二硫化鉬場效應晶體管生物傳感器的制備及其在醫學檢驗中的應用

謝 暉， 柏 兵， 沈 瀚， 孫忠月， 張國軍

（1.南京鼓樓醫院檢驗科，江蘇 南京 210008；2.湖北中醫藥大學檢驗學院，湖北 武漢 430065）

隨著新型二維納米材料的發展，臨床檢驗診斷學的發展日新月異，不斷涌現出的新技術、新方法極大地提升了實驗室的檢驗能力，為臨床診斷提供了新一輪的助力。實現疾病的早期診斷是目前臨床亟待解決的問題。膠體金是一種廣泛應用于檢驗醫學領域的納米材料，具有較大的比表面積、獨特的物理特質、良好的生物相容性及化學穩定性。然而，膠體金的表面特質、直徑大小及標記在膠體金表面的各種生物分子探針的性質都會在一定程度上對檢測結果產生影響，因此限制了膠體金在臨床檢驗中的推廣和應用，且很難實現實時檢測[1]。因此，建立一種免標記、快速、高性能和低成本的檢測方法具有極其重要的意義。近年來，二維納米材料在檢驗醫學領域的應用廣受關注，其中新型二維納米材料——二硫化鉬（molybdenum disulfide，MoS2）因具有獨特的物理、化學、電催化等特性，在傳感器、超級電容器、電催化等領域中均有良好的發展前景。MoS2是典型的層狀過渡金屬二硫化物。單層MoS2是由上下2層硫（sulfur，S）原子及夾在中間的鉬（molybdenum，Mo）原子形成“三明治夾心”結構，通過共價鍵結合組成的二維晶體材料[2-4]。

近年來，隨著學科間的交融滲透，通過檢測生物分子的電荷、質量或其他性質來指示其含量的免標記檢測方法逐漸被建立，如場效應晶體管傳感器[5-6]、表面等離子體共振技術[7]和表面聲波傳感技術[8]、熒光技術[9]等。其中納米場效應晶體管（field effect transistor，FET）生物傳感器因具有高度的微型化和一體化，受到了生命科學領域學者的廣泛關注。與此同時，由于納米材料具有獨特的理化性質，如微尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應等[10]，所以納米FET生物傳感器具有敏感性和選擇性高、分析速度快、免標記、操作簡單、試劑消耗少等特點，適用于醫學檢測中的生物分子檢測?；谛滦投S納米材料——MoS2的生物傳感器具有微型化、響應速度快、敏感性高等優點，有望使生物傳感器的開發和疾病早期診斷進入一個新階段。本文介紹了近幾年基于MoS2的FET生物傳感器的研究進展。

1 二維MoS2的制備方法

MoS2層狀化合物的構成是MoS2層沿c軸的堆疊，由l個Mo原子層和2個S原子層形成1個“三明治夾層”結構，其中層間的S-S是由范德華力結合而成，層內的Mo-S和Mo-Mo之間通過強共價鍵結合而成。目前，MoS2的制備方法主要有微機械剝離法[11-15]、化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）法[16-19]、液相超聲法[3，20-22]和水熱合成法[23-26]等。

1.1 微機械剝離法

微機械剝離法是最早使用的一種制備方法，也是制備單層二維納米材料的傳統方法。FRINDT[11]于1965年成功制備了幾層至幾十層厚度的 MoS2納米片，他利用一種特殊的黏性膠帶，通過膠帶的黏性附著力來克服層間較弱的范德華力，從而將MoS2粉末分離，達到剝離的目的。隨著工藝的改進，NOVOSELOV等[12]于2004年將微機械剝離法用于大塊層狀材料的制備并成功獲得單層MoS2。然而，采用該方法剝離的MoS2雖然質量很高，能夠得到純凈、高結晶度和單原子層厚度的層狀納米材料，但產量低，操作重復性差，不適宜用于大規模生產。

1.2 CVD法

LEE等[16]采用的CVD法是將Mo和S的固態先驅體在高溫下熱分解，使釋放出Mo和S原子沉積在基底上，逐漸生長成連續 MoS2薄膜。通過此種CVD法制備出的單原子層 MoS2薄膜具有尺寸可調、層數可控的特點，可制備出高質量、大面積的連續MoS2納米片，展現出優異的電學性能，但此法易受襯底影響。

