Исследование двумерных халькогенидов переходных металлов

Двумерные материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов (TMD), имеют перспективы в здравоохранении благодаря большой удельной поверхности, высокой чувствительности, а также уникальным электрическим, оптическим и электрохимическим свойствам. Исследовательская группа провела обзор методов, используемых для модуляции свойств двумерных TMD. Эти методы важны для биомедицинских применений, включая биосенсорику.

Работа опубликована в журнале Nano Research Energy.

Цель команды — представить всестороннее обобщение этой перспективной области и показать стоящие перед ней вызовы и возможности.

«В этом обзоре мы сосредоточились на современных методах модуляции свойств двумерных TMD и их применениях в биосенсорике. В частности, мы подробно обсудили структуру, внутренние свойства, методы модуляции свойств и применения TMD в биосенсинге», — сказал Юй Лэй, доцент Института исследований материалов Шэньчжэньской международной аспирантуры Университета Цинхуа.

С момента открытия графена в 2004 году двумерные материалы, такие как TMD, привлекли значительное внимание. Благодаря своим уникальным свойствам двумерные TMD могут служить атомарно тонкими платформами для хранения и преобразования энергии, фотоэлектрического преобразования, катализа и биосенсинга. TMD также демонстрируют широкую зонную структуру и необычные оптические свойства. Ещё одно преимущество двумерных TMD — возможность их крупномасштабного производства при низкой стоимости.

В здравоохранении надёжное и доступное обнаружение биомолекул in vitro и in vivo имеет важное значение для профилактики и диагностики заболеваний. Особенно во время пандемии COVID-19 люди страдали не только от физической болезни, но и от психологических проблем, связанных с длительным воздействием стресса.

Хронический стресс может приводить к аномальному уровню биомаркеров, таких как серотонин, дофамин, кортизол и адреналин. Поэтому учёным необходимо найти неинвазивные способы мониторинга этих биомаркеров в жидкостях организма, таких как пот, слёзы и слюна. Для быстрой и точной оценки уровня стресса и диагностики психологических заболеваний медицинским работникам крайне важны биосенсоры, которые также играют значительную роль в диагностике, мониторинге окружающей среды и криминалистике.

Команда рассмотрела использование двумерных TMD в качестве функционального материала для биосенсинга, подходы к модуляции их свойств, а также различные типы биосенсоров на основе TMD, включая электрические, оптические и электрохимические сенсоры.

«Исследования в области общественного здравоохранения всегда являются основной задачей для предотвращения, диагностики и борьбы с заболеваниями. Разработка сверхчувствительных и селективных биосенсоров критически важна для профилактики и диагностики болезней», — сказал Билу Лю, доцент и руководитель группы в Шэньчжэньском центре графена Гейма Шэньчжэньской международной аспирантуры Университета Цинхуа.

Двумерные TMD представляют собой очень чувствительную платформу для биосенсинга. Эти сенсоры на их основе уже используются для обнаружения объектов — от малых ионов и молекул, таких как Ca²⁺, H⁺, H₂O₂, NO₂, NH₃, до биомолекул, таких как дофамин и кортизол, связанных с заболеваниями центральной нервной системы, и вплоть до сложных молекул, таких как бактерии, вирусы и белки.

Исследователи пришли к выводу, что, несмотря на выдающийся потенциал, перед реальным внедрением биосенсоров на основе TMD необходимо решить множество проблем. Они предлагают несколько возможных направлений для исследований:

1. Использование обратной связи, поддерживаемой машинным обучением, для сокращения времени тестирования, необходимого для создания базы данных для поиска оптимальных пар «биомолекула — TMD».
2. Использование такой обратной связи для достижения модуляции свойств по требованию и создания базы данных по биомолекулам/TMD.
3. Принятие методов поверхностной модификации, таких как создание дефектов и вакансий, для повышения активности композитов на основе TMD, которые демонстрируют отличные характеристики в устройствах.
4. Разработка недорогих методов изготовления TMD при низких температурах. Текущий метод химического осаждения из газовой фазы может приводить к образованию трещин и складок. Низкотемпературный метод снизит стоимость и улучшит качество плёнок.

«По мере решения ключевых технических проблем устройства на основе двумерных TMD станут главными кандидатами для новых медицинских технологий», — сказал Лэй.