Biosensores de glucosa sin enzimas basados en nanocompuestos de MoS₂: Un enfoque de vanguardia

Resumen

Los biosensores de glucosa de alto rendimiento son muy demandados para la atención sanitaria. Para satisfacer estas demandas, los biosensores de glucosa, particularmente los biosensores de glucosa sin enzimas, han recibido mucha atención. Los materiales bidimensionales, como el grafeno, con gran área superficial, excelentes propiedades eléctricas y buena biocompatibilidad, han sido el foco principal de la investigación en biosensores en la última década. Esta revisión presenta los avances recientes en biosensores de glucosa sin enzimas basados en nanocompuestos de MoS₂. Se introducen dos técnicas diferentes para la detección de glucosa, con énfasis en biosensores electroquímicos de glucosa. También se discuten los desafíos y perspectivas futuras de los biosensores de glucosa basados en nanocompuestos de MoS₂.

Introducción

La concentración de glucosa en la sangre humana es un indicador de salud importante. Por ejemplo, las personas sanas suelen tener un nivel de glucosa en sangre alrededor de 3.9-6.1 mM (1 mM = ~18 mg/dL), y concentraciones fuera de este rango pueden indicar disfunción renal, diabetes, etc. [1]. Impulsados por la demanda creciente de atención sanitaria, muchos esfuerzos se han dedicado a biosensores de glucosa enzimáticos basados en glucosa oxidasa (GO_x) desde el reporte del electrodo enzimático por Updike y Hicks en 1967 [2]. A pesar de la simplicidad, eficiencia, alta sensibilidad y selectividad de los biosensores de glucosa enzimáticos, dos grandes desafíos, es decir, alto costo e inestabilidad, aún no se han abordado satisfactoriamente. Esto se debe a que los sensores de glucosa enzimáticos usan enzimas, como GO_x, para detectar glucosa indirectamente, lo que a menudo implica catalizadores costosos y construcción de dispositivos complicada, y por tanto, costo relativamente alto [3, 4]. Además, enzimas como GO_x son vulnerables a temperatura, humedad, pH y químicos no fisiológicos debido a su inestabilidad térmica y química intrínseca [5, 6]. La inmovilización de GO_x en una superficie de electrodo a menudo añade 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, sensores de bajo costo y alta fiabilidad han atraído cada vez más atención. En la búsqueda de sensores de glucosa que cumplan estas demandas, los biosensores electroquímicos sin enzimas han ganado popularidad debido a varias ventajas, incluyendo 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 para su incorporación con dispositivos portátiles y detección de glucosa en tiempo real [13]. La clave para realizar sensores de glucosa sin enzimas prácticos son catalizadores económicos, fiables, biocompatibles y abundantes. Para este objetivo, los nanocompuestos, por ejemplo, compuestos de materiales bidimensionales y nanopartículas, han sido ampliamente adoptados como materiales de electrodo de biosensores [14]. En particular, la bioelectrónica basada en materiales bidimensionales (2D) se convierte en un nuevo campo interdisciplinario emocionante, debido a muchas propiedades físicas y químicas únicas de los materiales 2D, incluyendo gran área superficial específica, excelente conductividad y síntesis facil. Por ejemplo, la gran área superficial específica de los materiales 2D permite fácil funcionalización de superficie vía hibridación. La alta conductividad permite transferencia y recolección de carga eficientes 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 se ha explorado ampliamente en electrónica y optoelectrónica también muestra méritos como materiales de bioelectrónica. Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD), especialmente el disulfuro de molibdeno (MoS₂), poseen ventajas similares de gran área superficial específica, inercia química y funcionalidad de superficie. La intercalación de iones o moléculas extrañas en nanoestructuras de TMD puede lograrse fácilmente dada su estructura atómica única [16]. Una propiedad importante que hace que MoS₂ destaque de otros materiales 2D es su alta actividad catalítica que surge de los bordes expuestos [13]. Sin embargo, la desventaja de MoS₂ también es bastante obvia. Comparado con grafeno, las láminas 2D de MoS₂ tienen conductividad eléctrica mucho menor. El re-apilamiento de nanoestructuras de MoS₂ limita aún más la transferencia de carga y los sitios de reacción activos.