1.3 液相超聲法

液相超聲法是近幾年發展出來的方法。COLEMAN等[3]選用不同的溶劑對MoS2等二維層狀材料進行液相剝離。ZHOU等[20]為了能更好地剝離MoS2納米片，將水和乙醇混合，借助超聲波的作用制備單層或多層MoS2溶液。ZHANG等[21]用氯仿和乙腈的混合溶劑制備出MoS2納米片。液相超聲法操作簡便，可用于大批量生產，但剝離程度略低。

1.4 水熱合成法

水熱合成法是指在特制的密閉反應器（高壓釜）中，以水為介質，通過對反應體系加熱，在反應體系中產生一個高溫、高壓的環境，從而進行無機合成和材料制備的一種方法。WANG等[25]以硫脲為硫源，通過兩步水熱合成法制備了三維MoS2納米花。YU等[26]利用水熱合成法制備出可以附著在碳纖維布上的三維MoS2納米片陣列復合材料。水熱合成法制備出的MoS2納米片具有能耗小、反應條件溫和、易控制的特點，但MoS2納米片層數不可控。

2 MoS2FET生物傳感器的構建及其工作原理

MoS2FET生物傳感器由源極、漏極和柵極3個電極及硅/二氧化硅基底層組成，其中源極和漏極為金屬電極，柵極為參比電極；在源極和漏極之間覆蓋MoS2，形成導電溝道，以此作為裝置的傳感元件，其示意圖見圖1[27]。采用傳統光刻技術，利用電子束蒸發沉積5 nm鈦（titanium，Ti）/50 nm金（aurora，Au），制作FET的源極和柵極，通道長度約為4 μm。在室溫下用Keithley 4200半導體特性測試系統檢測MoS2FET生物傳感器的電學性質，并采用MoS2FET生物傳感器檢測各醫學相關物質，具有敏感性高、特異性好的優點[27]?；緳z測原理為采用一定方法將受體分子固定在MoS2表面，然后加入待測物進行檢測，當有特異性的目標分子存在時，會發生目標分子與受體分子的特異性結合，引起傳感器電信號變化，檢測電信號的變化可確定目標分子的含量。當待測物中不含特異性的目標分子時，則不會發生電信號變化或產生的變化可忽略不計，從而實現特異性檢測。

圖1 MoS2 FET生物傳感器示意圖[27]

3 MoS2FET生物傳感器在醫學檢測中的應用

MoS2具有良好的電子流動性、較大的表面積和高電子態密度，因此其電學傳感性能優異。MoS2FET生物傳感器可用于檢測pH值、蛋白質及氣體分子。

3.1 pH值檢測

MoS2FET生物傳感器檢測pH值的原理是基于柵極介電層中氫氧根（OH）的質子化/去質子化作用決定電解液的pH值，從而改變介質表面的電荷，檢測電荷變化可檢測pH值[28-29]，其示意圖見圖2。SARKAR等[27]采用MoS2FET生物傳感器檢測了電解溶液pH值的變化，當溶液pH值較低（即H+濃度較高）時，電介質表面OH基團會質子化，形成OH2+（OH+H+=OH2+），導致電介質表面形成正電荷；而當溶液pH值較高時，會使電介質表面OH基團去質子化，形成O-（OH-H+=O-），導致電介質表面形成負電荷。隨著溶液pH值的降低，MoS2FET生物傳感器電流增加，與n型FET生物傳感器在較低pH值有更高的正電荷相一致。在此實驗中，漏極電流作為電解質柵電壓的函數對不同電解液的pH值有響應，該傳感器可在pH值為3～9的寬范圍內高效運作，且pH值變化一個單元亞閾值區域的敏感性可高達713[27]。由于MoS2超薄的性質及其優異的電學性質使此MoS2FET生物傳感器具有敏感性高、特異性好及線性范圍寬的優點，可用于醫學檢驗中的血液及尿液pH值檢測及電解質檢測。這是MoS2FET生物傳感器未來應用研究的方向之一。

