二硫化鉬場效應(yīng)晶體管生物傳感器的制備及其在醫(yī)學(xué)檢驗中的應(yīng)用

謝 暉， 柏 兵， 沈 瀚， 孫忠月， 張國軍

（1.南京鼓樓醫(yī)院檢驗科，江蘇 南京 210008；2.湖北中醫(yī)藥大學(xué)檢驗學(xué)院，湖北 武漢 430065）

隨著新型二維納米材料的發(fā)展，臨床檢驗診斷學(xué)的發(fā)展日新月異，不斷涌現(xiàn)出的新技術(shù)、新方法極大地提升了實驗室的檢驗?zāi)芰?，為臨床診斷提供了新一輪的助力。實現(xiàn)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(yīng)用于檢驗醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的納米材料，具有較大的比表面積、獨特的物理特質(zhì)、良好的生物相容性及化學(xué)穩(wěn)定性。然而，膠體金的表面特質(zhì)、直徑大小及標(biāo)記在膠體金表面的各種生物分子探針的性質(zhì)都會在一定程度上對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，因此限制了膠體金在臨床檢驗中的推廣和應(yīng)用，且很難實現(xiàn)實時檢測[1]。因此，建立一種免標(biāo)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(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用廣受關(guān)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(xué)、電催化等特性，在傳感器、超級電容器、電催化等領(lǐng)域中均有良好的發(fā)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(jié)構(gòu)，通過共價鍵結(jié)合組成的二維晶體材料[2-4]。

近年來，隨著學(xué)科間的交融滲透，通過檢測生物分子的電荷、質(zhì)量或其他性質(zhì)來指示其含量的免標(biāo)記檢測方法逐漸被建立，如場效應(yīng)晶體管傳感器[5-6]、表面等離子體共振技術(shù)[7]和表面聲波傳感技術(shù)[8]、熒光技術(shù)[9]等。其中納米場效應(yīng)晶體管（field effect transistor，F(xiàn)ET）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(xué)領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。與此同時，由于納米材料具有獨特的理化性質(zhì)，如微尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)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(biāo)記、操作簡單、試劑消耗少等特點，適用于醫(yī)學(xué)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(yīng)速度快、敏感性高等優(yōu)點，有望使生物傳感器的開發(fā)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(gòu)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(jié)構(gòu)，其中層間的S-S是由范德華力結(jié)合而成，層內(nèi)的Mo-S和Mo-Mo之間通過強共價鍵結(jié)合而成。目前，MoS2的制備方法主要有微機械剝離法[11-15]、化學(xué)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(tǒng)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(zhì)量很高，能夠得到純凈、高結(jié)晶度和單原子層厚度的層狀納米材料，但產(chǎn)量低，操作重復(fù)性差，不適宜用于大規(guī)模生產(chǎn)。

1.2 CVD法

LEE等[16]采用的CVD法是將Mo和S的固態(tài)先驅(qū)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(xù) 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(diào)、層數(shù)可控的特點，可制備出高質(zhì)量、大面積的連續(xù)MoS2納米片，展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)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(fā)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(chǎn)，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(yīng)器（高壓釜）中，以水為介質(zhì)，通過對反應(yīng)體系加熱，在反應(yīng)體系中產(chǎn)生一個高溫、高壓的環(huán)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(fù)合材料。水熱合成法制備出的MoS2納米片具有能耗小、反應(yīng)條件溫和、易控制的特點，但MoS2納米片層數(shù)不可控。

2 MoS2FET生物傳感器的構(gòu)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(dǎo)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(tǒng)光刻技術(shù)，利用電子束蒸發(fā)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(dǎo)體特性測試系統(tǒng)檢測MoS2FET生物傳感器的電學(xué)性質(zhì)，并采用MoS2FET生物傳感器檢測各醫(yī)學(xué)相關(guān)物質(zhì)，具有敏感性高、特異性好的優(yōu)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(dāng)有特異性的目標(biāo)分子存在時，會發(fā)生目標(biāo)分子與受體分子的特異性結(jié)合，引起傳感器電信號變化，檢測電信號的變化可確定目標(biāo)分子的含量。當(dāng)待測物中不含特異性的目標(biāo)分子時，則不會發(fā)生電信號變化或產(chǎn)生的變化可忽略不計，從而實現(xiàn)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(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用