Se han hecho esfuerzos marginales en sensores de glucosa sin enzimas basados en MoS₂ 2D hasta años muy recientes. El bajo rendimiento de dispositivos electroquímicos basados en MoS₂ se ha abordado bien mediante varios métodos que resolvieron exitosamente la baja conductividad intrínseca. Se han reportado algunos biosensores electroquímicos de glucosa basados en MoS₂ con rendimiento superior a sus contrapartes de grafeno [17]. Además de biosensores electroquímicos, métodos no electroquímicos de bajo costo también se han estudiado recientemente para MoS₂ 2D, aprovechando el progreso de MoS₂ en electrónica y optoelectrónica [18]. En esta revisión, resumimos los avances recientes en biosensores de glucosa basados en MoS₂. Se presta especial atención a biosensores electroquímicos de glucosa basados en MoS₂, descritos en la sección "Biosensores electroquímicos de glucosa basados en nanocompuestos de MoS₂". En la sección "Detección de glucosa de alta sensibilidad usando transistores de efecto de campo de MoS₂", se introducen brevemente transistores de efecto de campo de MoS₂ para detección de glucosa. Finalmente, se presentan la conclusión y perspectivas futuras de biosensores de glucosa basados en nanocompuestos de MoS₂.

Biosensores electroquímicos de glucosa basados en nanocompuestos de MoS₂

Durante décadas, metales o aleaciones han sido las principales opciones de catalizador para la oxidación electrocatalítica directa de glucosa [19]. En la última década, materiales bidimensionales con gran área superficial y propiedades químicas y físicas únicas abren nuevas oportunidades para muchos campos incluyendo detección electroquímica, almacenamiento de energía y electrónica [20]. En términos de biosensores electroquímicos, los nanocompuestos de diferentes materiales 2D y catalizadores muestran ventajas claras sobre catalizadores tradicionales. El acoplamiento sinérgico entre estos materiales, es decir, efectos sinérgicos, puede llevar a una mejora distintiva en la actividad catalítica [21]. Un buen número de tales nanocompuestos, particularmente aquellos basados en grafeno o derivados del grafeno, han sido desarrollados y aplicados a sensores de glucosa sin enzimas. Se espera que el MoS₂ en capas posea ventajas similares ya que comparte propiedades materiales del grafeno. Particularmente, las nanoestructuras de MoS₂ en capas poseen un gran número de bordes, que, similar a láminas de grafeno funcionalizadas, actúan como sitios activos para reacciones catalíticas [22, 23].

En efecto, Huang et al. sintetizaron nanoflores de MoS₂ por método hidrotérmico [24]. Un electrodo de carbono vítreo modificado con nanoflores de MoS₂ y compuestos de quitosano/nanopartículas de Au mostró reducción distintiva de sobrepotencial para oxidación de bisfenol A. El sensor nanocompuesto mostró una oxidación electrocatalítica eficiente de bisfenol A evidenciada por el aumento significativo de corriente en voltametrías cíclicas. Se obtuvo un buen rango de detección lineal de 0.05 a 100 μM para detección de bisfenol A. Además, se estimó un límite de detección muy bajo de 5 nM. Este trabajo demostró claramente la excelente actividad electrocatalítica y efectos sinérgicos de nanocompuestos Au/MoS₂. De manera similar, nanocompuestos basados en MoS₂ se han usado para detección de glucosa sin enzimas. Microflores de MoS₂ con gran área superficial se sintetizaron por método hidrotérmico usando bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB) como surfactante [25]. La morfología de las microflores puede controlarse por el pH de la solución de reacción, concentración de surfactante CTAB y temperatura de recocido. Las microflores de MoS₂ obtenidas a temperatura de recocido de 500 °C mostraron buena calidad cristalina y por tanto mejor transferencia de carga. Curiosamente, pruebas electroquímicas de detección de glucosa sin enzimas mostraron que el electrodo de microflor de MoS₂ sin ninguna funcionalización puede ofrecer 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 catalizadores de MoS₂ dopados o hibridados por metales extraños, como Cu, Ni, Co y Fe, también son ciertos para catálisis electroquímica mejorada de glucosa. Huang et al. lograron combinar las ventajas de la fuerte actividad electrocatalítica del cobre para oxidación de glucosa y la gran área superficial y sitios de borde activos de nanoestructuras de MoS₂ [26]. Las nanopartículas de Cu decoradas en nanoestructuras de MoS₂ mostraron actividad electrocatalítica hacia oxidación de glucosa. Se reportaron alta sensibilidad de 1055 μA mM⁻² cm⁻² y rango de detección lineal de hasta 4 mM para el sensor de glucosa nanocompuesto Cu/MoS₂. La sensibilidad casi duplicó el valor medido del electrodo de microflor de MoS₂. El sensor también demostró buena selectividad detectando glucosa frente a ácido úrico, ácido ascórbico y dopamina. La corriente de interferencia causada por estos químicos es solo alrededor de 2.1-5.2% de la de glucosa, y un nivel tan bajo de corriente de interferencia puede considerarse despreciable a concentración fisiológica.

