Biocapteurs de glucose sans enzyme basés sur des nanocomposites MoS2

Introduction

La concentration de glucose dans le sang humain est un indicateur de santé important. Par exemple, les personnes en bonne santé ont généralement une glycémie d'environ 3,9 à 6,1 mM (1 mM =∼ 18 mg/dL), et des concentrations de glucose en dehors de cette plage peuvent indiquer un dysfonctionnement rénal, un diabète, etc. [1]. Poussés par la demande toujours croissante de soins de santé, de nombreux efforts ont été consacrés aux biocapteurs de glucose enzymatiques à base de glucose oxydase (GO_x ) depuis le rapport de l'électrode enzymatique par Updike et Hicks en 1967 [2]. Malgré la simplicité, l'efficacité, la sensibilité élevée et la sélectivité des biocapteurs de glucose enzymatiques, deux défis majeurs, à savoir le coût élevé et l'instabilité, ne peuvent toujours pas être résolus de manière satisfaisante. En effet, les capteurs de glucose enzymatiques utilisent des enzymes, telles que GO_x pour détecter le glucose indirectement, ce qui implique souvent des catalyseurs coûteux et une construction de dispositif compliquée, et donc un coût relativement élevé [3, 4]. De plus, des enzymes comme GO_x sont vulnérables à la température, à l'humidité, au pH et aux produits chimiques non physiologiques en raison de leur instabilité thermique et chimique intrinsèque [5, 6]. L'immobilisation de GO_x sur une surface d'électrode ajoute souvent une autre couche de difficulté dans la fabrication de capteurs de glucose enzymatiques avec une bonne stabilité et reproductibilité [7, 8].

Grâce au développement de l'Internet des objets, les capteurs à faible coût et à haute fiabilité ont attiré de plus en plus l'attention. Dans la recherche de capteurs de glucose qui répondent à ces exigences, les biocapteurs électrochimiques sans enzyme ont gagné en popularité en raison d'un certain nombre d'avantages, notamment la simplicité, la haute sensibilité et la stabilité [9,10,11,12]. Les biocapteurs électrochimiques sans enzyme détectent directement le glucose par oxydation électrocatalytique, ce qui évite l'utilisation d'enzymes coûteuses et améliore la stabilité dans les conditions ambiantes. De tels biocapteurs devraient ouvrir de nouvelles opportunités d'incorporation avec des appareils portables et la détection du glucose en temps réel [13]. La clé pour réaliser des capteurs de glucose pratiques sans enzyme réside dans des catalyseurs peu coûteux, fiables, biocompatibles et abondants. À cet effet, les nanocomposites, par exemple les composites de matériaux bidimensionnels et de nanoparticules, ont été largement adoptés comme matériaux d'électrode de biocapteur [14]. En particulier, la bioélectronique basée sur des matériaux bidimensionnels (2D) devient un nouveau domaine interdisciplinaire passionnant, en raison des nombreuses propriétés physiques et chimiques uniques des matériaux 2D, notamment une grande surface spécifique, une excellente conductivité et une synthèse facile. Par exemple, la grande surface spécifique des matériaux 2D permet une fonctionnalisation de surface facile via l'hybridation. La conductivité élevée permet un transfert et une collecte de charge efficaces dans les matériaux 2D. Parmi les différents matériaux 2D, le graphène et ses dérivés sont sans aucun doute le matériau le plus étudié dans les biocapteurs [15]. Un autre type de matériaux 2D qui a été largement exploré en électronique et en optoélectronique présente également le mérite d'être des matériaux bioélectroniques. Dichalcogénures de métaux de transition (TMD), en particulier le bisulfure de molybdène (MoS₂ ), possèdent des avantages similaires de grande surface spécifique, d'inertie chimique et de fonctionnalité de surface. L'intercalation d'ions ou de molécules étrangères dans des nanofeuillets TMD peut être facilement réalisée compte tenu de leur structure atomique unique [16]. Une propriété importante qui rend MoS₂ se démarquent bien des autres matériaux 2D car leur activité catalytique élevée provient des bords exposés [13]. Cependant, l'inconvénient de MoS₂ est aussi assez évident. Par rapport au graphène, 2D MoS₂ les feuilles ont une conductivité électrique beaucoup plus faible. Réempilement de MoS₂ Les nanofeuillets limitent davantage le transfert de charge ainsi que les sites de réaction actifs.

