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Biosensores de glucosa sin enzimas basados ​​en nanocompuestos MoS2

Resumen

Los biosensores de glucosa de alto rendimiento son muy deseados para el cuidado de la salud. Para satisfacer estas demandas, se ha prestado mucha atención a los biosensores de glucosa, en particular a los biosensores de glucosa sin enzimas. Los materiales bidimensionales, por ejemplo, el grafeno, con una gran superficie, excelentes propiedades eléctricas y buena biocompatibilidad, han sido el foco principal de la investigación de biosensores en la última década. Esta revisión presenta el progreso reciente realizado en biosensores de glucosa sin enzimas basados ​​en MoS 2 nanocomposites. Se introducen dos técnicas diferentes para la detección de glucosa, con énfasis en los biosensores electroquímicos de glucosa. Desafíos y perspectivas futuras de MoS 2 También se analizan los biosensores de glucosa nanocompuestos.

Introducción

La concentración de glucosa en la sangre humana es un importante indicador de salud. Por ejemplo, las personas sanas suelen tener un nivel de glucosa en sangre de entre 3,9 y 6,1 mM (1 mM =∼ 18 mg / dL), y las concentraciones de glucosa fuera de este rango pueden indicar disfunción renal, diabetes, etc. [1]. Impulsados ​​por la creciente demanda de atención médica, se han dedicado muchos esfuerzos a los biosensores enzimáticos de glucosa basados ​​en glucosa oxidasa (GO x ) desde el informe del electrodo enzimático de Updike y Hicks en 1967 [2]. A pesar de la simplicidad, eficiencia, alta sensibilidad y selectividad de los biosensores enzimáticos de glucosa, todavía no se pueden abordar de manera satisfactoria dos desafíos importantes, es decir, el alto costo y la inestabilidad. Esto se debe a que los sensores de glucosa enzimática utilizan enzimas, como GO x para detectar glucosa indirectamente, lo que a menudo implica catalizadores costosos y una construcción complicada del dispositivo y, por lo tanto, un costo relativamente alto [3, 4]. Además, enzimas como GO x son vulnerables a la temperatura, la humedad, el pH y los productos químicos no fisiológicos debido a su inestabilidad térmica y química intrínseca [5, 6]. La inmovilización de GO x en la superficie de un electrodo a menudo agrega otra capa de dificultad en la fabricación de sensores de glucosa enzimáticos con buena estabilidad y reproducibilidad [7, 8].

Gracias al desarrollo del Internet de las cosas, los sensores de bajo coste y alta fiabilidad han atraído cada vez más la atención. En la búsqueda de sensores de glucosa que satisfagan estas demandas, los biosensores electroquímicos sin enzimas han ganado popularidad debido a una serie de ventajas, que incluyen simplicidad, alta sensibilidad y estabilidad [9,10,11,12]. Los biosensores electroquímicos sin enzimas detectan directamente la glucosa mediante oxidación electrocatalítica, lo que evita el uso de enzimas costosas y mejora la estabilidad en condiciones ambientales. Se espera que estos biosensores abran nuevas oportunidades de incorporación con dispositivos portátiles y detección de glucosa en tiempo real [13]. La clave para realizar sensores de glucosa prácticos sin enzimas son los catalizadores económicos, fiables, biocompatibles y abundantes. Con este objetivo, los nanocompuestos, por ejemplo, compuestos de materiales bidimensionales y nanopartículas, se han adoptado ampliamente como materiales de electrodo biosensor [14]. En particular, la bioelectrónica basada en materiales bidimensionales (2D) se convierte en un campo interdisciplinario nuevo e interesante, debido a las muchas propiedades físicas y químicas únicas de los materiales 2D, que incluyen una gran superficie específica, una conductividad excelente y una síntesis fácil. Por ejemplo, la gran superficie específica de los materiales 2D permite una fácil funcionalización de la superficie a través de la hibridación. La alta conductividad permite una transferencia y recolección de carga eficiente en materiales 2D. Entre varios materiales 2D, el grafeno y sus derivados son sin duda el material más estudiado en biosensores [15]. Otro tipo de materiales 2D que ha sido ampliamente explorado en electrónica y optoelectrónica también muestran méritos de ser materiales bioelectrónicos. Dicalcogenuros de metales de transición (TMD), especialmente disulfuro de molibdeno (MoS 2 ), poseen ventajas similares de gran área de superficie específica, inercia química y funcionalidad de superficie. La intercalación de iones o moléculas extrañas en nanohojas de TMD se puede lograr fácilmente dada su estructura atómica única [16]. Una propiedad importante que hace que MoS 2 destacan bien de otros materiales 2D es su alta actividad catalítica surge de los bordes expuestos [13]. Sin embargo, la desventaja de MoS 2 también es bastante obvio. En comparación con el grafeno, 2D MoS 2 las láminas tienen una conductividad eléctrica mucho menor. Reapilamiento de MoS 2 nanosheets limita aún más la transferencia de carga, así como los sitios de reacción activos.