Otro candidato atractivo es el níquel (Ni), que se ha estudiado extensamente para híbridos Ni/grafeno. Similar al Cu, el Ni también es un metal abundante en la tierra. La pareja redox Ni³⁺/Ni²⁺ ofrece una actividad catalítica impresionante en medios alcalinos. Por tanto, Huang et al. usaron nanoestructura de MoS₂ como soporte de catalizador para inmovilizar nanopartículas de Ni [27]. La nanoestructura de MoS₂ se sintetizó a partir de polvo de MoS₂ en solvente mezclado etanol/agua vía exfoliación líquida. Las nanopartículas de Ni se redujeron en nanoestructura de MoS₂ calentando una solución de nanoestructura de MoS₂-glicol etileno a 60 °C durante 1 h tras adición de precursor NiCl₂·6H₂O y soluciones de N₂H₄·H₂O y NaOH. Un electrodo de sensor de glucosa se preparó depositando híbrido Ni-MoS₂ en electrodo de carbono vítreo. El voltametrismo cíclico del electrodo modificado con híbrido Ni/MoS₂ reveló claramente oxidación de glucosa con corriente mayor que electrodo de referencia modificado con Ni. La actividad electrocatalítica mejorada se atribuyó a más sitios activos en nanoestructuras de MoS₂ y reducida agregación de nanopartículas de Ni en soporte de material 2D. Los resultados amperométricos confirmaron buen rango de detección lineal hasta 4 mM, alta sensibilidad de 1824 μA mM⁻¹ cm⁻², y bajo límite de detección de 0.31 μM a relación señal/ruido de 3 (S/N = 3). Comparado con el sensor de glucosa nanocompuesto Cu/MoS₂, hay mejora adicional en sensibilidad usando nanocompuestos Ni/MoS₂. El impacto de especies interferentes, incluyendo dopamina, ácido ascórbico y ácido úrico, en detección de glucosa también se encontró marginal. Más importante, el sensor mostró buena reproducibilidad y alta estabilidad. Una reducción despreciable del 3.4% en la respuesta del sensor se midió tras almacenamiento ambiental por 4 semanas. Además, Anderson et al. reportaron un biosensor de glucosa no enzimático altamente sensible incorporando nanopartículas de plata coloidal con MoS₂ [28]. La introducción de nanopartículas de Ag fue para abordar la pobre conductividad intrínseca de MoS₂. Se reportaron excelente sensibilidad de 9044.6 μA mM⁻¹ cm⁻² y bajo límite de detección de 0.03 μM. Sin embargo, el rango de detección lineal es solo hasta 1 mM.

