MoS2基纳米复合材料在生物成像及生物传感领域中应用

莫忠，梁立容，魏爱香

(1.中山大学新华学院 生物医学工程学院，广东 广州 510520；2.中山大学新华学院 信息科学学院，广东 广州 510520)

过渡金属硫化物的结构类似于石墨烯，具有许多特殊的光学、电学以及化学性质而受到广泛关注。二维层状二硫化钼(MoS2)表现特异的光电、催化、能量收集和生物特性。近几年，人们研究报道了MoS2及其复合材料的合成方法、光电性质以及其应用。MoS2在结构和电学上类似于石墨烯，可以从大块的MoS2中剥离，也可以采用水热法、化学气相沉积法或气固合成法等制备手段获得不同形貌和应用的MoS2，如片状、线状和管状MoS2以及类花状纳米微球和量子点[1-4]。MoS2地球储量丰富，其块体材料间接带隙较窄，禁带宽度达到1.2 eV，然而单层片状MoS2的直接带隙达到1.8 eV，显示出光吸收和光致发光特性[5-6]。因此，MoS2具有许多独特的光学、物理化学性质，广泛应用于光催化、能源、电子芯片、生物检测以及医学成像等领域。

MoS2二维材料作为一种治疗剂在生物医学应用中展现出极大潜力。本文概述了合成MoS2纳米材料的常用方法，对MoS2基纳米复合材料在生物成像及生物传感方面的研究和应用现状做出了较详细的综述和总结，并归纳和展望了MoS2作为一种潜在的二维纳米材料未来发展和面临的挑战。

1 MoS2的合成方法

目前，国内外报道中常见的MoS2和其他半导体的复合材料合成方法有：前驱体分解法、化学气相沉积法(CVD)、锂插层法以及溶剂热/水热合成法。

1.1 前驱体分解法

Liu等[7]以钼酸铵为反应前驱物材料，在氩气环境中，采用两步热分解方法在SiO2基片上合成了结晶性好、面积大的MoS2薄膜。Wang等[8]以氧化石墨烯(GO)、(NH4)2MoS4为原料，合成了MoS2/GO材料，其电化学可逆容量在循环55周期后仍能达到793 mA·h/g。

1.2 化学气相沉积法

CVD技术能够非常有效地制备高质量、可伸缩、均匀好和大尺寸单层纳米片和连续薄膜，是合成MoS2常用的方法。Lee等[9]采用CVD技术合成了单层结构的MoS2，实验以S单质和MoO3为反应前驱材料，在氮气气氛中，直接在SiO2衬底上沉积。Chen等[10]采用改进的常压CVD法，用MoO3粉末和硫磺粉作为反应前驱物，氮气作为保护气体，在SiO2衬底上沉积了高质量、大尺寸的MoS2晶体。Wang等[11]通过对MoO2微晶进行逐层硫化制备高结晶菱形MoS2纳米片，为控制合成MoS2原子层提供了一种新的方法。

1.3 锂插层法

锂离子插层剥离法是在有机溶剂中将MoS2粉末与正丁基锂混合来进行插层，随后在水中反应超声而剥离的简单易行的合成方法。早在1986年就由Joensen等[12]所报道，2011年，Eda等[13]通过Li嵌入法大量剥离MoS2块材制得单层MoS2纳米片。Qiao等[14]使用锂(Li)插层的多层剥离法制备单层MoS2量子点(<10 nm)，并从量子禁闭和边缘效应研究了其光学性质。Zeng等[15]优化了这种化学插层方法，通过电化学方法实现了锂离子插层精确可控，使得 MoS2合成更简单高效。

1.4 溶剂热/水热合成法

Zhang等[16]以硫脲和钼酸铵[(NH4)6Mo7O24]为前驱体，水热温度220 ℃，反应时间6 h，合成了分散性良好的三维花状MoS2微球，其直径约4 μm。Lin等[17]以硫脲(CH3CSNH2)和钼酸钠(Na2MoO4·2H2O)为前驱物，适量的硅钨酸作为添加剂，220 ℃水热反应24 h，成功合成了结晶性良好的MoS2纳米棒，其长度范围为400～500 nm，平均直径为 20～50 nm。Chang等[18]采用钼酸盐、硫脲、氧化石墨烯纳米片和葡萄糖为原料，240 ℃水热反应24 h后，在H2/N2中800 ℃煅烧2 h，最后生成纳米MoS2/G@a-C复合材料。Ren等[19]报道了以二苄基二硫化物和钼酸钠为前驱体，水热法合成均匀的单层MoS2量子点，所合成的MoS2量子点具有放大的本征电导和明显的吸收光谱蓝移。