Se han realizado esfuerzos mínimos en sensores de glucosa sin enzimas basados ​​en 2D MoS 2 hasta los últimos años. El bajo rendimiento de MoS 2 Los dispositivos electroquímicos basados ​​en la tecnología se han manejado bien mediante el uso de varios métodos que resolvieron con éxito la baja conductividad intrínseca. Algunos MoS 2 Se ha informado de biosensores electroquímicos de glucosa basados ​​en el rendimiento con un rendimiento superior a sus homólogos de grafeno [17]. Además de los biosensores electroquímicos, también se han estudiado recientemente métodos no electroquímicos de bajo coste para 2D MoS 2 , aprovechando el progreso de MoS 2 fabricados en electrónica y optoelectrónica [18]. En esta revisión, resumimos los avances recientes en MoS 2 biosensores de glucosa basados ​​en Se presta especial atención a MoS 2 biosensores electroquímicos de glucosa, que se describen en el "MoS 2 basado en biosensores electroquímicos de glucosa Sección Nanocomposites ”. En "Detección de glucosa de alta sensibilidad con MoS 2 Transistores de efecto de campo ”, MoS 2 Se presentan brevemente los transistores de efecto de campo para la detección de glucosa. Finalmente, la conclusión y perspectivas futuras de MoS 2 Se presentan biosensores de glucosa nanocompuestos.

MoS basado en biosensor de glucosa electroquímico 2 Nanocomposites

Durante algunas décadas, los metales o las aleaciones han sido las principales opciones de catalizador para la oxidación electrocatalítica directa de la glucosa [19]. En la última década, los materiales bidimensionales con una gran superficie y propiedades químicas y físicas únicas abren nuevas oportunidades para muchos campos, incluidos la detección electroquímica, el almacenamiento de energía y la electrónica [20]. En términos de biodetección electroquímica, los nanocompuestos de diferentes materiales 2D y catalizadores muestran claras ventajas sobre los catalizadores tradicionales. El acoplamiento sinérgico entre estos materiales, a saber, los efectos sinérgicos, puede conducir a una mejora clara de la actividad catalítica [21]. Un buen número de estos nanocompuestos, en particular los basados ​​en grafeno o derivados del grafeno, se han desarrollado y aplicado a sensores de glucosa sin enzimas. MoS en capas 2 Se espera que posea ventajas similares, ya que comparte las propiedades materiales del grafeno. En particular, capa MoS 2 Las nanohojas poseen una gran cantidad de bordes que, al igual que las hojas de grafeno funcionalizado, actúan como sitios activos para reacciones catalíticas [22, 23].

