartikels gedecoreerde MoS₂-nanosheets toonden electrocatalytische activiteit ten aanzien van glucoseoxidatie. Een hoge gevoeligheid van 1055 μA mM⁻² cm⁻² en een lineair detectiebereik tot 4 mM zijn gerapporteerd voor de Cu/MoS₂-nanocomposiet-glucosesensor. De gevoeligheid verdubbelde bijna de waarde gemeten van de MoS₂-microbloemelektrode. De sensor toonde ook goede selectiviteit in het detecteren van glucose tegen urinezuur, ascorbijnzuur en dopamine. De interferentiestroom veroorzaakt door deze chemicaliën is slechts ongeveer 2,1-5,2% van die van glucose, en zo'n lage interferentieniveau kan verwaarloosbaar worden geacht bij fysiologische concentratie.

Een andere aantrekkelijke kandidaat is nikkel (Ni), dat uitgebreid is bestudeerd voor Ni/grafene-hybriden. Vergelijkbaar met Cu, is Ni ook een aardrijkdommetaal. Het redoxpaar Ni³⁺/Ni²⁺ biedt een indrukwekkende katalytische activiteit in alkalische media. Daarom gebruikten Huang et al. MoS₂-nanosheet als katalysatorondersteuning om Ni-nanopartikels te immobiliseren. MoS₂-nanosheet werd gesynthetiseerd uit MoS₂-poeder in ethanol/water gemengd oplosmiddel via vloeibare exfoliatie. Ni-nanopartikels werden gereduceerd op MoS₂-nadosheet door een MoS₂-nanosheet-ethyleenglycoloplossing te verwarmen bij 60 °C gedurende 1 uur na toevoeging van NiCl₂·6H₂O-voorloper en N₂H₄·H₂O en NaOH-oplossingen. Een glucosesensorelektrode werd voorbereid door Ni-MoS₂-hybride op een glaskoolstofelektrode te depositeren. Cyclisch voltammogram van de Ni/MoS₂-hybride-gemodificeerde elektrode onthulde duidelijk glucoseoxidatie met een hogere stroom dan een Ni-gemodificeerde referentie-elektrode. De verbeterde electrocatalytische activiteit werd toegeschreven aan meer actieve plaatsen op MoS₂-nanosheets en verminderde Ni-nanopartikelaggregatie op een 2D-materiaalondersteuning. 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 μM bij een signaal/ruis-verhouding van 3 (S/N = 3). Vergeleken met de Cu/MoS₂-nanocomposiet-glucosesensor is er een verdere verbetering in gevoeligheid door gebruik te maken van Ni/MoS₂-nanocomposieten. De impact van de interfererende soorten, waaronder dopamine, ascorbijnzuur en urinezuur, op glucosesensing werd ook als marginaal bevonden. Belangrijker nog, de sensor toonde goede reproduceerbaarheid en hoge stabiliteit. Een verwaarloosbare reductie van 3,4% in de respons van de sensor werd gemeten na omgevingsopslag gedurende 4 weken. Bovendien rapporteerden Anderson et al. een hooggevoelige niet-enzymatische glucosesensor door kolloidale zilvernanopartikels te incorporeren met MoS₂. De introductie van Ag-nanopartikels was om de intrinsieke slechte geleiding van MoS₂ aan te pakken. Een uitstekende gevoeligheid van 9044,6 μA mM⁻¹ cm⁻² en een lage detectielimiet van 0,03 μM werden gerapporteerd. Het lineaire detectiebereik is echter slechts tot 1 mM.

