二维MoS2生物传感器

二维MoS2生物传感器1、摘要：二维二硫化钼的独特性质（2DMOS2）迄今对于这种材料的原理，应用等已有深入的研究。最近，对其潜在的生物传感功能有更多的研究。二维MOS2具有使其成为开发生物传感器的性质。这些属性包括表面积大，可调的能带图，比较高的电子迁移率，光致发光，液体介质中的稳定性，毒性相对较低，与intercalatable形态。在这篇综述中，对二维MOS2传感器目前的进展和未来前景对各种生物传感应用扩展的可能性进行了讨论。关键词：过渡金属硫化物、传感、生物系统、插层，几层，原子层，二硫化钼，二维六方二硫化钼（2HMOS2）是一个分层晶体。2HMoS2晶体结构的平面，厚度等于该材料的晶胞这是由范德瓦尔斯力结合在一起。MoS2每个平面是由钼原子夹在硫原子之间（图1）。当剥离成一个或有限层数、二维MOS2（2DMOS2）显示独特的电子，光学，机械，和化学特性。二维MoS2显示出非凡的的特性，也使它有利于生物传感器应用。当成长为面有比较大横向尺寸，二维MoS2平面到表面没有悬空键的结束。结果，这些大平面在液体和含氧介质中特别稳定媒体，这有助于他们有效地融入生物传感结构。在纳米片的形态，当表面的厚度比减少，二维MoS2边缘和角可以设计为钼或硫终端。钼终止有机会可能用于需要金属特性时。类似于单原子层的石墨和其他二维材料，二维MOS2提供大的表面积，提高了它的传感器的性能。然而，正如将要讨论的，由于存在的一个合适的能带隙，基于MoS2的设备的整体灵敏度远大于石墨烯和石墨烯氧化物。石墨烯和石墨烯氧化物没有或能带隙小。许多化学当量的二维氧化物相比之下，有大的能带隙，电子能带结构调制的应用需要相对较高的能量。二维MOS2非常地薄，与目标生物材料相互作用后，其整体厚度受到影响。历史上，二维MoS2是常用的一种润滑材料。结果，其插层学经历了几十年的经验密集的研究，因此相关的化学被彻底描述清楚。与其他二维材料相比，只有对二维粘土的插层性质研究到这种程度上。然而，二维粘土一般不适于建立有源传感功能性材料。可以使用不同功能化方法促进二维MoS2表面特异性反应使生物传感成为可能，实现和靶向特异性生物材料建立特定的联系本质上，二维MoS2的表面特性与石墨烯及其氧化物非常不同。MoS2表面能是独特的，有强大的硫化物缺电子作用。功能化的基底表面和以硫结束的2DMoS2可以是具有挑战性的，已经提出了几种方法，本文将要做简要介绍。合成二维MoS2的各种方法已被提出。总是能够找到正确的方法适合任何生物传感器中的应用。相似地，不同的方法已被开发用于调谐二维MoS2电子能带结构。相比石墨烯和石墨烯氧化物的结构，调制电子能带面临着显著的挑战。电子二维MoS2的电子能量状态在其内在状态可以在半导体到完全导电范围内调整，以充分的导电时当转化为1TMoS2相（八面体晶胞）使这一材料适合许多生物传感条件。特别是层状二维MoS2兼容标准的电化学系统，这常用作生物传感器的工作电极。相比之下，许多其他的二维材料不提供这样的伴随电子和化学特性。二维MoS2可以很容易的，并在超高性能，插入通过各种离子和各种生物有机分子，协助建立生物传感系统。在一个单层结构，二维MoS2具有直接带隙，因此显示出光致发光性质（PL），允许形成光学生物传感模板。光致发光出现在可见光范围也可以强烈调制后，生物的相互作用与它的波长兼容低成本的标准光学系统。这样的特性只能从数量有限的二维材料看到。此外，二维MoS2具有高度可调谐的振动和光学特性，这用于生物传感。在生物传感有利的是与许多其他的纳米材料相比，特别是石墨烯和石墨烯氧化物。二维MoS2本身毒性相对较低确保目标生物分析物不受生物传感影响和安全措施的影响，这是重要的。此特性还允许二维MoS2吸收到活细胞。建立在体内的生物传感器没有显著恶化它们的生存能力。这里，我们现在分析并讨论一些二维MoS2的主要特性。我们也将介绍合成、功能化和将这种二维材料纳入生物传感器的方法.2、电子，光学和振动特点2HMoS2的电子能带结构受钼的d轨道的强烈的支配。