De hecho, Huang et al. MoS sintetizado 2 nanoflores por un método hidrotermal [24]. Un electrodo de carbono vítreo modificado con MoS 2 Las nanoflores y los compuestos de nanopartículas de quitosano / Au mostraron una clara reducción del sobrepotencial para la oxidación del bisfenol A. El sensor nanocompuesto mostró una oxidación electrocatalítica eficiente de bisfenol A como lo demuestra el aumento significativo de la corriente en los voltamogramas cíclicos. Se obtiene un buen rango de detección lineal de 0,05 a 100 μM para la detección de bisfenol A. Además, se estima un límite de detección de 5 nM. Este trabajo demostró claramente la excelente actividad electrocatalítica y los efectos sinérgicos de Au / MoS 2 nanocomposites. Del mismo modo, MoS 2 Se han utilizado nanocompuestos a base de enzimas para la detección de glucosa sin enzimas. MoS 2 Las flores con una gran superficie se sintetizaron mediante un método hidrotermal utilizando bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) como tensioactivo [25]. La morfología de las microflores se puede controlar mediante el pH de la solución de reacción, la concentración de tensioactivo CTAB y la temperatura de recocido. El MoS 2 las microflores obtenidas a una temperatura de recocido de 500 ° C mostraron una buena calidad cristalina y, por lo tanto, una transferencia de carga mejorada. Curiosamente, las pruebas de detección de glucosa sin enzimas electroquímicas mostraron que el MoS 2 El electrodo de microflores sin ninguna funcionalización puede ofrecer una alta sensibilidad de 570,71 μA mM −1 cm −2 . Además, el sensor muestra un amplio rango de detección lineal de hasta 30 mM.

Los efectos sinérgicos de MoS 2 Los catalizadores dopados o hibridados con metales extraños, como Cu, Ni, Co y Fe, también son válidos para la catálisis electroquímica mejorada de glucosa. Huang y col. logró combinar las ventajas de la fuerte actividad electrocatalítica del cobre para la oxidación de la glucosa y la gran superficie y los sitios de borde activo de MoS 2 nanohojas [26]. Las nanopartículas de Cu decoraron MoS 2 Las nanoláminas mostraron actividad electrocatalítica hacia la oxidación de la glucosa. Una alta sensibilidad de 1055 μA mM −2 cm −2 y se ha informado de un rango de detección lineal de hasta 4 mM para Cu / MoS 2 Sensor de glucosa nanocompuesto. La sensibilidad casi duplicó el valor medido por el MoS 2 electrodo de microflores. El sensor también demostró una buena selectividad en la detección de glucosa frente al ácido úrico, ácido ascórbico y dopamina. La corriente de interferencia causada por estos productos químicos es solo alrededor del 2,1% al 5,2% de la de la glucosa, y un nivel de corriente de interferencia tan bajo puede considerarse insignificante a una concentración fisiológica.

Otro candidato atractivo es el níquel (Ni), que se ha estudiado extensamente para los híbridos de Ni / grafeno. Al igual que el Cu, el Ni también es un metal abundante en la tierra. La pareja redox de Ni 3+ / Ni 2+ ofrece una impresionante actividad catalítica en medios alcalinos. Por tanto, Huang et al. usó MoS 2 nanohoja como soporte del catalizador para inmovilizar nanopartículas de Ni [27]. MoS 2 nanohoja se sintetizó a partir de MoS 2 polvo en disolvente mixto de etanol / agua mediante exfoliación líquida. Las nanopartículas de Ni se redujeron en MoS 2 nanohoja calentando un MoS 2 solución de nanosheet-etilenglicol a 60 ° C durante 1 h después de una adición de NiCl 2 · 6H 2 O precursor y N 2 H 4 · H 2 Soluciones de O y NaOH. Se preparó un electrodo sensor de glucosa depositando Ni-MoS 2 híbrido en un electrodo de carbono vítreo. Voltamograma cíclico del Ni / MoS 2 El electrodo modificado con híbrido reveló claramente la oxidación de la glucosa con una corriente más alta que un electrodo de referencia modificado con Ni. La actividad electrocatalítica mejorada se atribuyó a sitios más activos en MoS 2 nanohojas, así como agregación reducida de nanopartículas de Ni en un soporte de material 2D. Los resultados amperométricos confirmaron un buen rango de detección lineal de hasta 4 mM, una alta sensibilidad de 1824 μA mM −1 cm −2 y un límite de detección bajo de 0,31 μM con una relación señal / ruido de 3 (S / N =3). Comparado con Cu / MoS 2 sensor de glucosa nanocompuesto, hay una mejora adicional en la sensibilidad al usar Ni / MoS 2 nanocomposites. También se descubrió que el impacto de las especies que interfieren, incluidas la dopamina, el ácido ascórbico y el ácido úrico, sobre la detección de glucosa es marginal. Más importante aún, el sensor mostró una buena reproducibilidad y una alta estabilidad. Se midió una reducción insignificante del 3,4% en la respuesta del sensor después de un almacenamiento a temperatura ambiente durante 4 semanas. Además, Anderson et al. informó un biosensor de glucosa no enzimático altamente sensible al incorporar nanopartículas de plata coloidal con MoS 2 [28]. La introducción de nanopartículas de Ag fue para abordar la mala conductividad intrínseca de MoS 2 . Una excelente sensibilidad de 9044,6 μA mM −1 cm −2 y se informó un límite de detección bajo de 0,03 µM. Sin embargo, el rango de detección lineal es solo de 1 mM.