MoS2具有良好的電子流動性、較大的表面積和高電子態(tài)密度，因此其電學(xué)傳感性能優(yōu)異。MoS2FET生物傳感器可用于檢測pH值、蛋白質(zhì)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(zhì)子化/去質(zhì)子化作用決定電解液的pH值，從而改變介質(zhì)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(dāng)溶液pH值較低（即H+濃度較高）時，電介質(zhì)表面OH基團會質(zhì)子化，形成OH2+（OH+H+=OH2+），導(dǎo)致電介質(zhì)表面形成正電荷；而當(dāng)溶液pH值較高時，會使電介質(zhì)表面OH基團去質(zhì)子化，形成O-（OH-H+=O-），導(dǎo)致電介質(zhì)表面形成負(fù)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(zhì)柵電壓的函數(shù)對不同電解液的pH值有響應(yīng)，該傳感器可在pH值為3～9的寬范圍內(nèi)高效運作，且pH值變化一個單元亞閾值區(qū)域的敏感性可高達713[27]。由于MoS2超薄的性質(zhì)及其優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)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(yōu)點，可用于醫(yī)學(xué)檢驗中的血液及尿液pH值檢測及電解質(zhì)檢測。這是MoS2FET生物傳感器未來應(yīng)用研究的方向之一。

3.2 蛋白質(zhì)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(biāo)分子進行檢測，根據(jù)溶液的pH值高于鏈霉親和素的等電點會使蛋白質(zhì)帶負(fù)電荷，從而導(dǎo)致電流減少的原理進行實驗。結(jié)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(dāng)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(jié)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(zhì)檢測[30]。該研究結(jié)果為MoS2FET生物傳感器未來用于腫瘤標(biāo)志物（前列腺特異性抗原、癌胚抗原和黏蛋白等）及心肌標(biāo)志物（心肌肌鈣蛋白 T、心肌肌鈣蛋白 I等）檢測打下了基礎(chǔ)。

3.3 氣體分子的檢測

一氧化氮（nitric oxide，NO）在人體內(nèi)參與多種生理活動，可以通過接收和傳遞信息來調(diào)節(jié)細(xì)胞活動，指示身體執(zhí)行某些重要功能，如神經(jīng)傳遞[31]、血管舒張[32]、免疫應(yīng)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(jié)果顯示單層MoS2FET生物傳感器在一接觸到NO時即出現(xiàn)迅速而顯著的響應(yīng)，但得到的電流不穩(wěn)定；而多層MoS2FET生物傳感器對NO表現(xiàn)出穩(wěn)定而靈敏的響應(yīng)，檢測限可低至1 mg/m3。該研究結(jié)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(zhuǎn)移到MoS2層而產(chǎn)生的[36]，一旦MoS2表面吸附了氣體分子，可將MoS2轉(zhuǎn)化為p型半導(dǎo)體器件，隨著電荷的轉(zhuǎn)移，MoS2的費米能級發(fā)生改變而能帶結(jié)構(gòu)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(yīng)和光照明進一步增強。該研究成果也可用于心血管系統(tǒng)疾病和神經(jīng)系統(tǒng)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(xué)特性及高敏感性。此外，MoS2可以極大地促進設(shè)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(shè)備，在手持診斷工具和即時檢驗方面有潛在的應(yīng)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(zhǔn)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(xiàn)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(zhì)量不易控制，使得MoS2FET生物傳感器的重現(xiàn)性有待改進；（2）由于傳感器上修飾的MoS2層數(shù)無法固定，因此不能大規(guī)模制備傳感器件；（3）目前的研究多集中于標(biāo)準(zhǔn)品的檢測，研制的MoS2FET生物傳感器是否能用于成分多且復(fù)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(xiàn)性、重復(fù)性和穩(wěn)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(yīng)用于臨床，實現(xiàn)對臨床樣本高通量、實時、快速的檢測。

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