四个电子从钼填充到周围的键合状态层的表面由孤对电子终止。2HMoS2的d轨道杂交导致当剥离成单层直接到间接的能带隙的过渡（图2a，b）。分层形式的2HMoS2导带最低位于的Γ和K点，而价带最大值在Γ点，构成一个∼1.29eV的带隙。减少层的数目导致这个导带向上移位。然而，作为在K点的导带主要是由于钼原子的d轨道，它们相对不受层间相互作用影响（最小的导带边缘位于∼−4.1eV以真空为基准）。这意味着通过减少层的数目K点的直接能带隙在轻微地增加。这导致单层MoS2K点∼1.9eV的直接带隙（最大价带边缘位于∼−6eV的参考以真空为基准）。已经表明，当并入晶体管结构场效应单层的MoS2能够提供开关比大于10的8次方。这个巨大的价值肯定有利于建立生物传感器，电子通道面积任何轻微的变化，可以有效地用于形成高度敏感的生物传感器。K点的二维MoS2的电子有效质量预计为0.48me。自由载流子散射二维MoS2受到温度低于100K的声学声子和高于这个温度的光学声子相互作用的控制。最高的自由载流子估计迁移到∼400cm2/（Vs）在室温下。事实上，获得这样的自由载流子迁移率没有高介电层是不可能的。二维MoS2一个载流子寿命为∼100ps，扩散系数∼20cm2/s已被证明。两载流子寿命和扩散系数是适合建立场效应和电化学生物传感器。二维MoS2电子能带结构特征引起的一定的激子和荧光性能，可有效地用于生物传感。二维MoS2光致发光光谱显示A（∼1.92eV）和B（∼2.08eV）的双激子峰在K点（图2a−c）。由于通过∼145meV价带自旋轨道分裂，这些峰出现。双C和D的超激子峰也存在。介绍了伴随着负trions高结合能出现，过量的电子会导致A激子峰的分裂。。有趣的是，这种分裂发生在室温，这也是重要的光学生物传感器。光致发光的存在可用于设计特殊的荧光标记作为监视，跟踪和传感生物组分的一种可能。二维MoS2也可以成功绑定到其他荧光物质。特别是官能化的二维MoS2具有相对较小的横向尺寸，它可以被细胞摄取，应用于生物成像因此，生物传感采用多种常规近场光学显微镜技术（图2d）。二维MOS2表现出强烈的振动特性。这材料有四个拉曼活性模式。它还演示了两种红外主动模式。其中一种是在面内模式，归因于2个S原子相对于Mo原子的相反的振动，A1g的模式是在面外相反方向上只有S原子的振动。层的减少导致红色和蓝色移位（图2e，f）。由于它是面外类型，A1g的模式是非常敏感，吸附在MoS2表面电荷交换。拉曼光谱和红外光谱活动模式也是横向维度的功能，介电常数的环境，缺陷和插层性能。因此，观察和调查振动模式通过拉曼光谱和红外光谱应用于各种生物传感。3、合成技术合成二维MoS2的方法适用范围广泛，包括那些2HMoS2堆积起来薄角质层或其他的气/液相直接沉积单层MoS2在基板上。类似于石墨烯，一些获取二维MoS2最常见的方法仍然是基于机械剥离使用粘合带。这样的方法一般都可以获得最高质量的单层MoS2任意策略下。然而，低收益率和在基板上随机粘上的二维MOS2片是一个问题，特别是对于大规模生产。机械剥离方法特别用于建立传感器场效应。各种气体/蒸汽化学沉积方法已被开发用于晶圆级二维MoS2的增长。这些技术使2DMoS2成三角形边带尺寸有几百个微米。化学沉积方法一般开始形成一个非常薄的有机/无机层二维MoS2前驱体再经过一系列的退火硫化步骤。四硫代钼酸铵和钼氧化物是常见的前体在一个或两个步骤的沉积/退火过程中使用。硫化步骤一般是在500°C以上进行使用硫化氢气体或硫磺蒸汽。目前面临的挑战是获得晶圆级高质量、均匀的二维MoS2层。成功的沉积过程中基片的结晶度和其它性能起重要的作用。而基材如蓝宝石产生最好的结果，SiO2覆盖的硅晶片以及石英玻璃或导电玻璃基板是最需开发的基础生物传感器。液体剥离技术适合用于获得二维MoS2悬浮液。这些悬浮液特别是用于光学和振动生物传感中，这与微流体系统兼容。