Las actividades electrocatalíticas de MoS 2 se puede mejorar aún más hibridando con grafeno. La baja conductividad intrínseca de MoS 2 socava su alta actividad catalítica. El cargo se transfiere entre MoS 2 Los nanomateriales son lentos en reacciones electroquímicas o aplicaciones electrónicas generales. Por otro lado, el grafeno tiene una conductividad eléctrica superior y puede servir como una solución inmediata para ralentizar el transporte de electrones en MoS 2 nanomateriales [29]. Jeong y col. MoS 2 tridimensional (3D) fabricado / nanocompuestos de aerogel de grafeno mediante un método hidrotermal en un recipiente [13]. Aunque se han observado actividades electrocatalíticas mejoradas mediante el uso de la estructura porosa 3D en comparación con la muestra de referencia 2D, el uso de glucosa oxidasa complicó la fabricación y enfrentó los mismos problemas de los sensores enzimáticos. Geng y col. MoS sintetizado dopado con Ni 2 nanopartículas decoradas con óxido de grafeno reducido (Ni-MoS 2 / rGO) mediante un método fácil y escalable [30]. Como se muestra en la Fig. 1a, el óxido de grafeno sintetizado por el método de Hummers y Offeman se mezcló con CH 3 COOH y agua desionizada. La solución precursora de Ni-Mo se preparó agregando (NH 4 ) 2 MoS 4 y Ni (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O con diferentes proporciones molares en la solución de óxido de grafeno. El Ni-MoS 2 Se obtuvo una suspensión de rGO después de centrifugación y secado a 80ºC. El Ni-MoS 2 recolectado A continuación, se calcinó la suspensión de / rGO durante 4 ha 600 ° C en N 2 atmósfera. El Ni-MoS 2 obtenido Se utilizaron nanocompuestos / rGO para la detección de glucosa no enzimática. La Figura 1b muestra la respuesta amperométrica de un electrodo sensor modificado por Ni-MoS 2 / nanocomposites rGO a la sucesiva adición de solución de glucosa. Se observó un claro aumento de la corriente después de cada adición de glucosa. Además, el recuadro de la Fig. 1b muestra que el sensor era capaz de responder a una concentración de glucosa tan baja como 5 µM. La señal de corriente exacta en función de la concentración de glucosa se representa en la figura 1c, que muestra claramente un amplio rango de detección lineal del sensor, 0,005–8,2 mM, que cubre bien el nivel típico de glucosa en sangre humana. El límite de detección y sensibilidad calculado es de 256,6 μA mM −1 cm −2 y 2,7 ​​µM (S / N =3), respectivamente. Aunque la sensibilidad y el límite de detección del sensor son claramente más bajos que los anteriores, el rango de detección lineal está bien mejorado. El trabajo informó además una mejora en las tasas de transporte de electrones y la actividad electrocatalítica con un coeficiente de difusión de 1,83 × 10 −3 cm 2 s −1 y constantes de velocidad catalítica de 6.26 × 10 5 cm 3 mol −1 s −1 mediante el uso de Ni-MoS 2 / rGO compuestos. Como se muestra en la Fig. 1d, cuando el sensor se almacenó en condiciones secas, su respuesta actual a glucosa 1 mM permanece casi sin cambios durante 15 días, mostrando una buena estabilidad. La influencia de los químicos de interferencia comunes, NaCl, dopamina, ácido úrico, ácido ascórbico y V B , también fue examinado. Los resultados se muestran en la Fig. 1e, y el impacto de estos productos químicos en la corriente de señal es marginal. El cambio actual causado por 0,1 mM de NaCl, dopamina, ácido úrico, ácido ascórbico y V B , una concentración típica de las sustancias químicas de interferencia en suero normal, es solo 0,76%, 2,77%, 6,03%, 0%, 2,51% y 0,63% de la respuesta actual a la glucosa 2,5 mM. Finalmente, el trabajo demostró una buena correspondencia entre la concentración medida por el Ni-MoS 2 / rGO sensor y los valores hospitalarios informados, que muestran un gran potencial de los sensores para aplicaciones prácticas [30].