Las actividades electrocatalíticas de MoS₂ pueden mejorarse aún más hibridando con grafeno. La baja conductividad intrínseca de MoS₂ socava su alta actividad catalítica. Las transferencias de carga entre nanomateriales de MoS₂ son lentas en reacciones electroquímicas o aplicaciones electrónicas generales. Por otro lado, el grafeno tiene conductividad eléctrica superior y puede servir como solución inmediata al transporte lento de electrones en nanomateriales de MoS₂ [29]. Jeong et al. fabricaron nanocompuestos aerogel 3D de MoS₂/grafeno por método hidrotérmico one-pot [13]. Aunque se observaron actividades electrocatalíticas mejoradas usando la estructura porosa 3D comparada con muestra de referencia 2D, el uso de glucosa oxidasa complicó la fabricación y enfrentó los mismos problemas de sensores enzimáticos. Geng et al. sintetizaron nanopartículas de Ni-doped MoS₂ decoradas en óxido de grafeno reducido (Ni-MoS₂/rGO) por método facil y escalable [30]. Como se muestra en Fig. 1a, óxido de grafeno sintetizado por método Hummers y Offeman se mezcló con CH₃COOH y agua desionizada. Solución precursora Ni-Mo se preparó añadiendo (NH₄)₂MoS₄ y Ni(CH₃COO)₂·4H₂O con diferentes ratios molares en la solución de óxido de grafeno. La suspensión Ni-MoS₂/rGO se obtuvo tras centrifugado y secado a 80 °C. La suspensión Ni-MoS₂/rGO colectada se calcinó luego por 4 h a 600 °C en atmósfera de N₂. Los nanocompuestos Ni-MoS₂/rGO obtenidos se usaron para detección de glucosa no enzimática. La Fig. 1b muestra la respuesta amperométrica de un electrodo de sensor modificado por nanocompuestos Ni-MoS₂/rGO a adición sucesiva de solución de glucosa. Se observó un aumento claro de corriente tras cada adición de glucosa. Además, el recuadro en Fig. 1b muestra que el sensor era capaz de responder a concentración de glucosa tan baja como 5 μM. La señal de corriente extraída en función de concentración de glucosa se grafica en Fig. 1c, que muestra claramente un amplio rango de detección lineal del sensor, 0.005-8.2 mM, cubriendo bien el nivel típico de glucosa en sangre humana. La sensibilidad y límite de detección calculados son 256.6 μA mM⁻¹ cm⁻² y 2.7 μM (S/N = 3), respectivamente. Aunque la sensibilidad y límite de detección del sensor son distintamente menores que los anteriores, el rango de detección lineal está bien mejorado. El trabajo reportó además tasas de transporte de electrones mejoradas y actividad electrocatalítica con coeficiente de difusión de 1.83 × 10⁻³ cm²s⁻¹ y constantes de velocidad catalítica de 6.26 × 10⁵ cm³mol⁻¹ s⁻¹ usando compuestos Ni-MoS₂/rGO. Como se muestra en Fig. 1d, cuando el sensor se almacenó en condiciones secas, su respuesta de corriente a 1 mM glucosa permanece casi inalterada por 15 días, mostrando buena estabilidad. La influencia de químicos de interferencia comunes, NaCl, dopamina, ácido úrico, ácido ascórbico y V_B, también se examinó. Los resultados se muestran en Fig. 1e, y el impacto de estos químicos en corriente de señal es marginal. El cambio de corriente causado por 0.1 mM de NaCl, dopamina, ácido úrico, ácido ascórbico y V_B, una concentración típica de químicos de interferencia en suero normal, es solo 0.76%, 2.77%, 6.03%, 0%, 2.51% y 0.63% de la respuesta de corriente a 2.5 mM glucosa. Finalmente, el trabajo demostró buena concordancia entre la concentración medida por el sensor Ni-MoS₂/rGO y los valores hospitalarios reportados, mostrando gran potencial de los sensores para aplicaciones prácticas [30].

a Esquema de la síntesis de compuestos Ni-MoS₂/rGO. b Respuesta amperométrica de un sensor Ni-MoS₂/rGO a adición sucesiva de glucosa. c La corriente de respuesta extraída a diferentes concentraciones de glucosa. d Prueba de estabilidad del sensor por medición amperométrica por 15 días. e Comparación de respuestas amperométricas de 2.5 mM glucosa y 0.1 mM químicos de interferencia. Reimpreso de [25], Copyright 2017, con permiso de Elsevier

