Zweidimensionale Materialien wie Übergangsmetalldichalkogenid finden aufgrund ihrer großen Oberfläche und hohen Oberflächenempfindlichkeit zusammen mit ihren einzigartigen elektrischen, optischen und elektrochemischen Eigenschaften Anwendung im Gesundheitswesen. Ein Forschungsteam hat eine Übersichtsstudie über Methoden durchgeführt, die verwendet werden, um die Eigenschaften von zweidimensionalem Übergangsmetall-Dichalkogenid (TMD) zu modulieren. Diese Methoden haben wichtige biomedizinische Anwendungen, einschließlich der Biosensorik.
Die Arbeit des Teams wird in der Zeitschrift veröffentlicht Nano-Forschungsenergie.
Das Ziel des Teams ist es, eine umfassende Zusammenfassung dieses zukunftsträchtigen Feldes zu präsentieren und Herausforderungen und Möglichkeiten aufzuzeigen, die in diesem Forschungsgebiet vorhanden sind.
„In dieser Übersicht konzentrieren wir uns auf die modernsten Methoden zur Modulation der Eigenschaften zweidimensionaler TMD und deren Anwendungen in der Biosensorik. Insbesondere diskutieren wir ausführlich die Struktur, die intrinsischen Eigenschaften, die Methoden zur Modulation von Eigenschaften und die Anwendungen der Biosensorik von TMD“, sagte Yu Lei, Assistenzprofessor am Institut für Materialforschung der Shenzhen International Graduate School der Tsinghua-Universität.
Seit der Entdeckung von Graphen im Jahr 2004 haben zweidimensionale Materialien wie TMD große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften kann zweidimensionales TMD als atomar dünne Plattform für Energiespeicherung und -umwandlung, photoelektrische Umwandlung, Katalyse und Biosensorik dienen. TMD zeigt auch eine Breitbandstruktur und hat ungewöhnliche optische Eigenschaften. Ein weiterer Vorteil der zweidimensionalen TMD besteht darin, dass sie in großen Mengen zu geringen Kosten hergestellt werden kann.
Im öffentlichen Gesundheitswesen ist ein zuverlässiger und erschwinglicher In-vitro- und In-vivo-Nachweis von Biomolekülen für die Krankheitsprävention und -diagnose unerlässlich. Gerade während der COVID-19-Pandemie haben Menschen nicht nur unter der körperlichen Erkrankung, sondern auch unter den psychischen Problemen gelitten, die mit der übermäßigen Belastung durch Stress verbunden sind.
Übermäßiger Stress kann zu abnormalen Werten von Biomarkern wie Serotonin, Dopamin, Cortisol und Epinephrin führen. Daher ist es wichtig, dass Wissenschaftler nicht-invasive Wege finden, um diese Biomarker in Körperflüssigkeiten wie Schweiß, Tränen und Speichel zu überwachen. Damit Fachleute im Gesundheitswesen den Stress einer Person schnell und genau einschätzen und psychische Erkrankungen diagnostizieren können, sind Biosensoren in der Diagnostik, der Umweltüberwachung und der forensischen Industrie von erheblicher Bedeutung.
Das Team überprüfte die Verwendung von zweidimensionalem TMD als funktionelles Material für die Biosensorik, die Ansätze zur Modulation der Eigenschaften von TMD und verschiedene Arten von TMD-basierten Biosensoren, einschließlich elektrischer, optischer und elektrochemischer Sensoren.
„Studien zur öffentlichen Gesundheit sind immer eine wichtige Aufgabe bei der Prävention, Diagnose und Bekämpfung von Krankheiten. Die Entwicklung ultraempfindlicher und selektiver Biosensoren ist entscheidend für die Prävention und Diagnose von Krankheiten“, sagte Bilu Liu, außerordentlicher Professor und leitender Forscher am Shenzhen Geim Graphene Center , Shenzhen International Graduate School, Tsinghua-Universität.
Zweidimensionale TMD ist eine sehr empfindliche Plattform für die Biosensorik. Diese zweidimensionalen TMD-basierten elektrischen/optischen/elektrochemischen Sensoren wurden bereits für Biosensoren verwendet, die von kleinen Ionen und Molekülen wie Ca2+, H+, H2O2, NO2, NH3 bis hin zu Biomolekülen wie Dopamin und Cortisol reichen, die mit dem Zentralsensor verwandt sind Nervenkrankheiten bis hin zu komplexen Molekülen wie Bakterien, Viren und Proteinen.
Das Forschungsteam stellte fest, dass trotz des bemerkenswerten Potenzials viele Herausforderungen im Zusammenhang mit TMD-basierten Biosensoren noch gelöst werden müssen, bevor sie wirklich etwas bewirken können. Sie schlagen mehrere mögliche Forschungsrichtungen vor. Das Team empfiehlt, dass die durch maschinelles Lernen unterstützte Rückkopplungsschleife verwendet wird, um die Testzeit zu reduzieren, die zum Aufbau der Datenbank erforderlich ist, die zum Auffinden der richtigen Biomoleküle und TMD-Paare benötigt wird.
Ihre zweite Empfehlung ist die Verwendung einer Rückkopplungsschleife, die durch maschinelles Lernen unterstützt wird, um die On-Demand-Eigenschaftsmodulation und die Biomoleküle/TMD-Datenbank zu erreichen. In dem Wissen, dass TMD-basierte Verbundwerkstoffe eine hervorragende Leistung zeigen, wenn sie in Vorrichtungen eingebaut werden, lautet ihre dritte Empfehlung, dass Oberflächenmodifikationen wie Defekte und Leerstellen vorgenommen werden, um die Aktivität der TMD-basierten Verbundwerkstoffe zu verbessern.
Ihre letzte Empfehlung ist, dass kostengünstige Herstellungsverfahren bei niedriger Temperatur entwickelt werden, um TMD herzustellen. Das derzeit zur Herstellung von TMD verwendete chemische Dampfabscheidungsverfahren kann zu Rissen und Falten führen. Ein kostengünstiges Niedertemperaturverfahren würde die Qualität der Filme verbessern. „Sobald die wichtigsten technischen Probleme gelöst sind, werden die auf zweidimensionaler TMD basierenden Geräte die übergreifenden Kandidaten für die neuen Gesundheitstechnologien sein“, sagte Lei.
Mehr Informationen:
Kaiqiang Wang et al, Bio-inspirierte wasserbetriebene Stromgeneratoren: Von grundlegenden Mechanismen zu praktischen Anwendungen, Nano-Forschungsenergie (2022). DOI: 10.26599/NRE.2023.9120042
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press