un Esquema de la síntesis de Ni-MoS 2 / rGO compuestos. b Respuesta amperométrica de un Ni-MoS 2 / Sensor rGO a la sucesiva adición de glucosa. c La corriente de respuesta extraída a diferentes concentraciones de glucosa. d Prueba de estabilidad del sensor mediante medición amperométrica durante 15 días. e Comparación de las respuestas amperométricas de glucosa 2,5 mM y sustancias químicas de interferencia 0,1 mM. Reimpreso de [25], Copyright 2017, con permiso de Elsevier

Una forma alternativa de mejorar la transferencia de carga en MoS 2 nanocomposites se hibridará con otro material de carbono altamente conductor y biocompatible, los nanotubos de carbono (CNT). Mientras tanto, de esta manera puede limitar el reapilamiento de MoS 2 nanomateriales, proporcionando así sitios de reacción más activos. Los CNT también se han sintetizado ampliamente en estructuras 3D y se han aplicado en el almacenamiento de energía, la recolección de energía, la detección, etc. [31, 32, 33]. Li y col. preparó un nanocomposites 3D de MoS 2 nanohojas hibridadas con nanopartículas de óxido de cobalto y CNT [34]. Las nanopartículas de óxido de cobalto se utilizaron para mejorar las actividades electrocatalíticas y los CNT para mejorar la conductividad. Método hidrotermal de un solo recipiente utilizado para sintetizar el Co-MoS 2 / Nanocomposites CNT se muestra brevemente en la Fig. 2a. Una mezcla de CNT, 0,1 mmol de Co (CH 3 COO) 2 4H 2 O, 1,35 mmol de Na 2 MoO 4 y se transfirieron 7,5 mmol de l-cisteína a un autoclave de acero inoxidable revestido de teflón y se mantuvo a 180ºC durante 24 h. A continuación, el producto se enfrió, se centrifugó y se lavó con agua desionizada y etanol absoluto. El Co-MoS 2 limpio Los nanocompuestos de CNT se secaron finalmente en un horno de vacío a 60 ° C durante 6 h. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) del Co-MoS 2 / Los nanocompuestos CNT se muestran en la Fig. 2b, c. Se observaron CNT agrupados en 3D típicos con diámetros de alrededor de 20 nm. La imagen TEM muestra claramente los CNT huecos adjuntos a MoS 2 nanohojas. Tal estructura sirve como una matriz altamente conductora para soportar MoS 2 nanohojas e inmovilizar nanopartículas de Co. Como el Co-MoS 2 densamente empaquetado / Los nanocompuestos de CNT no solo proporcionan una buena cantidad de bordes catalíticos activos, sino que también permiten una transferencia de carga eficiente durante las reacciones. Más importante aún, el Co-MoS 2 densamente empaquetado / Estructura CNT y el espaciado entre capas bastante grande de 0,65 nm para MoS 2 (mayor que el de 0,34 nm para CNT) suprime eficazmente el reapilamiento de MoS 2 / Compuesto CNT. Se llevaron a cabo mediciones típicas de voltametría cíclica y amperométrica para examinar el rendimiento del sensor sin enzimas hecho de Co-MoS 2 / Nanocomposites CNT. Las respuestas amperométricas de Co-MoS 2 / El electrodo sensor de CNT medido (a 0,65 V frente a Ag / AgCl) con la adición sucesiva de glucosa se muestra en la Fig. 2d. Se observó un claro incremento escalonado en la corriente de respuesta a la adición de glucosa. Se logró un buen rango de detección lineal de hasta 5,2 mM, como se muestra en las Figs. 2e. La sensibilidad calculada es 131,69 μA mM −1 cm −2 . A pesar de la sensibilidad relativamente baja, se obtuvo un límite de detección extremadamente bajo de 80 nM (S / N =3) de la Fig. 2f.

