莫忠，梁立容，魏愛(ài)香

(1.中山大學(xué)新華學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510520；2.中山大學(xué)新華學(xué)院 信息科學(xué)學(xué)院，廣東 廣州 510520)

過(guò)渡金屬硫化物的結(jié)構(gòu)類似于石墨烯，具有許多特殊的光學(xué)、電學(xué)以及化學(xué)性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。二維層狀二硫化鉬(MoS2)表現(xiàn)特異的光電、催化、能量收集和生物特性。近幾年，人們研究報(bào)道了MoS2及其復(fù)合材料的合成方法、光電性質(zhì)以及其應(yīng)用。MoS2在結(jié)構(gòu)和電學(xué)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(xué)氣相沉積法或氣固合成法等制備手段獲得不同形貌和應(yīng)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(diǎn)[1-4]。MoS2地球儲(chǔ)量豐富，其塊體材料間接帶隙較窄，禁帶寬度達(dá)到1.2 eV，然而單層片狀MoS2的直接帶隙達(dá)到1.8 eV，顯示出光吸收和光致發(fā)光特性[5-6]。因此，MoS2具有許多獨(dú)特的光學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于光催化、能源、電子芯片、生物檢測(cè)以及醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。

MoS2二維材料作為一種治療劑在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中展現(xiàn)出極大潛力。本文概述了合成MoS2納米材料的常用方法，對(duì)MoS2基納米復(fù)合材料在生物成像及生物傳感方面的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀做出了較詳細(xì)的綜述和總結(jié)，并歸納和展望了MoS2作為一種潛在的二維納米材料未來(lái)發(fā)展和面臨的挑戰(zhàn)。

1 MoS2的合成方法

目前，國(guó)內(nèi)外報(bào)道中常見(jiàn)的MoS2和其他半導(dǎo)體的復(fù)合材料合成方法有：前驅(qū)體分解法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、鋰插層法以及溶劑熱/水熱合成法。

1.1 前驅(qū)體分解法

Liu等[7]以鉬酸銨為反應(yīng)前驅(qū)物材料，在氬氣環(huán)境中，采用兩步熱分解方法在SiO2基片上合成了結(jié)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(xué)可逆容量在循環(huán)55周期后仍能達(dá)到793 mA·h/g。

1.2 化學(xué)氣相沉積法

CVD技術(shù)能夠非常有效地制備高質(zhì)量、可伸縮、均勻好和大尺寸單層納米片和連續(xù)薄膜，是合成MoS2常用的方法。Lee等[9]采用CVD技術(shù)合成了單層結(jié)構(gòu)的MoS2，實(shí)驗(yàn)以S單質(zhì)和MoO3為反應(yīng)前驅(qū)材料，在氮?dú)鈿夥罩?，直接在SiO2襯底上沉積。Chen等[10]采用改進(jìn)的常壓CVD法，用MoO3粉末和硫磺粉作為反應(yīng)前驅(qū)物，氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，在SiO2襯底上沉積了高質(zhì)量、大尺寸的MoS2晶體。Wang等[11]通過(guò)對(duì)MoO2微晶進(jìn)行逐層硫化制備高結(jié)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(jī)溶劑中將MoS2粉末與正丁基鋰混合來(lái)進(jìn)行插層，隨后在水中反應(yīng)超聲而剝離的簡(jiǎn)單易行的合成方法。早在1986年就由Joensen等[12]所報(bào)道，2011年，Eda等[13]通過(guò)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(diǎn)(<10 nm)，并從量子禁閉和邊緣效應(yīng)研究了其光學(xué)性質(zhì)。Zeng等[15]優(yōu)化了這種化學(xué)插層方法，通過(guò)電化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)了鋰離子插層精確可控，使得 MoS2合成更簡(jiǎn)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(qū)體，水熱溫度220 ℃，反應(yīng)時(shí)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(qū)物，適量的硅鎢酸作為添加劑，220 ℃水熱反應(yīng)24 h，成功合成了結(jié)晶性良好的MoS2納米棒，其長(zhǎng)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(yīng)24 h后，在H2/N2中800 ℃煅燒2 h，最后生成納米MoS2/G@a-C復(fù)合材料。Ren等[19]報(bào)道了以二芐基二硫化物和鉬酸鈉為前驅(qū)體，水熱法合成均勻的單層MoS2量子點(diǎn)，所合成的MoS2量子點(diǎn)具有放大的本征電導(dǎo)和明顯的吸收光譜藍(lán)移。