Des efforts marginaux ont été faits dans les capteurs de glucose sans enzyme basés sur 2D MoS₂ jusqu'à ces dernières années. Les mauvaises performances de MoS₂ Les dispositifs électrochimiques à base de dispositifs électrochimiques ont été bien traités en utilisant un certain nombre de méthodes qui ont résolu avec succès la faible conductivité intrinsèque. Quelques MoS₂ Des biocapteurs électrochimiques de glucose à base de glucose ont été rapportés avec des performances supérieures à celles de leurs homologues au graphène [17]. Outre les biocapteurs électrochimiques, des méthodes non électrochimiques à faible coût ont également été récemment étudiées pour le MoS 2D₂ , en profitant des avancées du MoS₂ réalisés en électronique et optoélectronique [18]. Dans cette revue, nous résumons les avancées récentes de MoS₂ -biocapteurs de glucose à base de glucose. Une attention particulière est accordée au MoS₂ biocapteurs de glucose électrochimiques à base de glucose, qui sont décrits dans le document « Electrochemical Glucose Biosensor-Based MoS₂ Rubrique « Nanocomposites ». Dans la « Détection de glucose à haute sensibilité à l'aide de MoS₂ Section "Transistors à effet de champ", MoS₂ les transistors à effet de champ pour la détection du glucose sont brièvement présentés. Enfin, la conclusion et les perspectives d'avenir du MoS₂ des biocapteurs de glucose nanocomposites sont présentés.

MoS à base de biocapteur de glucose électrochimique₂ Nanocomposites

Depuis quelques décennies, les métaux ou alliages sont les principales options catalytiques pour l'oxydation électrocatalytique directe du glucose [19]. Au cours de la dernière décennie, les matériaux bidimensionnels avec une grande surface ainsi que des propriétés chimiques et physiques uniques ouvrent de nouvelles opportunités pour de nombreux domaines, notamment la détection électrochimique, le stockage d'énergie et l'électronique [20]. En termes de biodétection électrochimique, les nanocomposites de différents matériaux 2D et catalyseurs présentent des avantages évidents par rapport aux catalyseurs traditionnels. Le couplage synergique entre ces matériaux, à savoir les effets synergiques, peut conduire à une nette amélioration de l'activité catalytique [21]. Un bon nombre de ces nanocomposites, en particulier ceux à base de graphène ou de dérivés de graphène, ont été développés et appliqués à des capteurs de glucose sans enzyme. MoS en couches₂ devrait posséder des avantages similaires car il partage les propriétés matérielles du graphène. En particulier, la couche MoS₂ Les nanofeuillets possèdent un grand nombre de bords qui, à l'instar des feuilles de graphène fonctionnalisé, agissent comme des sites actifs pour les réactions catalytiques [22, 23].

En effet, Huang et al. MoS synthétisé₂ nanofleurs par une méthode hydrothermale [24]. Une électrode de carbone vitreux modifiée avec le MoS₂ les nanofleurs et les composites de nanoparticules de chitosane/Au ont montré une nette réduction de surpotentiel pour l'oxydation du bisphénol A. Le capteur nanocomposite a montré une oxydation électrocatalytique efficace du bisphénol A, comme en témoigne l'augmentation significative du courant dans les voltamogrammes cycliques. Une bonne plage de détection linéaire de 0,05 à 100 M est obtenue pour la détection du bisphénol A. Aussi, une limite de détection très de 5 nM est estimée. Ce travail a clairement démontré l'excellente activité électrocatalytique et les effets synergiques de Au/MoS₂ nanocomposites. De même, MoS₂ à base de nanocomposites ont été utilisés pour la détection du glucose sans enzyme. MoS₂ des fleurs de grande surface ont été synthétisées par une méthode hydrothermale utilisant le bromure de cétyltriméthylammonium (CTAB) comme tensioactif [25]. La morphologie des microfleurs peut être contrôlée par le pH de la solution réactionnelle, la concentration du tensioactif CTAB et la température de recuit. Le MoS₂ les microfleurs obtenues à une température de recuit de 500 °C ont montré une bonne qualité cristalline et donc un transfert de charge amélioré. Fait intéressant, les tests de détection du glucose sans enzymes électrochimiques ont montré que le MoS₂ L'électrode microflore sans aucune fonctionnalisation peut offrir une sensibilité élevée de 570,71 μA mM ⁻¹ cm ⁻² . De plus, le capteur affiche une large plage de détection linéaire allant jusqu'à 30 mM.

