MoS2基納米復合材料在生物成像及生物傳感領域中應用

莫忠，梁立容，魏愛香

(1.中山大學新華學院 生物醫學工程學院，廣東 廣州 510520；2.中山大學新華學院 信息科學學院，廣東 廣州 510520)

過渡金屬硫化物的結構類似于石墨烯，具有許多特殊的光學、電學以及化學性質而受到廣泛關注。二維層狀二硫化鉬(MoS2)表現特異的光電、催化、能量收集和生物特性。近幾年，人們研究報道了MoS2及其復合材料的合成方法、光電性質以及其應用。MoS2在結構和電學上類似于石墨烯，可以從大塊的MoS2中剝離，也可以采用水熱法、化學氣相沉積法或氣固合成法等制備手段獲得不同形貌和應用的MoS2，如片狀、線狀和管狀MoS2以及類花狀納米微球和量子點[1-4]。MoS2地球儲量豐富，其塊體材料間接帶隙較窄，禁帶寬度達到1.2 eV，然而單層片狀MoS2的直接帶隙達到1.8 eV，顯示出光吸收和光致發光特性[5-6]。因此，MoS2具有許多獨特的光學、物理化學性質，廣泛應用于光催化、能源、電子芯片、生物檢測以及醫學成像等領域。

MoS2二維材料作為一種治療劑在生物醫學應用中展現出極大潛力。本文概述了合成MoS2納米材料的常用方法，對MoS2基納米復合材料在生物成像及生物傳感方面的研究和應用現狀做出了較詳細的綜述和總結，并歸納和展望了MoS2作為一種潛在的二維納米材料未來發展和面臨的挑戰。

1 MoS2的合成方法

目前，國內外報道中常見的MoS2和其他半導體的復合材料合成方法有：前驅體分解法、化學氣相沉積法(CVD)、鋰插層法以及溶劑熱/水熱合成法。

1.1 前驅體分解法

Liu等[7]以鉬酸銨為反應前驅物材料，在氬氣環境中，采用兩步熱分解方法在SiO2基片上合成了結晶性好、面積大的MoS2薄膜。Wang等[8]以氧化石墨烯(GO)、(NH4)2MoS4為原料，合成了MoS2/GO材料，其電化學可逆容量在循環55周期后仍能達到793 mA·h/g。

1.2 化學氣相沉積法

CVD技術能夠非常有效地制備高質量、可伸縮、均勻好和大尺寸單層納米片和連續薄膜，是合成MoS2常用的方法。Lee等[9]采用CVD技術合成了單層結構的MoS2，實驗以S單質和MoO3為反應前驅材料，在氮氣氣氛中，直接在SiO2襯底上沉積。Chen等[10]采用改進的常壓CVD法，用MoO3粉末和硫磺粉作為反應前驅物，氮氣作為保護氣體，在SiO2襯底上沉積了高質量、大尺寸的MoS2晶體。Wang等[11]通過對MoO2微晶進行逐層硫化制備高結晶菱形MoS2納米片，為控制合成MoS2原子層提供了一種新的方法。

1.3 鋰插層法

鋰離子插層剝離法是在有機溶劑中將MoS2粉末與正丁基鋰混合來進行插層，隨后在水中反應超聲而剝離的簡單易行的合成方法。早在1986年就由Joensen等[12]所報道，2011年，Eda等[13]通過Li嵌入法大量剝離MoS2塊材制得單層MoS2納米片。Qiao等[14]使用鋰(Li)插層的多層剝離法制備單層MoS2量子點(<10 nm)，并從量子禁閉和邊緣效應研究了其光學性質。Zeng等[15]優化了這種化學插層方法，通過電化學方法實現了鋰離子插層精確可控，使得 MoS2合成更簡單高效。

1.4 溶劑熱/水熱合成法

Zhang等[16]以硫脲和鉬酸銨[(NH4)6Mo7O24]為前驅體，水熱溫度220 ℃，反應時間6 h，合成了分散性良好的三維花狀MoS2微球，其直徑約4 μm。Lin等[17]以硫脲(CH3CSNH2)和鉬酸鈉(Na2MoO4·2H2O)為前驅物，適量的硅鎢酸作為添加劑，220 ℃水熱反應24 h，成功合成了結晶性良好的MoS2納米棒，其長度范圍為400～500 nm，平均直徑為 20～50 nm。Chang等[18]采用鉬酸鹽、硫脲、氧化石墨烯納米片和葡萄糖為原料，240 ℃水熱反應24 h后，在H2/N2中800 ℃煅燒2 h，最后生成納米MoS2/G@a-C復合材料。Ren等[19]報道了以二芐基二硫化物和鉬酸鈉為前驅體，水熱法合成均勻的單層MoS2量子點，所合成的MoS2量子點具有放大的本征電導和明顯的吸收光譜藍移。