un Diagrama esquemático del conjunto hidrotermal de Co-MoS2 / CNTs. b SEM y c Imágenes TEM de los Co-MoS2 / CNT sintetizados. d Respuestas amperométricas del Co-MoS 2 / Sensor CNT para la sucesiva adición de glucosa. e La corriente de respuesta extraída a diferentes concentraciones de glucosa. f Curva amperométrica del Co-MoS 2 / Sensor CNT a glucosa 80 nM. Reimpreso de [29], Copyright 2019, con permiso de Elsevier

Al igual que los efectos sinérgicos mostrados por los híbridos de material metal-2D, las aleaciones bimetálicas y las nanoestructuras también han mostrado un rendimiento catalítico mejorado y un buen potencial para muchas aplicaciones, incluida la detección [35], la recolección de energía [36, 37], etc. Li et al. . nanopartículas bimetálicas de Au-Pd sintetizadas recientemente para la detección de glucosa y peróxido de hidrógeno no enzimático [5]. La fabricación de Au-Pd / MoS 2 El electrodo sensor se ilustra en la Fig. 3a. El MoS 2 Las nanoláminas se prepararon mediante exfoliación líquida. Las nanopartículas bimetálicas de Au-Pd se sintetizaron mediante reducción química. El Au-Pd / MoS 2 preparado Luego, los nanocomposites se depositaron en un electrodo de carbono vítreo para la detección química. Como se muestra en la Fig. 3b, se observaron buenos pasos de corriente con una adición sucesiva de glucosa. El rango de detección lineal medido como 0,5-20 mM está mucho más allá del nivel normal de glucosa en sangre humana (Fig. 3c). En lugar de utilizar nanopartículas bimetálicas convencionales que a menudo están hechas de metales costosos, Ma et al. diseñó un MoS 2 co-decorado con nanopartículas de oro y polipirrol (PPY) nanocompuesto [38]. También se espera que los híbridos de metal / polímero conductor mejoren el área superficial y la conductividad de un electrodo sensor. Además, el uso de polímeros conductores puede reducir aún más el coste de los sensores electroquímicos. El MoS 2 fabricado -PPY-Au / electrodo de carbón vítreo mostró una increíble baja detección de 0.08 nM, una selectividad casi libre de interferencias y una larga estabilidad durante 3 semanas. Sin embargo, la sensibilidad del sensor es de solo 37,35 μA · μM –1 · Cm –2 y el rango de detección es bastante limitado (0,1 a 80 nM).

un Ilustración de la síntesis de Au-Pd / MoS 2 nanocompuestos y ensamblaje en un electrodo de carbono vítreo para detección electroquímica no enzimática de H 2 O 2 y glucosa. b Respuestas amperométricas de Au-Pd / MoS 2 Sensor nanocompuesto para la sucesiva adición de glucosa. c La corriente de respuesta extraída a diferentes concentraciones de glucosa. Reimpreso de [5], Copyright 2017, con permiso de Elsevier