Les effets synergiques du MoS₂ les catalyseurs dopés ou hybridés par des métaux étrangers, tels que Cu, Ni, Co et Fe, sont également valables pour une catalyse électrochimique améliorée du glucose. Huang et al. a réussi à combiner les avantages de la forte activité électrocatalytique du cuivre pour l'oxydation du glucose et de la grande surface spécifique et des sites de bord actifs de MoS₂ nanofeuillets [26]. Les nanoparticules de Cu décorées MoS₂ les nanofeuillets ont montré une activité électrocatalytique vers l'oxydation du glucose. Une sensibilité élevée de 1055 μA mM ⁻² cm ⁻² et une plage de détection linéaire allant jusqu'à 4 mM ont été signalés pour le Cu/MoS₂ capteur de glucose nanocomposite. La sensibilité a presque doublé la valeur mesurée à partir du MoS₂ électrode microflore. Le capteur a également démontré une bonne sélectivité dans la détection du glucose contre l'acide urique, l'acide ascorbique et la dopamine. Le courant d'interférence causé par ces produits chimiques ne représente qu'environ 2,1 à 5,2 % de celui du glucose, et un niveau de courant d'interférence aussi faible peut être considéré comme négligeable à une concentration physiologique.

Un autre candidat intéressant est le nickel (Ni), qui a été largement étudié pour les hybrides Ni/graphène. Semblable à Cu, Ni est également un métal abondant sur terre. Le couple redox de Ni ³⁺ /Ni ²⁺ offre une activité catalytique impressionnante en milieu alcalin. Par conséquent, Huang et al. MoS utilisé₂ nanofeuille comme support de catalyseur pour immobiliser des nanoparticules de Ni [27]. MoS₂ nanofeuille a été synthétisé à partir de MoS₂ poudre dans un mélange solvant éthanol/eau par exfoliation liquide. Les nanoparticules de Ni ont été réduites sur MoS₂ nanofeuille en chauffant un MoS₂ solution nanofeuille–éthylène glycol à 60°C pendant 1 h après un ajout de NiCl₂ ·6H₂ O précurseur et N₂ H₄ ·H₂ Solutions d'O et de NaOH. Une électrode de capteur de glucose a été préparée en déposant Ni-MoS₂ hybride sur une électrode de carbone vitreux. Voltammogramme cyclique du Ni/MoS₂ une électrode modifiée par hybride a clairement révélé une oxydation du glucose avec un courant plus élevé qu'une électrode de référence modifiée par Ni. L'activité électrocatalytique améliorée a été attribuée à des sites plus actifs sur MoS₂ nanofeuillets ainsi qu'une agrégation réduite de nanoparticules de Ni sur un support en matériau 2D. Les résultats ampérométriques ont confirmé une bonne plage de détection linéaire jusqu'à 4 mM, une sensibilité élevée de 1824 μA mM ⁻¹ cm ⁻² , et une limite de détection basse de 0,31 μM à un rapport signal/bruit de 3 (S/N =3). Par rapport au Cu/MoS₂ capteur de glucose nanocomposite, la sensibilité est encore améliorée grâce à l'utilisation de Ni/MoS₂ nanocomposites. L'impact des espèces interférentes, y compris la dopamine, l'acide ascorbique et l'acide urique, sur la détection du glucose s'est également avéré marginal. Plus important encore, le capteur a montré une bonne reproductibilité et une grande stabilité. Une réduction négligeable de 3,4 % de la réponse du capteur a été mesurée après un stockage ambiant pendant 4 semaines. De plus, Anderson et al. ont signalé un biocapteur de glucose non enzymatique très sensible en incorporant des nanoparticules d'argent colloïdal avec du MoS₂ [28]. L'introduction des nanoparticules d'Ag visait à remédier à la mauvaise conductivité intrinsèque du MoS₂ . Une excellente sensibilité de 9044.6 μA mM ⁻¹ cm ⁻² et une faible limite de détection de 0,03 µM ont été signalées. Cependant, la plage de détection linéaire n'est que jusqu'à 1 mM.