2 MoS2基復合材料的生物成像及生物傳感應用

2.1 生物成像

2.1.1 生物熒光成像 MoS2基納米復合材料已用于生物成像來研究細胞的內部特性和組織。MoS2量子點具有良好的生物相容性、高的生理穩定性和良好的單光子、雙光子熒光成像特性。雙光子熒光(TPF)成像是一種使用近紅外光(NIR)激發，可對深層(1 mm)活組織進行光學成像的技術，具有深層組織滲透，最小的自發熒光和減少的光致漂白等特性[20]。Lin等[21]使用(NH4)2MoS4作為反應物，油酸胺為還原劑，合成了厚度約3 nm的MoS2量子點，其在可見光區間具有尺寸可調光致發光特性。用合成的MoS2量子點處理的293T細胞顯示出來自細胞質的熒光信號，表明MoS2量子點作為熒光探針可用于實時光學細胞成像。Wu等[22]在堿性環境中，以鈉離子為嵌入劑，通過超聲剝落MoS2納米片，合成了發光的MoS2量子點。將其用于肺細胞體外標記，通過共聚焦顯微鏡觀察到MoS2量子點已成功地被肺細胞內化，明亮的熒光區域顯示它們大多位于細胞的細胞質中。Dong等[23]利用多層MoS2粉末和四丁基銨輔助超聲技術，開發了一種可調諧的MoS2量子點合成方法。產生的MoS2量子點具有高度的穩定性和良好生物相容性，并具有上轉換和下轉換的光致發光，可用于體外HeLa細胞成像。最近，Zhong等[24]報道了單層MoS2納米片的多光子熒光成像，研究表明，在低功率近紅外激光激發下，殼聚糖功能化的MoS2納米片可作為非漂白、非閃爍的納米探針用于TPF和二次諧波生物成像。

2.1.2 光聲成像 光聲成像(PAI)是一種以光聲效應為理論基礎的非電離輻射、無創的新興醫學影像技術。當生物組織被脈沖激光照射時，由于其吸收入射光引起組織局部輕微變熱產生彈性熱膨脹，進而產生超聲波，并通過超聲探頭檢測這種超聲信號來重建組織圖像。光聲成像同時具有高穿透度和高對比的特征，并且應用光聲光譜成像技術，還可定量地反映出各種組織內部構成、成分信息及血氧飽和度等參數，實現分子水平的結構及功能成像。Oraevsky等[25]和Kruger等[26]首先提出了將PAI應用于乳腺成像。2001年，Oraevsky團隊報道了首例基于激光的光聲成像系統的人體成像應用，被進一步優化為光聲層析成像系統[27]。2005年，荷蘭特溫特大學研究團隊構建了可用于乳腺腫瘤患者檢查的光聲乳腺鏡(PAM)，并證實了對乳腺腫瘤進行成像的技術可行性[28]。Liu等[29]用聚乙二醇(LA-PEG)修飾單層MoS2納米薄片得水溶性和生物相容性良好的試劑。小鼠體尾靜脈注射后，在脈沖激光照射下腫瘤區域的信號明顯增強，展現出良好的光聲成像效果。Chen等[30]研究報道，減少MoS2納米片的層數能顯著增強近紅外光吸收并改善納米材料的彈性特性，從而大幅度放大PA效應。通過體外實驗表明，所制備的具有優異生物相容性的S-MoS2可以有效地內化到U87膠質瘤細胞中，產生強PA信號以高度敏感地檢測腦腫瘤細胞，檢測限約100個細胞。對小鼠U87皮下和原位荷瘤靜脈內施用S-MoS2，結果均顯示高效的腫瘤保留能力和顯著增強的PA對比度，顱骨下方約1.5 mm的腫瘤組織仍可在體內清晰可見。

2.1.3 X-CT成像 X射線計算機斷層掃描成像(X-CT)是借助計算機對X射線透過某一斷層的衰減信號進行數據處理和重建三維圖像的醫學診斷方法，通常注入(或服用)比周圍組織密度高或低的造影劑來增強圖像對比度。Yin等[31]利用殼聚糖(CS)修飾的MoS2納米片作為造影劑的CT圖像中，隨著試劑濃度的增加，信號明顯增強。研究發現CS-MoS2納米片的CT值斜率(14.2)高于商用碘普羅胺300(13.0)(以0.5%瓊脂糖去離子水為對照)，證實了CS-MoS2納米片是一種新型有效的CT造影劑。