2 MoS2基復(fù)合材料的生物成像及生物傳感應(yīng)用

2.1 生物成像

2.1.1 生物熒光成像 MoS2基納米復(fù)合材料已用于生物成像來(lái)研究細(xì)胞的內(nèi)部特性和組織。MoS2量子點(diǎn)具有良好的生物相容性、高的生理穩(wěn)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(fā)，可對(duì)深層(1 mm)活組織進(jìn)行光學(xué)成像的技術(shù)，具有深層組織滲透，最小的自發(fā)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(yīng)物，油酸胺為還原劑，合成了厚度約3 nm的MoS2量子點(diǎn)，其在可見(jiàn)光區(qū)間具有尺寸可調(diào)光致發(fā)光特性。用合成的MoS2量子點(diǎn)處理的293T細(xì)胞顯示出來(lái)自細(xì)胞質(zhì)的熒光信號(hào)，表明MoS2量子點(diǎn)作為熒光探針可用于實(shí)時(shí)光學(xué)細(xì)胞成像。Wu等[22]在堿性環(huán)境中，以鈉離子為嵌入劑，通過(guò)超聲剝落MoS2納米片，合成了發(fā)光的MoS2量子點(diǎn)。將其用于肺細(xì)胞體外標(biāo)記，通過(guò)共聚焦顯微鏡觀察到MoS2量子點(diǎn)已成功地被肺細(xì)胞內(nèi)化，明亮的熒光區(qū)域顯示它們大多位于細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中。Dong等[23]利用多層MoS2粉末和四丁基銨輔助超聲技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種可調(diào)諧的MoS2量子點(diǎn)合成方法。產(chǎn)生的MoS2量子點(diǎn)具有高度的穩(wěn)定性和良好生物相容性，并具有上轉(zhuǎn)換和下轉(zhuǎn)換的光致發(fā)光，可用于體外HeLa細(xì)胞成像。最近，Zhong等[24]報(bào)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(fā)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(yīng)為理論基礎(chǔ)的非電離輻射、無(wú)創(chuàng)的新興醫(yī)學(xué)影像技術(shù)。當(dāng)生物組織被脈沖激光照射時(shí)，由于其吸收入射光引起組織局部輕微變熱產(chǎn)生彈性熱膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生超聲波，并通過(guò)超聲探頭檢測(cè)這種超聲信號(hào)來(lái)重建組織圖像。光聲成像同時(shí)具有高穿透度和高對(duì)比的特征，并且應(yīng)用光聲光譜成像技術(shù)，還可定量地反映出各種組織內(nèi)部構(gòu)成、成分信息及血氧飽和度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)分子水平的結(jié)構(gòu)及功能成像。Oraevsky等[25]和Kruger等[26]首先提出了將PAI應(yīng)用于乳腺成像。2001年，Oraevsky團(tuán)隊(duì)報(bào)道了首例基于激光的光聲成像系統(tǒng)的人體成像應(yīng)用，被進(jìn)一步優(yōu)化為光聲層析成像系統(tǒng)[27]。2005年，荷蘭特溫特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了可用于乳腺腫瘤患者檢查的光聲乳腺鏡(PAM)，并證實(shí)了對(duì)乳腺腫瘤進(jìn)行成像的技術(shù)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(qū)域的信號(hào)明顯增強(qiáng)，展現(xiàn)出良好的光聲成像效果。Chen等[30]研究報(bào)道，減少M(fèi)oS2納米片的層數(shù)能顯著增強(qiáng)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(yīng)。通過(guò)體外實(shí)驗(yàn)表明，所制備的具有優(yōu)異生物相容性的S-MoS2可以有效地內(nèi)化到U87膠質(zhì)瘤細(xì)胞中，產(chǎn)生強(qiáng)PA信號(hào)以高度敏感地檢測(cè)腦腫瘤細(xì)胞，檢測(cè)限約100個(gè)細(xì)胞。對(duì)小鼠U87皮下和原位荷瘤靜脈內(nèi)施用S-MoS2，結(jié)果均顯示高效的腫瘤保留能力和顯著增強(qiáng)的PA對(duì)比度，顱骨下方約1.5 mm的腫瘤組織仍可在體內(nèi)清晰可見(jiàn)。