De electrocatalytische activiteiten van MoS₂ kunnen verder worden verbeterd door te hybridiseren met grafene. De lage intrinsieke geleiding van MoS₂ ondermijnt zijn hoge katalytische activiteit. De ladingsoverdrachten tussen MoS₂-nanomaterialen zijn langzaam in electrochemische reacties of algemene elektronische toepassingen. Aan de andere kant heeft grafene superieure elektrische geleiding en kan dienen als een directe oplossing voor langzame elektronen-transport in MoS₂-nanomaterialen. Jeong et al. fabriceren driedimensionale (3D) MoS₂/grafene-aerogel-nanocomposieten door een one-pot hydrothermale methode. Hoewel verbeterde electrocatalytische activiteiten zijn waargenomen door het gebruik van de 3D poreuze structuur vergeleken met het 2D referentiemonster, compliceerde het gebruik van glucoseoxidase de fabricatie en confronteerde dezelfde problemen van enzymatische sensoren. Geng et al. synthetiseerden Ni-gedopte MoS₂-nanopartikels gedecoreerd op gereduceerde grafene-oxide (Ni-MoS₂/rGO) door een gemakkelijke en schaalbare methode. Zoals getoond in Fig. 1a, werd grafene-oxide gesynthetiseerd door de Hummers en Offeman methode gemengd met CH₃COOH en gedemineraliseerd water. Ni-Mo voorloperaoplossing werd voorbereid door (NH₄)₂MoS₄ en Ni(CH₃COO)₂·4H₂O met verschillende molaire verhoudingen toe te voegen aan de grafene-oxideoplossing. De Ni-MoS₂/rGO-suspensie werd verkregen na centrifugeren en drogen bij 80 °C. De verzamelde Ni-MoS₂/rGO-suspensie werd vervolgens gekalcineren gedurende 4 uur bij 600 °C in N₂-atmosfeer. De verkregen Ni-MoS₂/rGO-nanocomposieten werden gebruikt voor niet-enzymatische glucosesensing. Figuur 1b toont de amperometrische respons van een sensorelektrode gemodificeerd door Ni-MoS₂/rGO-nanocomposieten op de opeenvolgende toevoeging van glucoseoplossing. Een duidelijke stijging in stroom werd waargenomen na elke toevoeging van glucose. Bovendien toont de inset in Fig. 1b aan dat de sensor in staat was te reageren op een glucoseconcentratie zo laag als 5 μM. Het geëxtraheerde stroomsignaal als functie van glucoseconcentratie wordt geplot in Fig. 1c, wat duidelijk een breed lineair detectiebereik van de sensor toont, 0,005-8,2 mM, wat goed het typische menselijke bloedglucoseniveau dekt. De berekende gevoeligheid en detectielimiet zijn 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 zijn dan de eerdere, is het lineaire detectiebereik aanzienlijk verbeterd. Het werk rapporteert verder verbeterde elektronen-transportsnelheden en electrocatalytische activiteit met een diffusiecoëfficiënt van 1,83 × 10⁻³ cm²s⁻¹ en katalytische snelheidsconstanten van 6,26 × 10⁵ cm³mol⁻¹s⁻¹ door gebruik te maken van de Ni-MoS₂/rGO-composieten. Zoals getoond in Fig. 1d, toen de sensor onder droge omstandigheden werd opgeslagen, blijft de stroomrespons op 1 mM glucose vrijwel onveranderd gedurende 15 dagen, wat goede stabiliteit toont. De invloed van veelvoorkomende interfererende chemicaliën, NaCl, dopamine, urinezuur, ascorbijnzuur en V_B, werd ook onderzocht. De resultaten worden getoond in Fig. 1e, en de impact van deze chemicaliën op het seinstroom is marginaal. De stroomverandering veroorzaakt door 0,1 mM NaCl, dopamine, urinezuur, ascorbijnzuur en V_B, een typische concentratie van de interfererende chemicaliën in normaal serum, is slechts 0,76%, 2,77%, 6,03%, 0%, 2,51% en 0,63% van de stroomrespons op 2,5 mM glucose. Ten slotte toonde het werk een goede overeenstemming tussen de gemeten concentratie door de Ni-MoS₂/rGO-sensor en de gerapporteerde ziekenhuiswaarden, wat een groot potentieel van de sensoren voor praktische toepassingen toont.