2 MoS2基复合材料的生物成像及生物传感应用

2.1 生物成像

2.1.1 生物荧光成像 MoS2基纳米复合材料已用于生物成像来研究细胞的内部特性和组织。MoS2量子点具有良好的生物相容性、高的生理稳定性和良好的单光子、双光子荧光成像特性。双光子荧光(TPF)成像是一种使用近红外光(NIR)激发，可对深层(1 mm)活组织进行光学成像的技术，具有深层组织渗透，最小的自发荧光和减少的光致漂白等特性[20]。Lin等[21]使用(NH4)2MoS4作为反应物，油酸胺为还原剂，合成了厚度约3 nm的MoS2量子点，其在可见光区间具有尺寸可调光致发光特性。用合成的MoS2量子点处理的293T细胞显示出来自细胞质的荧光信号，表明MoS2量子点作为荧光探针可用于实时光学细胞成像。Wu等[22]在碱性环境中，以钠离子为嵌入剂，通过超声剥落MoS2纳米片，合成了发光的MoS2量子点。将其用于肺细胞体外标记，通过共聚焦显微镜观察到MoS2量子点已成功地被肺细胞内化，明亮的荧光区域显示它们大多位于细胞的细胞质中。Dong等[23]利用多层MoS2粉末和四丁基铵辅助超声技术，开发了一种可调谐的MoS2量子点合成方法。产生的MoS2量子点具有高度的稳定性和良好生物相容性，并具有上转换和下转换的光致发光，可用于体外HeLa细胞成像。最近，Zhong等[24]报道了单层MoS2纳米片的多光子荧光成像，研究表明，在低功率近红外激光激发下，壳聚糖功能化的MoS2纳米片可作为非漂白、非闪烁的纳米探针用于TPF和二次谐波生物成像。

2.1.2 光声成像 光声成像(PAI)是一种以光声效应为理论基础的非电离辐射、无创的新兴医学影像技术。当生物组织被脉冲激光照射时，由于其吸收入射光引起组织局部轻微变热产生弹性热膨胀，进而产生超声波，并通过超声探头检测这种超声信号来重建组织图像。光声成像同时具有高穿透度和高对比的特征，并且应用光声光谱成像技术，还可定量地反映出各种组织内部构成、成分信息及血氧饱和度等参数，实现分子水平的结构及功能成像。Oraevsky等[25]和Kruger等[26]首先提出了将PAI应用于乳腺成像。2001年，Oraevsky团队报道了首例基于激光的光声成像系统的人体成像应用，被进一步优化为光声层析成像系统[27]。2005年，荷兰特温特大学研究团队构建了可用于乳腺肿瘤患者检查的光声乳腺镜(PAM)，并证实了对乳腺肿瘤进行成像的技术可行性[28]。Liu等[29]用聚乙二醇(LA-PEG)修饰单层MoS2纳米薄片得水溶性和生物相容性良好的试剂。小鼠体尾静脉注射后，在脉冲激光照射下肿瘤区域的信号明显增强，展现出良好的光声成像效果。Chen等[30]研究报道，减少MoS2纳米片的层数能显著增强近红外光吸收并改善纳米材料的弹性特性，从而大幅度放大PA效应。通过体外实验表明，所制备的具有优异生物相容性的S-MoS2可以有效地内化到U87胶质瘤细胞中，产生强PA信号以高度敏感地检测脑肿瘤细胞，检测限约100个细胞。对小鼠U87皮下和原位荷瘤静脉内施用S-MoS2，结果均显示高效的肿瘤保留能力和显著增强的PA对比度，颅骨下方约1.5 mm的肿瘤组织仍可在体内清晰可见。

2.1.3 X-CT成像 X射线计算机断层扫描成像(X-CT)是借助计算机对X射线透过某一断层的衰减信号进行数据处理和重建三维图像的医学诊断方法，通常注入(或服用)比周围组织密度高或低的造影剂来增强图像对比度。Yin等[31]利用壳聚糖(CS)修饰的MoS2纳米片作为造影剂的CT图像中，随着试剂浓度的增加，信号明显增强。研究发现CS-MoS2纳米片的CT值斜率(14.2)高于商用碘普罗胺300(13.0)(以0.5%琼脂糖去离子水为对照)，证实了CS-MoS2纳米片是一种新型有效的CT造影剂。

2.1.4 多模式成像 Liu等[32]将Fe3O4纳米颗粒(IO)用聚乙二醇(PEG)400修饰，通过巯基作用自组装到MoS2二维片层上，形成了MoS2-IO复合材料。然后用LA-PEG上的双硫键和MoS2二维片层上的缺陷之间的作用来对该纳米复合材料进行修饰，在生理溶液中获得了较好的稳定性。又通过六氨基聚乙二醇上的氨基与IO上的羧基作用来进行下一步修饰，提高该纳米复合材料(MoS2-IO-(d)PEG)的生物相容性。修饰后的MoS2-IO-(d)PEG对近红外光有很强的吸收，可用于光声成像显示肿瘤形貌。同时，修饰后的MoS2-IO-(d)PEG表现超顺磁性，用作核磁共振成像(MRI)的造影剂可增强软组织的显影效果。另外，放射性同位素64Cu无需螯合剂就能很好地吸附在MoS2二维片层上，可以用作正电子发射型计算断层成像(PET)的造影剂。