一些最高产液剥离方法基于锂插层技术。然而，这些过程一般是危险的并且需要持续长时间。微波辅助方法已被提出来减少反应时间。锂化也可以用电化学方法实现，但是这限制产量。这样的过程一般需要回流去除离子残留为了使最终产品适用于生物传感应用。也有基于材料的援助，高功率声波的液体剥离方法。增强物理表面粘合分层MoS2。科尔曼等提出了基于剪切力效应的液体剥离方法，借助于表面活性剂或有机溶剂。有利的是，这些方法可以很容易地用于在有机溶剂中形成二维MoS2悬浮液与生物传感方法兼容。然而，这样的液相过程仍然在二维薄片上留下残基。几次离心可以帮助去除残余。正己烷在最佳温度下的处理和退火也可以去除。获得一个干净的表面，对生物传感尤其重要。需要特定的fuctionalizations使表面对任何特定目标生物分析物更具体。读者们提到的其他评论文章有更多的二维MoS2的综合信息。3、功能化为了生物传感器的发展，合成后的二维MoS2，这些薄片应该功能化响应具体的生物指标。表面功能化导致电荷移位和表面偶极子的形成这可能导致对二维MoS2电子能谱结构的巨大影响。已经有很多报道功能化二维MoS2基底面通过标准表面方法。在实践中，许多报道是不正确的，因为没有注意没有悬挂键和MoS2非常大的表面范德瓦尔斯的亲和力，促进物理吸附。这意味着分子倾向于平躺在MoS2的表面而不是建立共价键或强离子键。这样的物理吸附反应似乎本质上有一个非常低的选择性。然而，如果他们用智能物理吸附层到MoS2可以设计形成基础的检测。这导致对一个特定的目标生物分析物的高选择性的表面。它已经表明，MoS2基面可使用硅烷和硫醇为基础的方法官能化，这是常用的改性氧化物和硫化物表面。这些方法强烈依赖硫醇基团表面的羟基的形成。在一个理想的情况下，MoS2基底面没有悬挂键，群体只能有效地坚持钼，出现从破坏硫键。这意味着有效的表面功能化通过这些方法依赖于硫缺乏的出现。二维MoS2薄片的边缘以金属或氧族元素的原子终止，取决于合成条件。此外，低配位步骤-边缘和缺陷也可以形成，引起表面效应/能量局部改变。一般减少横向尺寸二维MoS2薄片促进支配这种特性。缺少边缘协调，步骤，和扭结产生，可用于金属态可结合官能团，如羟基和硫醇。替代方法也可以使用。二硫键在形成R−S−S−C的形式，可以由固定的有机实体两巯基偶联如各种蛋白质。酸性化合物含−SOH还可以结合蛋白质和碳水化合物和部分作为催化剂或生物相互作用的中间体。许多其他的方法，如金属离子原位还原，酯化反应、开环聚合，自由基聚合也可以使用。最近也有更多的的报告关于酰胺的共价键和甲基部分到硫基金属上1TMoS2。非常有趣的是，这一过程之后，观察到从金属1T变为半导体2H。功能化在稳定中起着重要的作用通过二维MOS2在离子溶液中降低非特异性悬挂键。离子溶液如磷酸盐缓冲生理盐水是生物传感的基础，这样稳定的悬浮液的二维MOS2是关键。重要的是考虑到二维MoS2在光激活反应是一种稳定的材料。许多的光接枝技术可以实现MoS2表面的功能化的不降低其性能。4、催化提高二维MoS2表面的催化性能是一个增强反应和生物传感器的寿命（表面中毒）的重要属性。二维MoS2内在的催化力量不如金属材料大，但有利地表现出强烈的抗中毒。二维MoS2催化性能基于暗电子转移（加氢反应）或者光化学过程，或两者同时。这表明二维MoS2边缘部位引起加氢为主，而金属边缘催化有机物。5、插层二维MoS2是一个受欢迎的氢离子和锂离子嵌入材料一种有效的储能库。插层也是MoS2传感器潜在的重要过程。当目标生物分析物进入二维MoS2附近（2层以上），这些材料的一部分是吸附在表面上，其余的可以插入（可逆纳入层状晶体）。表面吸附和插层之间的竞争取决于所用能量的类型和强度。它还取决于对吸附/蒙脱土的性质及其表面能量相对于表面和层间结合的二维MoS2能量。颗粒可以通过直接插层被纳入层间空间和剥离MOS2插层过程一般拓扑，在这里层间距离变化。层间膨胀测量可以提供有关插入相位的性质的信息。插层可能引起二维M