Una forma alternativa de mejorar la transferencia de carga en nanocompuestos de MoS₂ es hibridar con otro material de carbono altamente conductor y biocompatible, nanotubos de carbono (CNTs). Mientras tanto, esta forma puede limitar bien el re-apilamiento de nanomateriales de MoS₂, proporcionando más sitios de reacción activos. Los CNTs también se han sintetizado ampliamente en estructuras 3D y aplicado en almacenamiento de energía, cosecha de energía, detección, etc. [31,32,33]. Li et al. prepararon nanocompuestos 3D de nanoestructuras de MoS₂ hibridadas con nanopartículas de óxido de cobalto y CNTs [34]. Las nanopartículas de óxido de cobalto se usaron para mejorar actividades electrocatalíticas y los CNTs para mejorar conductividad. El método hidrotérmico one-pot usado para sintetizar nanocompuestos Co-MoS₂/CNT se muestra brevemente en Fig. 2a. Una mezcla de CNTs, 0.1 mmol Co(CH₃COO)₂ 4H₂O, 1.35 mmol Na₂MoO₄, y 7.5 mmol l-cisteína se transfirió en autoclave de acero inoxidable revestido de Teflon y se mantuvo a 180 °C por 24 h. El producto se enfrió, centrifugó y enjuagó con agua desionizada y etanol absoluto. Los nanocompuestos Co-MoS₂/CNT limpios se secaron finalmente en horno de vacío a 60 °C por 6 h. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) de los nanocompuestos Co-MoS₂/CNT se muestran en Fig. 2b, c. Se observaron CNTs empaquetados 3D típicos con diámetros alrededor de 20 nm. La imagen TEM muestra claramente CNTs huecos unidos a nanoestructuras de MoS₂. Tal estructura sirve como matriz altamente conductora para soportar nanoestructuras de MoS₂ e inmovilizar nanopartículas de Co. Tales nanocompuestos Co-MoS₂/CNT densamente empaquetados no solo proporcionan buena cantidad de bordes catalíticos activos sino que también permiten transferencia de carga eficiente durante reacciones. Más importante, la estructura densamente empaquetada Co-MoS₂/CNT y el espaciamiento intercapas bastante grande de 0.65 nm para MoS₂ (mayor que 0.34 nm para CNTs) suprimen efectivamente el re-apilamiento de compuesto MoS₂/CNT. Mediciones típicas de voltametría cíclica y amperométrica se realizaron para examinar el rendimiento del sensor sin enzimas hecho de nanocompuestos Co-MoS₂/CNT. Las respuestas amperométricas del electrodo sensor Co-MoS₂/CNT medidas (a 0.65 V vs. Ag/AgCl) con adición sucesiva de glucosa se muestran en Fig. 2d. Se observó un aumento escalonado distinto en corriente de respuesta a adición de glucosa. Se logró buen rango de detección lineal hasta 5.2 mM, como se muestra en 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 Fig. 2f.

a Diagrama esquemático del ensamblaje hidrotérmico de Co-MoS₂/CNTs. b SEM y c imágenes TEM de los Co-MoS₂/CNTs sintetizados. d Respuestas amperométricas del sensor Co-MoS₂/CNT a adición sucesiva de glucosa. e La corriente de respuesta extraída a diferentes concentraciones de glucosa. f Curva amperométrica del sensor Co-MoS₂/CNT a 80 nM glucosa. Reimpreso de [29], Copyright 2019, con permiso de Elsevier

Similar a los efectos sinérgicos mostrados por híbridos metal-material 2D, aleaciones bimetálicas y nanoestructuras también han mostrado rendimiento catalítico mejorado y buen potencial para muchas aplicaciones, incluyendo detección [35], cosecha de energía [36, 37], etc. Li et al. sintetizaron recientemente nanopartículas bimetálicas Au-Pd para detección no enzimática de peróxido de hidrógeno y glucosa [5]. La fabricación del electrodo sensor Au-Pd/MoS₂ se ilustra en Fig. 3a. Las nanoestructuras de MoS₂ se prepararon por exfoliación líquida. Las nanopartículas bimetálicas Au-Pd se sintetizaron por reducción química. Los nanocompuestos Au-Pd/MoS₂ preparados se depositaron luego en electrodo de carbono vítreo para detección química. Como se muestra en Fig. 3b, se observaron buenos escalones de corriente con adición sucesiva de glucosa. El rango de detección lineal medido como 0.5-20 mM está bien más allá del nivel normal de glucosa en sangre humana (Fig. 3c). En lugar de usar nanopartículas bimetálicas convencionales que a menudo se hacen de metales costosos, Ma et al. diseñaron un nanocompuesto de MoS₂ co-decorado con nanopartículas de oro-polipirrol (PPY) [38]. Los híbridos metal/polímero conductor también se espera que mejoren el área superficial y conductividad de un electrodo de sensor. Además, el uso de polímeros conductores puede reducir aún más el costo de sensores electroquímicos. El electrodo MoS₂-PPY-Au/carbono vítreo fabricado mostró una detección increíblemente baja de 0.08 nM, selectividad casi libre de interferencias y estabilidad larga por más de 3 semanas. Sin embargo, la sensibilidad del sensor es solo 37.35 μA·μM⁻¹·cm⁻² y el rango de detección es bastante limitado (0.1-80 nM).