2.2 生物传感

MoS2具有优良的导电性、热学和化学性能稳定，经修饰后生物相容性好，很好地应用在生物分子检测和分析的生物传感领域。Cao等[33]用MoS2-石墨烯-AuNPs/CS复合材料修饰玻璃电极组装单链DNA探针。该传感器在5.0×10-14～5.0×10-9mol/L范围内对DNA具有较高的灵敏度，检测下限为2.2×10-15mol/L。Wang等[34]基于MoS2开发了一种DNA检测的电化学生物传感器。超声剥落的薄层MoS2纳米片沉积在裸碳糊电极(CPE)的表面上，然后固定单链DNA分子。该传感平台检测灵敏度高，制备简单、且无需标记，对目标互补DNA序列电化学浓度检测范围在1.0×10-10～1.0×10-16mol/L，检测下限为1.9×10-17mol/L。

Song等[35]制备了具有良好生物相容性的MoS2/石墨烯纳米复合材料，将辣根过氧化物酶(HRP)固定在MoS2-石墨烯复合材料上构建生物传感器。该生物传感器对H2O2检测灵敏度高[约 680 μA/(mmol·cm2)]，线性范围宽(0.2～1 100 μmol/L)，检测限低(0.05 μmol/L)。Wang等[36]通过简单的超声处理和梯度离心由块体MoS2制备了尺寸<2 nm的MoS2纳米颗粒。这些超小的MoS2纳米颗粒暴露了很大部分边缘部位，对还原过氧化氢的电催化有较高的活性。基于MoS2纳米粒子构建的超灵敏H2O2生物传感器实际测定极限低至2.5 nmol/L，线性范围宽达5个数量级，成功地记录了从Raw264.7细胞释放H2O2的痕迹。Zhang等[37]在无毒乙醇溶液中使用液相剥离法得到了六角相氮化硼和氮化物掺杂MoS2异质结构复合材料(h-BN/N-MoS2)。建立了h-BN/N-MoS2-TMB-H2O2比色测定平台。在实际中具有高灵敏度和稳定性，在最佳条件下，它具有1～1 000 μmol/L的宽线性范围，最低检测限为0.4 μmol/L。

Su等[38]在玻璃碳电极(GCE)上制备MoS2纳米片/金纳米颗粒(AuNPs)复合材料，将葡萄糖氧化酶(GOx) 固定在其表面。修饰电极具有电催化活性高、重现性好和长期稳定性等优点，检测的质量浓度范围10～300 μmol/L，检测限低至2.8 μmol/L。Peng等[39]通过光照增强MoS2/氧化石墨烯(MoS2/GO)复合物中酶的活性，MoS2/GO具有较高的导电性以及两组分的协同作用，对血清葡萄糖检测具有很好的选择性和较高的灵敏度。有可见光照时，对过氧化氢的检测限可由10 nmol/L降低到 2.5 nmol/L，对葡萄糖的检测限由0.83 μmol/L降低到65 nmol/L。Parlak等[40]以MoS2纳米片作为理想的半导体界面，在电极表面形成一层均匀的金纳米粒子组装层形成MoS2/Au-NPs/Gox结构，增强电催化反应。该生物电极对葡萄糖检测的灵敏度为13.80 μA/(μmol·cm2)，线性响应范围为0.25～13.2 mmol/L，检测限达0.042 μmol/L。

3 总结与展望

MoS2纳米材料具有优良的光学、电学以及超大比表面积、热学或化学稳定性、生物相容性等性质，已经受到越来越多研究者关注。然而，MoS2基纳米材料的研究还处于初级阶段，在未来临床应用方面的应用仍然面临着巨大的挑战。为了评价其相应的功能性和毒性，迫切需要制备具有特定厚度、横向尺寸和晶相的MoS2纳米材料。在生物医学诊断和治疗中，仍然需要对具有特定基团的MoS2纳米材料进行修饰，使其具有靶向性或刺激反应性。在生物传感领域仍需加大研究力度，提高催化效率、增加 MoS2及其复合纳米材料的生物相容性、检测灵敏性和选择性等。近年来，关于MoS2纳米材料的研究迅猛发展，相信这种性质丰富的纳米材料将在纳米生物、医药等方面得到广泛的发展和应用。