Les activités électrocatalytiques du MoS₂ peut être encore amélioré en s'hybridant avec le graphène. La faible conductivité intrinsèque du MoS₂ compromet son activité catalytique élevée. Les transferts de charge entre MoS₂ les nanomatériaux sont lents dans les réactions électrochimiques ou les applications électroniques générales. D'autre part, le graphène a une conductivité électrique supérieure et peut servir de solution immédiate pour ralentir le transport des électrons dans MoS₂ nanomatériaux [29]. Jeong et al. fabriqué en trois dimensions (3D) MoS₂ /nanocomposites d'aérogel de graphène par une méthode hydrothermale à un pot [13]. Bien que des activités électrocatalytiques améliorées aient été observées en utilisant la structure poreuse 3D par rapport à l'échantillon de référence 2D, l'utilisation de glucose oxydase a compliqué la fabrication et fait face aux mêmes problèmes de capteurs enzymatiques. Geng et al. MoS₂ dopé Ni synthétisé nanoparticules décorées sur oxyde de graphène réduit (Ni-MoS₂ /rGO) par une méthode simple et évolutive [30]. Comme le montre la figure 1a, l'oxyde de graphène synthétisé par la méthode de Hummers et Offeman a été mélangé avec CH₃ COOH et eau déminéralisée. La solution de précurseur Ni-Mo a été préparée en ajoutant (NH₄ )₂ MoS₄ et Ni(CH₃ COO)₂ ·4H₂ O avec différents rapports molaires dans la solution d'oxyde de graphène. Le Ni-MoS₂ La suspension /rGO a été obtenue après centrifugation et séchage à 80°C. Le Ni-MoS₂ collecté La suspension /rGO a ensuite été calcinée pendant 4 h à 600 °C dans N₂ atmosphère. Le Ni-MoS₂ obtenu Les nanocomposites /rGO ont été utilisés pour la détection non enzymatique du glucose. La figure 1b montre la réponse ampérométrique d'une électrode de capteur modifiée par Ni-MoS₂ /rGO nanocomposites à l'ajout successif de solution de glucose. Une nette augmentation du courant a été observée après chaque addition de glucose. De plus, l'encart de la figure 1b montre que le capteur était capable de répondre à une concentration de glucose aussi faible que 5 M. Le signal de courant exact en fonction de la concentration de glucose est tracé sur la figure 1c, qui montre clairement une large plage de détection linéaire du capteur, 0,005 à 8,2 mM, couvrant bien le taux de glucose sanguin humain typique. La sensibilité et la limite de détection calculées sont de 256,6  μA mM ⁻¹ cm ⁻² et 2,7 µM (S/N =3), respectivement. Bien que la sensibilité et la limite de détection du capteur soient nettement inférieures aux précédentes, la plage de détection linéaire est bien améliorée. Les travaux ont en outre signalé des taux de transport d'électrons et une activité électrocatalytique améliorés avec un coefficient de diffusion de 1,83 × 10 ⁻³ cm ² s ⁻¹ et constantes de vitesse catalytique de 6,26 × 10 ⁵ cm ³ mol ⁻¹ s ⁻¹ en utilisant le Ni-MoS₂ /rGO composites. Comme le montre la figure 1d, lorsque le capteur a été stocké dans des conditions sèches, sa réponse actuelle à 1 mM de glucose reste presque inchangée pendant 15 jours, montrant une bonne stabilité. L'influence des produits chimiques d'interférence courants, NaCl, dopamine, acide urique, acide ascorbique et V_B , a également été examiné. Les résultats sont présentés sur la figure 1e, et l'impact de ces produits chimiques sur le courant de signal est marginal. Le changement actuel causé par 0,1 mM de NaCl, de dopamine, d'acide urique, d'acide ascorbique et de V_B , une concentration typique des produits chimiques d'interférence dans le sérum normal, n'est que de 0,76 %, 2,77 %, 6,03 %, 0 %, 2,51 % et 0,63 % de la réponse actuelle à 2,5 mM de glucose. Enfin, les travaux ont démontré une bonne adéquation entre la concentration mesurée par le Ni-MoS₂ capteur /rGO et les valeurs hospitalières rapportées, montrant un grand potentiel des capteurs pour des applications pratiques [30].