2.1.3 X-CT成像 X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描成像(X-CT)是借助計(jì)算機(jī)對(duì)X射線透過(guò)某一斷層的衰減信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和重建三維圖像的醫(yī)學(xué)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(lái)增強(qiáng)圖像對(duì)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(hào)明顯增強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)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(duì)照)，證實(shí)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(guò)巰基作用自組裝到MoS2二維片層上，形成了MoS2-IO復(fù)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(lái)對(duì)該納米復(fù)合材料進(jìn)行修飾，在生理溶液中獲得了較好的穩(wěn)定性。又通過(guò)六氨基聚乙二醇上的氨基與IO上的羧基作用來(lái)進(jìn)行下一步修飾，提高該納米復(fù)合材料(MoS2-IO-(d)PEG)的生物相容性。修飾后的MoS2-IO-(d)PEG對(duì)近紅外光有很強(qiáng)的吸收，可用于光聲成像顯示腫瘤形貌。同時(shí)，修飾后的MoS2-IO-(d)PEG表現(xiàn)超順磁性，用作核磁共振成像(MRI)的造影劑可增強(qiáng)軟組織的顯影效果。另外，放射性同位素64Cu無(wú)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(fā)射型計(jì)算斷層成像(PET)的造影劑。

2.2 生物傳感

MoS2具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、熱學(xué)和化學(xué)性能穩(wěn)定，經(jīng)修飾后生物相容性好，很好地應(yīng)用在生物分子檢測(cè)和分析的生物傳感領(lǐng)域。Cao等[33]用MoS2-石墨烯-AuNPs/CS復(fù)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(nèi)對(duì)DNA具有較高的靈敏度，檢測(cè)下限為2.2×10-15mol/L。Wang等[34]基于MoS2開(kāi)發(fā)了一種DNA檢測(cè)的電化學(xué)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(tái)檢測(cè)靈敏度高，制備簡(jiǎn)單、且無(wú)需標(biāo)記，對(duì)目標(biāo)互補(bǔ)DNA序列電化學(xué)濃度檢測(cè)范圍在1.0×10-10～1.0×10-16mol/L，檢測(cè)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(fù)合材料，將辣根過(guò)氧化物酶(HRP)固定在MoS2-石墨烯復(fù)合材料上構(gòu)建生物傳感器。該生物傳感器對(duì)H2O2檢測(cè)靈敏度高[約 680 μA/(mmol·cm2)]，線性范圍寬(0.2～1 100 μmol/L)，檢測(cè)限低(0.05 μmol/L)。Wang等[36]通過(guò)簡(jiǎn)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(duì)還原過(guò)氧化氫的電催化有較高的活性。基于MoS2納米粒子構(gòu)建的超靈敏H2O2生物傳感器實(shí)際測(cè)定極限低至2.5 nmol/L，線性范圍寬達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)，成功地記錄了從Raw264.7細(xì)胞釋放H2O2的痕跡。Zhang等[37]在無(wú)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(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(h-BN/N-MoS2)。建立了h-BN/N-MoS2-TMB-H2O2比色測(cè)定平臺(tái)。在實(shí)際中具有高靈敏度和穩(wěn)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(cè)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(fù)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(xiàn)性好和長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，檢測(cè)的質(zhì)量濃度范圍10～300 μmol/L，檢測(cè)限低至2.8 μmol/L。Peng等[39]通過(guò)光照增強(qiáng)MoS2/氧化石墨烯(MoS2/GO)復(fù)合物中酶的活性，MoS2/GO具有較高的導(dǎo)電性以及兩組分的協(xié)同作用，對(duì)血清葡萄糖檢測(cè)具有很好的選擇性和較高的靈敏度。有可見(jiàn)光照時(shí)，對(duì)過(guò)氧化氫的檢測(cè)限可由10 nmol/L降低到 2.5 nmol/L，對(duì)葡萄糖的檢測(cè)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，增強(qiáng)電催化反應(yīng)。該生物電極對(duì)葡萄糖檢測(cè)的靈敏度為13.80 μA/(μmol·cm2)，線性響應(yīng)范圍為0.25～13.2 mmol/L，檢測(cè)限達(dá)0.042 μmol/L。

3 總結(jié)與展望

MoS2納米材料具有優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)以及超大比表面積、熱學(xué)或化學(xué)穩(wěn)定性、生物相容性等性質(zhì)，已經(jīng)受到越來(lái)越多研究者關(guān)注。然而，MoS2基納米材料的研究還處于初級(jí)階段，在未來(lái)臨床應(yīng)用方面的應(yīng)用仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為了評(píng)價(jià)其相應(yīng)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(yī)學(xué)診斷和治療中，仍然需要對(duì)具有特定基團(tuán)的MoS2納米材料進(jìn)行修飾，使其具有靶向性或刺激反應(yīng)性。在生物傳感領(lǐng)域仍需加大研究力度，提高催化效率、增加 MoS2及其復(fù)合納米材料的生物相容性、檢測(cè)靈敏性和選擇性等。近年來(lái)，關(guān)于MoS2納米材料的研究迅猛發(fā)展，相信這種性質(zhì)豐富的納米材料將在納米生物、醫(yī)藥等方面得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。