Además de los metales, también se han intentado los óxidos metálicos de alta actividad catalítica para mejorar la catálisis electroquímica. Aparte de sus altas actividades electrocatalíticas, el bajo costo de los óxidos metálicos es otra ventaja que no se puede exagerar para los sensores electroquímicos de bajo costo. Entre varios óxidos metálicos, Cu 2 Los nanomateriales O con diferentes morfologías son prometedores para la catálisis en diversas aplicaciones. Fang y col. se han estudiado MoS 2 decorado con Cu 2 O nanopartículas para la detección de glucosa no enzimática [39]. Las medidas amperométricas del Cu 2 O / MoS 2 El electrodo híbrido modificado muestra un buen rango lineal de 0,01 a 4 mM. El límite de detección extraído es de aproximadamente 1 μM. La sensibilidad se calculó hasta 3108,87 μA mM −1 cm −2 , que es superior a la mayoría de MoS 2 Sensores de glucosa no basados ​​en enzimas. Los resultados también indican un buen potencial de los óxidos metálicos para sensores de glucosa no enzimáticos de bajo costo. La comparación de los biosensores de glucosa sin enzimas basados ​​en MoS 2 Los nanocompuestos se presentan en la Tabla 1.

Detección de glucosa de alta sensibilidad con MoS 2 Transistores de efecto de campo

MoS 2 Los transistores de efecto de campo (FET) poseen una serie de ventajas, como una alta relación de corriente de conmutación, baja corriente de fuga, pequeña oscilación del subumbral y alta movilidad [41, 42]. Gracias a sus excelentes propiedades electrónicas y robustez mecánica, MoS 2 Los transistores son prometedores para dispositivos electrónicos portátiles, de bajo costo y de bajo consumo de energía [43, 44]. Biosensores, fotodetectores, sensores de gas y sus homólogos flexibles basados ​​en MoS 2 Se han informado recientemente transistores [45]. Las ventajas de MoS 2 los transistores hacen que estos sensores sean muy sensibles, de bajo consumo de energía, portátiles, etc. MoS 2 Se ha informado que los FET son varios sensores de humedad, H 2 O 2 , NO, NO 2 , NH 3 , ADN, etc. [46,47,48,49]. Shan y col. informó el primer MoS 2 -transistor de efecto de campo basado en la detección de glucosa [40]. Como se muestra en la Fig. 4a, un MoS 2 de puerta trasera FET se fabricó en un SiO 2 / Sustrato de Si. Los electrodos fuente y de drenaje se modelaron mediante fotolitografía y litografía con haz de electrones. Los contactos de Au / Ni (70 nm / 10 nm) se depositaron por evaporación. Cabe señalar que el MoS 2 El material del canal de aproximadamente 2 µm x 3 µm se exfolió mecánicamente y se transfirió a los electrodos prediseñados, como se muestra en la Fig. 4b. El transistor fabricado se colocó en una celda de muestra y se probó.

un Esquema del MoS 2 con puerta trasera transistor. b Imagen de microscopía óptica del MoS 2 canal de material entre la fuente y los electrodos de drenaje. c Las respuestas actuales en tiempo real a diferentes concentraciones de glucosa. d La respuesta actual I ds del MoS 2 FET en función de las concentraciones de glucosa, de 0 a 30 mM. El recuadro muestra la corriente de respuesta extraída para concentraciones de glucosa más bajas, de 0 a 1,0 μM. Reimpreso bajo CC BY-NC 3.0 de [44]

El I medido ds - V ds las curvas con diferentes concentraciones de soluciones de glucosa mostraron claramente aumentos de la corriente fuente-drenaje con el aumento de la concentración de glucosa. Cabe señalar que GO x se añadió enzima a la concentración de glucosa. Por lo tanto, la detección no está completamente libre de enzimas. La corriente mejorada del canal al aumentar la concentración de glucosa se atribuyó a la oxidación enzimática de la glucosa. Los electrones producidos a partir de la reacción se transfirieron al MoS 2 de tipo n canal y por lo tanto aumentó su conductividad. Para ilustrar la respuesta del sensor a la glucosa, el I en tiempo real ds La medición se llevó a cabo con la adición sucesiva de diferentes concentraciones de glucosa, como se muestra en la Fig. 4c. Las medidas se iniciaron con una solución de PBS puro y una solución de mayor concentración con 1 mM más de glucosa colocada a la anterior cada minuto. La respuesta de la corriente fuente-drenaje a diferentes concentraciones de glucosa se representa en la figura 4d. Claramente, el MoS 2 El sensor FET muestra un rango lineal muy grande para la detección de glucosa, hasta 30 mM. Las pruebas se repitieron para una concentración baja de soluciones de glucosa para probar el límite de detección y la sensibilidad del MoS 2 Sensor FET. Como se muestra en el recuadro de la Fig. 4d, el sensor puede detectar claramente la presencia de glucosa con una concentración tan baja como 300 nM. La sensibilidad del MoS 2 El biosensor de glucosa FET se calcula en 260,75 mA mM −1 . Además de la alta sensibilidad y los bajos límites de detección, el dispositivo también mostró una alta estabilidad hasta por 45 días. Sin embargo, el dispositivo actual debe incluir la adición de GO x enzima en la solución de glucosa bajo prueba, lo que la hace menos práctica para aplicaciones portátiles.