a Ilustración de la síntesis de nanocompuestos Au-Pd/MoS₂ y ensamblaje en electrodo de carbono vítreo para detección electroquímica no enzimática de H₂O₂ y glucosa. b Respuestas amperométricas del sensor nanocompuesto Au-Pd/MoS₂ a adición sucesiva de glucosa. c La corriente de respuesta extraída a diferentes concentraciones de glucosa. Reimpreso de [5], Copyright 2017, con permiso de Elsevier

Además de metales, óxidos metálicos de altas actividades catalíticas también se han intentado para catálisis electroquímica mejorada. Además de su alta actividad electrocatalítica, el bajo costo de óxidos metálicos es otra ventaja que no puede subestimarse para sensores electroquímicos de bajo costo. Entre varios óxidos metálicos, nanomateriales de Cu₂O con diferentes morfologías son prometedores para catálisis en varias aplicaciones. Fang et al. han estudiado MoS₂ decorado con nanopartículas de Cu₂O para detección de glucosa sin enzimas [39]. Las mediciones amperométricas del electrodo modificado con híbrido Cu₂O/MoS₂ muestran buen rango lineal de 0.01 a 4 mM. El límite de detección extraído es alrededor de 1 μM. La sensibilidad se calculó tan alta como 3108.87 μA mM⁻¹ cm⁻², que es mayor que la mayoría de sensores de glucosa no enzimáticos basados en MoS₂. Los resultados también indican buen potencial de óxidos metálicos para sensores de glucosa no enzimáticos de bajo costo. La comparación de biosensores de glucosa sin enzimas basados en nanocompuestos de MoS₂ se presenta en Tabla 1.

Detección de glucosa de alta sensibilidad usando transistores de efecto de campo de MoS₂

Los transistores de efecto de campo (FETs) de MoS₂ poseen varias ventajas, como alta relación de corriente de conmutación, baja corriente de fuga, swing subumbral pequeño y alta movilidad [41, 42]. Gracias a sus excelentes propiedades electrónicas y robustez mecánica, los transistores de MoS₂ muestran buena promesa para electrónica de baja energía, bajo costo y wearable [43, 44]. Biosensores, fotodetectores, sensores de gas y sus contrapartes flexibles basados en transistores de MoS₂ se han reportado recientemente [45]. Las ventajas de transistores de MoS₂ hacen que estos sensores sean altamente sensibles, bajo consumo de energía, portátiles, etc. Se han reportado FETs de MoS₂ como varios sensores para humedad, H₂O₂, NO, NO₂, NH₃, DNA, etc. [46,47,48,49]. Shan et al. reportaron el primer transistor de efecto de campo basado en MoS₂ para detección de glucosa [40]. Como se muestra en Fig. 4a, un FET de MoS₂ con compuerta trasera se fabricó en sustrato SiO₂/Si. Los electrodos de fuente y drenaje se patternaron por fotolitografía y litografía de haz de electrones. Contactos Au/Ni (70 nm/10 nm) se depositaron por evaporación. Debe notarse que el material de canal MoS₂ de aproximadamente 2 μm × 3 μm fue exfoliado mecánicamente y transferido a electrodos pre-patternados, como se muestra en Fig. 4b. El transistor fabricado se colocó en una celda de muestra y se probó.

a Esquema del transistor de MoS₂ con compuerta trasera. b Imagen de microscopía óptica del material de canal MoS₂ entre electrodos de fuente y drenaje. c Respuestas de corriente en tiempo real a diferentes concentraciones de glucosa. d La corriente de respuesta I_ds del FET de MoS₂ en función de 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]