un Schéma de synthèse de Ni-MoS₂ /rGO composites. b Réponse ampérométrique d'un Ni-MoS₂ Capteur /rGO aux ajouts successifs de glucose. c Le courant de réponse extrait à différentes concentrations de glucose. d Test de stabilité du capteur par mesure ampérométrique pendant 15 jours. e Comparaison des réponses ampérométriques de 2,5 mM de glucose et de 0,1 mM de produits chimiques interférentiels. Réimprimé de [25], Copyright 2017, avec la permission d'Elsevier

Une autre façon d'améliorer le transfert de charge dans MoS₂ nanocomposites est de s'hybrider avec un autre matériau carboné hautement conducteur et biocompatible, les nanotubes de carbone (CNT). En attendant, cette façon peut bien limiter le réempilement de MoS₂ nanomatériaux, fournissant ainsi des sites de réaction plus actifs. Les NTC ont également été largement synthétisés dans des structures 3D et appliqués au stockage d'énergie, à la récupération d'énergie, à la détection, etc. [31,32,33]. Li et al. préparé un nanocomposites 3D de MoS₂ nanofeuillets hybridés avec des nanoparticules d'oxyde de cobalt et des NTC [34]. Les nanoparticules d'oxyde de cobalt ont été utilisées pour améliorer les activités électrocatalytiques et les NTC pour améliorer la conductivité. Méthode hydrothermale monopot utilisée pour synthétiser le Co-MoS₂ /Nanocomposites CNT est brièvement représenté sur la figure 2a. Un mélange de NTC, 0,1 mmol Co(CH₃ COO)₂ 4H₂ O, 1,35  mmol Na₂ MoO₄ , et 7,5 mmol l-cystéine ont été transférés dans un autoclave en acier inoxydable revêtu de Teflon et maintenus à 180 °C pendant 24 h. Le produit a ensuite été refroidi, centrifugé et rincé avec de l'eau désionisée et de l'éthanol absolu. Le Co-MoS nettoyé₂ Les nanocomposites /CNT ont finalement été séchés dans une étuve sous vide à 60°C pendant 6 h. Les images de microscopie électronique à balayage (MEB) et de microscopie électronique à transmission (MET) du Co-MoS₂ /Nanocomposites CNT sont montrés dans la Fig. 2b, c. Des CNT groupés 3D typiques avec des diamètres d'environ 20 nm ont été observés. L'image TEM montre clairement les CNT creux attachés au MoS₂ nanofeuillets. Une telle structure sert de matrice hautement conductrice pour prendre en charge MoS₂ nanofeuillets et immobiliser les nanoparticules de Co. Tel le Co-MoS₂ densément emballé Les nanocomposites /CNT fournissent non seulement une bonne quantité de bords actifs catalytiques, mais permettent également un transfert de charge efficace lors des réactions. Plus important encore, le Co-MoS₂ densément emballé Structure /CNT et l'espacement intercouche assez important de 0,65 nm pour MoS₂ (supérieur à celui de 0,34  nm pour les CNT) supprime efficacement le réempilement de MoS₂ /CNT composite. Des mesures typiques de voltamétrie cyclique et ampérométrique ont été effectuées pour examiner les performances du capteur sans enzyme en Co-MoS₂ /Nanocomposites CNT. Les réponses ampérométriques du Co-MoS₂ L'électrode de détection /CNT mesurée (à 0,65  V par rapport à Ag/AgCl) avec addition successive de glucose est illustrée à la figure 2d. Une augmentation par paliers distincte du courant de réponse à l'addition de glucose a été observée. Une bonne plage de détection linéaire a été obtenue jusqu'à 5,2 mM, comme le montrent les Fig. 2e. La sensibilité calculée est de 131,69 μA mM ⁻¹ cm ⁻² . Malgré la sensibilité relativement faible, une limite de détection extrêmement basse de 80  nM obtenue (S/N =3) à partir de la figure 2f.