2.1.4 多模式成像 Liu等[32]將Fe3O4納米顆粒(IO)用聚乙二醇(PEG)400修飾，通過巰基作用自組裝到MoS2二維片層上，形成了MoS2-IO復合材料。然后用LA-PEG上的雙硫鍵和MoS2二維片層上的缺陷之間的作用來對該納米復合材料進行修飾，在生理溶液中獲得了較好的穩定性。又通過六氨基聚乙二醇上的氨基與IO上的羧基作用來進行下一步修飾，提高該納米復合材料(MoS2-IO-(d)PEG)的生物相容性。修飾后的MoS2-IO-(d)PEG對近紅外光有很強的吸收，可用于光聲成像顯示腫瘤形貌。同時，修飾后的MoS2-IO-(d)PEG表現超順磁性，用作核磁共振成像(MRI)的造影劑可增強軟組織的顯影效果。另外，放射性同位素64Cu無需螯合劑就能很好地吸附在MoS2二維片層上，可以用作正電子發射型計算斷層成像(PET)的造影劑。

2.2 生物傳感

MoS2具有優良的導電性、熱學和化學性能穩定，經修飾后生物相容性好，很好地應用在生物分子檢測和分析的生物傳感領域。Cao等[33]用MoS2-石墨烯-AuNPs/CS復合材料修飾玻璃電極組裝單鏈DNA探針。該傳感器在5.0×10-14～5.0×10-9mol/L范圍內對DNA具有較高的靈敏度，檢測下限為2.2×10-15mol/L。Wang等[34]基于MoS2開發了一種DNA檢測的電化學生物傳感器。超聲剝落的薄層MoS2納米片沉積在裸碳糊電極(CPE)的表面上，然后固定單鏈DNA分子。該傳感平臺檢測靈敏度高，制備簡單、且無需標記，對目標互補DNA序列電化學濃度檢測范圍在1.0×10-10～1.0×10-16mol/L，檢測下限為1.9×10-17mol/L。

Song等[35]制備了具有良好生物相容性的MoS2/石墨烯納米復合材料，將辣根過氧化物酶(HRP)固定在MoS2-石墨烯復合材料上構建生物傳感器。該生物傳感器對H2O2檢測靈敏度高[約 680 μA/(mmol·cm2)]，線性范圍寬(0.2～1 100 μmol/L)，檢測限低(0.05 μmol/L)。Wang等[36]通過簡單的超聲處理和梯度離心由塊體MoS2制備了尺寸<2 nm的MoS2納米顆粒。這些超小的MoS2納米顆粒暴露了很大部分邊緣部位，對還原過氧化氫的電催化有較高的活性。基于MoS2納米粒子構建的超靈敏H2O2生物傳感器實際測定極限低至2.5 nmol/L，線性范圍寬達5個數量級，成功地記錄了從Raw264.7細胞釋放H2O2的痕跡。Zhang等[37]在無毒乙醇溶液中使用液相剝離法得到了六角相氮化硼和氮化物摻雜MoS2異質結構復合材料(h-BN/N-MoS2)。建立了h-BN/N-MoS2-TMB-H2O2比色測定平臺。在實際中具有高靈敏度和穩定性，在最佳條件下，它具有1～1 000 μmol/L的寬線性范圍，最低檢測限為0.4 μmol/L。

Su等[38]在玻璃碳電極(GCE)上制備MoS2納米片/金納米顆粒(AuNPs)復合材料，將葡萄糖氧化酶(GOx) 固定在其表面。修飾電極具有電催化活性高、重現性好和長期穩定性等優點，檢測的質量濃度范圍10～300 μmol/L，檢測限低至2.8 μmol/L。Peng等[39]通過光照增強MoS2/氧化石墨烯(MoS2/GO)復合物中酶的活性，MoS2/GO具有較高的導電性以及兩組分的協同作用，對血清葡萄糖檢測具有很好的選擇性和較高的靈敏度。有可見光照時，對過氧化氫的檢測限可由10 nmol/L降低到 2.5 nmol/L，對葡萄糖的檢測限由0.83 μmol/L降低到65 nmol/L。Parlak等[40]以MoS2納米片作為理想的半導體界面，在電極表面形成一層均勻的金納米粒子組裝層形成MoS2/Au-NPs/Gox結構，增強電催化反應。該生物電極對葡萄糖檢測的靈敏度為13.80 μA/(μmol·cm2)，線性響應范圍為0.25～13.2 mmol/L，檢測限達0.042 μmol/L。

3 總結與展望

MoS2納米材料具有優良的光學、電學以及超大比表面積、熱學或化學穩定性、生物相容性等性質，已經受到越來越多研究者關注。然而，MoS2基納米材料的研究還處于初級階段，在未來臨床應用方面的應用仍然面臨著巨大的挑戰。為了評價其相應的功能性和毒性，迫切需要制備具有特定厚度、橫向尺寸和晶相的MoS2納米材料。在生物醫學診斷和治療中，仍然需要對具有特定基團的MoS2納米材料進行修飾，使其具有靶向性或刺激反應性。在生物傳感領域仍需加大研究力度，提高催化效率、增加 MoS2及其復合納米材料的生物相容性、檢測靈敏性和選擇性等。近年來，關于MoS2納米材料的研究迅猛發展，相信這種性質豐富的納米材料將在納米生物、醫藥等方面得到廣泛的發展和應用。