3.2 蛋白質檢測

圖2 MoS2 FET生物傳感器用于pH值檢測的原理示意圖[27]

SARKAR等[27]使用生物素和鏈霉親和素分別作為受體和目標分子進行檢測，根據溶液的pH值高于鏈霉親和素的等電點會使蛋白質帶負電荷，從而導致電流減少的原理進行實驗。結果顯示，與未添加鏈霉親和素的純緩沖溶液比較，生物素功能化的MoS2FET生物傳感器在添加鏈霉親和素溶液后電流大幅降低，當再加入純緩沖溶液時，電流的變化幾乎可以忽略；與此同時，在該傳感器再次測量純緩沖液時，電流無明顯變化。由此證明，在MoS2FET生物傳感器上生物素與鏈霉親和素可強力結合，且實驗檢測限可低至100 fmol/L，并可用于檢測血液樣本，進一步證明MoS2FET生物傳感器可用于蛋白質檢測[30]。該研究結果為MoS2FET生物傳感器未來用于腫瘤標志物（前列腺特異性抗原、癌胚抗原和黏蛋白等）及心肌標志物（心肌肌鈣蛋白 T、心肌肌鈣蛋白 I等）檢測打下了基礎。

3.3 氣體分子的檢測

一氧化氮（nitric oxide，NO）在人體內參與多種生理活動，可以通過接收和傳遞信息來調節細胞活動，指示身體執行某些重要功能，如神經傳遞[31]、血管舒張[32]、免疫應答[33]、血管生成[34]等。然而，NO作為一種活躍的氣體分子，半衰期短且極易被氧化，所以需要找到一種快速、簡便、精確的測定方法。LI等[35]分別采用單層和多層MoS2FET生物傳感器對NO進行實時檢測，結果顯示單層MoS2FET生物傳感器在一接觸到NO時即出現迅速而顯著的響應，但得到的電流不穩定；而多層MoS2FET生物傳感器對NO表現出穩定而靈敏的響應，檢測限可低至1 mg/m3。該研究結果證實MoS2FET生物傳感器可用于氣體分子的檢測。進一步的研究表明，因為電流的改變是電荷從吸附的氣體轉移到MoS2層而產生的[36]，一旦MoS2表面吸附了氣體分子，可將MoS2轉化為p型半導體器件，隨著電荷的轉移，MoS2的費米能級發生改變而能帶結構則無明顯變化。因此，其他分子如二氧化氮、氨和水也可被檢測，且MoS2FET生物傳感器對它們的檢測能力可以通過柵效應和光照明進一步增強。該研究成果也可用于心血管系統疾病和神經系統疾病的研究中。

4 展望

新型二維納米材料——MoS2因帶隙間自然薄的特性使其具有良好的電學特性及高敏感性。此外，MoS2可以極大地促進設備的可伸縮性，從而在檢測單量子生物分子時敏感性更高，也可以用作超低功耗和微型生物傳感器設備，在手持診斷工具和即時檢驗方面有潛在的應用價值。MoS2FET生物傳感器因其具有檢測耗時短、敏感性高及高度靈活和透明的特點，會使臨床檢測更敏感、更快速、更準確，為癌癥、心腦血管疾病、遺傳病和傳染病等的早期診斷提供幫助。

然而，現階段研制的MoS2FET生物傳感器還存在以下一些問題：（1）由于人工制備出的MoS2尺寸和質量不易控制，使得MoS2FET生物傳感器的重現性有待改進；（2）由于傳感器上修飾的MoS2層數無法固定，因此不能大規模制備傳感器件；（3）目前的研究多集中于標準品的檢測，研制的MoS2FET生物傳感器是否能用于成分多且復雜的實際樣本檢測還有待進一步研究證明。相信未來隨著研究的不斷深入，MoS2FET生物傳感器的重現性、重復性和穩定性將會得到進一步改善。此時，敏感性高、特異性好的MoS2FET生物傳感器就能真正應用于臨床，實現對臨床樣本高通量、實時、快速的檢測。

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