un Schéma de principe de l'assemblage hydrothermal des Co-MoS2/CNTs. b SEM et c Images MET des Co-MoS2/CNTs synthétisés. d Réponses ampérométriques du Co-MoS₂ /Capteur CNT aux ajouts successifs de glucose. e Le courant de réponse extrait à différentes concentrations de glucose. f Courbe ampérométrique du Co-MoS₂ /Capteur CNT à 80 nM de glucose. Réimprimé de [29], Copyright 2019, avec la permission d'Elsevier

Semblable aux effets synergiques affichés par les hybrides de matériaux métal-2D, les alliages bimétalliques et les nanostructures ont également montré des performances catalytiques améliorées et ont montré un bon potentiel pour de nombreuses applications, y compris la détection [35], la récupération d'énergie [36, 37], etc. Li et al. . nanoparticules bimétalliques Au-Pd récemment synthétisées pour la détection non enzymatique du peroxyde d'hydrogène et du glucose [5]. La fabrication de l'Au-Pd/MoS₂ l'électrode du capteur est illustrée sur la figure 3a. Le MoS₂ des nanofeuillets ont été préparés par exfoliation liquide. Des nanoparticules bimétalliques Au-Pd ont été synthétisées par réduction chimique. L'Au-Pd/MoS₂ préparé les nanocomposites ont ensuite été déposés sur une électrode de carbone vitreuse pour la détection chimique. Comme le montre la figure 3b, de bonnes étapes de courant ont été observées avec une addition successive de glucose. La plage de détection linéaire mesurée entre 0,5 et 20  mM est bien au-delà de la glycémie humaine normale (Fig. 3c). Au lieu d'utiliser des nanoparticules bimétalliques conventionnelles qui sont souvent fabriquées à partir de métaux coûteux, Ma et al. a conçu un MoS₂ co-décoré de nanoparticules d'or-polypyrrole (PPY) nanocomposite [38]. Les hybrides métal/polymère conducteur devraient également améliorer la surface et la conductivité d'une électrode de capteur. De plus, l'utilisation de polymères conducteurs permet de réduire encore le coût des capteurs électrochimiques. Le MoS fabriqué₂ - L'électrode PPY-Au/carbone vitreux a montré une détection incroyablement faible de 0,08  nM, une sélectivité presque sans interférence et une longue stabilité sur 3 semaines. Cependant, la sensibilité du capteur n'est que de 37,35  μA·μM ^–1 ·cm ^–2 et la plage de détection est plutôt limitée (0,1 à 80  nM).

un Illustration de la synthèse d'Au-Pd/MoS₂ nanocomposites et assemblage sur électrode de carbone vitreux pour la détection électrochimique non enzymatique de H₂ O₂ et le glucose. b Réponses ampérométriques de l'Au-Pd/MoS₂ capteur nanocomposite à l'ajout successif de glucose. c Le courant de réponse extrait à différentes concentrations de glucose. Réimprimé de [5], Copyright 2017, avec la permission d'Elsevier