Conclusión y perspectivas

Esta mini revisión presenta los esfuerzos recientes realizados para desarrollar MoS 2 basado en biosensores sin enzimas nanocomposites. Todas estas publicaciones presentaron medios fáciles y de bajo costo para los sensores de glucosa de alto rendimiento, en términos de sensibilidad, rango de detección lineal y límite de detección. Sin duda, estos estudios abren nuevas oportunidades hacia sensores de glucosa sensibles y de bajo costo. Los avances dependen en gran medida de los avances recientes en la síntesis de nuevos nanocompuestos de materiales 2D, nanomateriales metálicos y nanopartículas de óxido catalítico. Se puede esperar que se inviertan más esfuerzos en esta dirección, y la experiencia acumulada es muy beneficiosa para futuros estudios sobre materiales relacionados para aplicaciones de detección.

Sin embargo, al mismo tiempo, uno debe darse cuenta de que todavía se requieren muchos esfuerzos para aplicaciones clínicas o prácticas de cualquier otra índole. La estabilidad y reproducibilidad de estos dispositivos aún no se han mejorado. Hasta ahora se ha utilizado un tiempo de almacenamiento limitado o en condiciones secas. En segundo lugar, los métodos de síntesis química son fáciles y de bajo costo, pero no está claro si los métodos son escalables. Se pueden utilizar nuevas técnicas, como la impresión por chorro de tinta, para la fabricación repetible de sensores a gran escala. Aunque MoS 2 Los sensores electroquímicos basados ​​en tecnología muestran un rendimiento competitivo en comparación con sus homólogos basados ​​en material de carbono, las ventajas, por ejemplo, los sitios de borde catalítico de MoS 2 , no son sustanciales. Claramente, hay mucho espacio para aprovechar realmente las propiedades únicas de MoS 2 para mejoras adicionales en la detección de glucosa no enzimática. Además, el desarrollo de MoS 2 flexible basado en biosensores de glucosa Los nanocompuestos son importantes para la detección flexible en la atención médica y deberían ser más competitivos en el mercado, que seguramente se convertirá en un punto de acceso para la investigación en el futuro.

Finalmente, MoS 2 Los sensores basados ​​en FET muestran un rendimiento excelente en la detección de glucosa. Dado el desarrollo reciente de MoS 2 FET, esta dirección parece muy prometedora en el desarrollo de sensores de glucosa de bajo costo y otros tipos de sensores químicos. Cabe recalcar que el trabajo actual informó sobre MoS 2 Los sensores de glucosa FET solo funcionaban para GO x -Solución de glucosa dopada. El trabajo futuro debe encontrar alternativas para evitar el uso de GO x para una implementación más práctica de MoS 2 Sensores de glucosa FET.

Disponibilidad de datos y materiales

No aplica.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

3D:

Tridimensional

CNT:

Nanotubos de carbono

CTAB:

Bromuro de cetiltrimetilamonio

FET:

Transistores de efecto de campo

GO x :

Glucosa oxidasa

Iniciales:

Nombre completo

MoS 2 :

Disulfuro de molibdeno

Ni:

Níquel

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

TMD:

Dicalcogenuros de metales de transición


Nanomateriales

  1. Nano grafema, memoria transparente flexible basada en silicio
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  6. Detección de glucosa electroquímica no enzimática sensible basada en NiO poroso hueco
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