Las curvas I_ds-V_ds medidas con diferentes concentraciones de soluciones de glucosa mostraron claramente aumentos de corriente fuente-drenaje con aumento de concentración de glucosa. Debe notarse que se añadió enzima GO_x a la concentración de glucosa. Por tanto, la detección no es completamente sin enzimas. El aumento de corriente de canal al incrementar concentración de glucosa se atribuyó a la oxidación enzimática de glucosa. Los electrones producidos de la reacción se transfirieron al canal MoS₂ tipo n y por tanto aumentaron su conductividad. Para ilustrar la respuesta del sensor a glucosa, se realizó medición I_ds en tiempo real con adición sucesiva de diferentes concentraciones de glucosa, como se muestra en Fig. 4c. Las mediciones comenzaron con solución PBS pura y una solución de mayor concentración con 1 mM más glucosa colocada cada minuto. La respuesta de corriente fuente-drenaje a diferentes concentraciones de glucosa se grafica en Fig. 4d. Claramente, el sensor FET de MoS₂ muestra un rango lineal muy grande para detección de glucosa, hasta 30 mM. Las pruebas se repitieron para baja concentración de soluciones de glucosa para sondear límite de detección y sensibilidad del sensor FET de MoS₂. Como se muestra en el recuadro de Fig. 4d, el sensor puede detectar claramente la presencia de glucosa con concentración tan baja como 300 nM. La sensibilidad del biosensor de glucosa FET de MoS₂ se calcula en 260.75 mA mM⁻¹. Además de alta sensibilidad y bajos límites de detección, el dispositivo también mostró alta estabilidad por hasta 45 días. Sin embargo, el dispositivo actual tiene que involucrar la adición de enzima GO_x en la solución de glucosa bajo prueba, lo que lo hace menos práctico para aplicaciones portátiles.

Conclusión y Perspectivas

Esta mini-revisión presenta los esfuerzos recientes hacia el desarrollo de biosensores sin enzimas basados en nanocompuestos de MoS₂. Estas publicaciones presentaron medios facil y de bajo costo para sensores de glucosa de alto rendimiento, en términos de sensibilidad, rango de detección lineal y límite de detección. Estos estudios sin duda abren nuevas oportunidades hacia sensores de glucosa de bajo costo y sensibles. Los avances dependen en gran medida del progreso reciente en síntesis de nanocompuestos novedosos de materiales 2D, nanomateriales metálicos y nanopartículas de óxidos catalíticos. Se puede esperar que más esfuerzos se inviertan en esta dirección, y la experiencia acumulada es altamente beneficiosa para futuros estudios en materiales relacionados para aplicaciones de detección.

Sin embargo, al mismo tiempo, uno debe darse cuenta de que muchos esfuerzos aún son requeridos para aplicaciones clínicas o cualquier otra práctica. La estabilidad y reproducibilidad de estos dispositivos aún deben mejorarse. Hasta ahora se usaron tiempo de almacenamiento limitado o condiciones secas. En segundo lugar, los métodos de síntesis química son facil y de bajo costo, pero si los métodos son escalables sigue sin estar claro. Nuevas técnicas, como impresión por inyección de tinta, pueden usarse para fabricación repetible a gran escala de sensores. Aunque sensores electroquímicos basados en MoS₂ muestran rendimiento competitivo comparado con contrapartes basadas en materiales de carbono, las ventajas, por ejemplo, sitios de borde catalíticos de MoS₂, no son sustanciales. Hay claramente mucho espacio para aprovechar realmente las propiedades únicas de MoS₂ para mejoras adicionales en detección de glucosa no enzimática. Además, el desarrollo de biosensores de glucosa flexibles basados en nanocompuestos de MoS₂ es importante para detección flexible en atención sanitaria y debería ser más competitivo en el mercado, lo que seguramente se convertirá en un tema de investigación candente en el futuro.

Finalmente, los sensores basados en FET de MoS₂ muestran excelente rendimiento en detección de glucosa. Dado el desarrollo reciente de FETs de MoS₂, esta dirección parece muy prometedora en desarrollo de sensores de glucosa de bajo costo y otros tipos de sensores químicos. Debe reiterarse que el trabajo actual reportado en sensores de glucosa FET de MoS₂ solo fue funcional a solución de glucosa dopada con GO_x. Trabajos futuros necesitan encontrar alternativas para evitar el uso de GO_x para despliegue más práctico de sensores de glucosa FET de MoS₂.

Disponibilidad de Datos y Materiales

No aplicable.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

3D:

Tridimensional

CNT:

Nanotubos de carbono

CTAB:

Bromuro de cetiltrimetilamonio

FETs:

Transistores de efecto de campo

GO_x:

Glucosa oxidasa

Iniciales:

Nombre completo

MoS₂:

Disulfuro de molibdeno

Ni:

Níquel

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

TEM:

Microscopía electrónica de transmisión

TMDs:

Dicalcogenuros de metales de transición