En plus des métaux, des oxydes métalliques d'activités catalytiques élevées ont également été tentés pour une catalyse électrochimique améliorée. Outre ses activités électrocatalytiques élevées, le faible coût des oxydes métalliques est un autre avantage qui ne peut pas être surestimé pour les capteurs électrochimiques à faible coût. Parmi divers oxydes métalliques, Cu₂ O nanomatériaux avec différentes morphologies sont prometteurs pour la catalyse dans diverses applications. Fang et al. ont été étudiés MoS₂ décoré de Cu₂ O nanoparticules pour la détection non enzymatique du glucose [39]. Les mesures ampérométriques du Cu₂ O/MoS₂ l'électrode modifiée hybride montre une bonne plage linéaire de 0,01 à 4 mM. La limite de détection extraite est d'environ 1 μM. La sensibilité a été calculée jusqu'à 3108,87 μA mM ⁻¹ cm ⁻² , ce qui est supérieur à la plupart des MoS₂ capteurs de glucose non enzymatiques. Les résultats indiquent également un bon potentiel d'oxydes métalliques pour les capteurs de glucose non enzymatiques à faible coût. La comparaison des biocapteurs de glucose sans enzyme basés sur MoS₂ nanocomposites est présenté dans le tableau 1.

Détection de glucose à haute sensibilité utilisant MoS₂ Transistors à effet de champ

MoS₂ Les transistors à effet de champ (FET) possèdent un certain nombre d'avantages, tels qu'un rapport de courant de commutation élevé, un faible courant de fuite, une petite oscillation sous le seuil et une mobilité élevée [41, 42]. Grâce à ses excellentes propriétés électroniques et sa robustesse mécanique, MoS₂ les transistors sont prometteurs pour l'électronique portable à faible consommation d'énergie et à faible coût [43, 44]. Biocapteurs, photodétecteurs, capteurs de gaz et leurs homologues flexibles basés sur MoS₂ transistors ont été récemment rapportés [45]. Les avantages de MoS₂ les transistors rendent ces capteurs très sensibles, à faible consommation d'énergie, portables, etc. MoS₂ Les FET ont été signalés comme divers capteurs d'humidité, H₂ O₂ , NON, NON₂ , NH₃ , ADN, etc. [46,47,48,49]. Shan et al. a signalé le premier MoS₂ transistor à effet de champ pour la détection du glucose [40]. Comme le montre la figure 4a, une porte arrière MoS₂ FET a été fabriqué sur un SiO₂ /Si substrat. Les électrodes de source et de drain ont été modelées par photolithographie et lithographie par faisceau électronique. Des contacts Au/Ni (70 nm/10 nm) ont été déposés par évaporation. Il est à noter que le MoS₂ un matériau de canal d'environ 2 m × 3 m a été exfolié mécaniquement et transféré aux électrodes pré-configurées, comme le montre la figure 4b. Le transistor fabriqué a été placé dans une cellule d'échantillon et testé.

un Schéma du MoS backgated₂ transistor. b Image de microscopie optique du MoS₂ matériau de canal entre les électrodes de source et de drain. c Les réponses actuelles en temps réel à différentes concentrations de glucose. d Le courant de réponse I _ds du MoS₂ FET en fonction des concentrations de glucose, de 0 à 30 mM. L'encart montre le courant de réponse extrait pour des concentrations de glucose plus faibles, de 0 à 1,0 M. Réimprimé sous CC BY-NC 3.0 de [44]

Le I mesuré _ds –V _ds les courbes avec différentes concentrations de solutions de glucose ont clairement montré des augmentations du courant source-drain avec l'augmentation de la concentration de glucose. Il est à noter que GO_x l'enzyme a été ajoutée à la concentration de glucose. Par conséquent, la détection n'est pas complètement exempte d'enzymes. Le courant de canal amélioré lors de l'augmentation de la concentration de glucose a été attribué à l'oxydation enzymatique du glucose. Les électrons produits par la réaction ont été transférés au MoS de type n₂ canal et donc augmenté sa conductivité. Pour illustrer la réponse du capteur au glucose, le I en temps réel _ds la mesure a été effectuée avec addition successive de différentes concentrations de glucose, comme le montre la figure 4c. Les mesures ont commencé avec une solution de PBS pur et une solution de concentration plus élevée avec 1 mM de glucose en plus placée la précédente toutes les minutes. La réponse du courant source-drain à différentes concentrations de glucose est tracée sur la figure 4d. De toute évidence, le MoS₂ Le capteur FET affiche une très large plage linéaire pour la détection du glucose, jusqu'à 30 mM. Les tests ont été répétés pour une faible concentration de solutions de glucose afin de sonder la limite de détection et la sensibilité du MoS₂ Capteur FET. Comme le montre l'encart de la figure 4d, le capteur peut clairement détecter la présence de glucose avec une concentration aussi faible que 300  nM. La sensibilité du MoS₂ Le biocapteur de glucose FET est calculé à 260,75  mA mM ⁻¹ . En plus d'une haute sensibilité et de faibles limites de détection, l'appareil a également montré une stabilité élevée jusqu'à 45 jours. Cependant, le dispositif actuel doit impliquer l'ajout de GO_x enzyme dans la solution de glucose testée, ce qui la rend moins pratique pour les applications portables.

Conclusion et perspectives

Cette mini-revue présente les efforts récents déployés pour développer un MoS₂ à base de biocapteurs sans enzyme nanocomposites. Ces publications présentaient toutes des moyens faciles et peu coûteux de capteurs de glucose haute performance, en termes de sensibilité, de plage de détection linéaire et de limite de détection. Ces études ouvrent sans aucun doute de nouvelles opportunités vers des capteurs de glucose à faible coût et sensibles. Les avancées dépendent en grande partie des progrès récents réalisés dans la synthèse de nouveaux nanocomposites de matériaux 2D, de nanomatériaux métalliques et de nanoparticules d'oxyde catalytique. On peut s'attendre à ce que davantage d'efforts soient investis dans cette direction, et l'expérience accumulée est très bénéfique pour les futures études sur les matériaux connexes pour les applications de détection.

Cependant, en même temps, il faut se rendre compte que de nombreux efforts sont encore nécessaires pour des applications cliniques ou toute autre application pratique. La stabilité et la reproductibilité de ces dispositifs doivent encore être améliorées. Un temps de stockage limité ou dans des conditions sèches ont été jusqu'à présent utilisés. Deuxièmement, les méthodes de synthèse chimique sont faciles et peu coûteuses, mais on ne sait pas si les méthodes sont évolutives. De nouvelles techniques, telles que l'impression à jet d'encre, peuvent être utilisées pour la fabrication reproductible à grande échelle de capteurs. Bien que MoS₂ Les capteurs électrochimiques à base de carbone présentent des performances compétitives par rapport à leurs homologues à base de carbone, les avantages, par exemple, les sites de bord catalytiques de MoS₂ , ne sont pas substantiels. Il y a clairement beaucoup de place pour vraiment profiter des propriétés uniques de MoS₂ pour d'autres améliorations de la détection non enzymatique du glucose. De plus, le développement de MoS₂ flexibles à base de biocapteurs de glucose Les nanocomposites sont importants pour la détection flexible dans les soins de santé et devraient être plus compétitifs sur le marché, qui deviendra sûrement un point névralgique de la recherche à l'avenir.

Enfin, MoS₂ Les capteurs basés sur FET présentent d'excellentes performances dans la détection du glucose. Compte tenu du développement récent de MoS₂ FET, cette direction semble très prometteuse dans le développement de capteurs de glucose à faible coût et d'autres types de capteurs chimiques. Il convient de souligner à nouveau que les travaux en cours rapportés sur MoS₂ Les capteurs de glucose FET ne fonctionnaient que sur GO_x -solution de glucose dopée. Les travaux futurs doivent trouver des alternatives pour éviter l'utilisation de GO_x pour un déploiement plus pratique de MoS₂ Capteurs de glucose FET.

Disponibilité des données et des matériaux

Non applicable.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

3D :

Tridimensionnel

CNT :

Nanotubes de carbone

CTAB :

Bromure de cétyltriméthylammonium

FET :

Transistors à effet de champ

GOx :

Glucose oxydase

Initiales :

Nom complet

MoS₂ :

Disulfure de molybdène

Non :

Nickel

SEM :

Microscopie électronique à balayage

TEM :

Microscopie électronique à transmission

TMD :

Dichalcogénures de métaux de transition