Een diepgaande studie van tweedimensionale overgangsmetaalchalcogeniden

Onderzoekers presenteren de eigenschapsmodulaties van tweedimensionale overgangsmetaalchalcogeniden, inclusief hun fundamentele eigenschap, modulatiemethoden en functionalisering. Daarnaast worden hun toepassingen als hooggevoelige biosensoren grondig besproken. Credit: Nano-onderzoeksenergieTsinghua Universitaire Pers

Tweedimensionale materialen, zoals overgangsmetaal dichalcogenide, hebben toepassingen in de volksgezondheid vanwege hun grote oppervlak en hoge oppervlaktegevoeligheden, samen met hun unieke elektrische, optische en elektrochemische eigenschappen. Een onderzoeksteam heeft een overzichtsstudie uitgevoerd van methoden die worden gebruikt om de eigenschappen van tweedimensionaal overgangsmetaaldichalcogenide (TMD) te moduleren. Deze methoden hebben belangrijke biomedische toepassingen, waaronder biosensing.

Het werk van het team wordt gepubliceerd in het tijdschrift Nano-onderzoeksenergie.

Het doel van het team is om een ​​uitgebreide samenvatting te geven van dit veelbelovende veld en de uitdagingen en kansen te laten zien die beschikbaar zijn in dit onderzoeksgebied.

“In deze review concentreren we ons op de allernieuwste methoden om eigenschappen van tweedimensionale TMD en hun toepassingen in biosensing te moduleren. In het bijzonder bespreken we grondig de structuur, intrinsieke eigenschappen, eigenschapsmodulatiemethoden en biosensing-toepassingen van TMD,” zei Yu Lei, een assistent-professor aan het Institute of Materials Research, Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University.

Sinds de ontdekking van grafeen in 2004 hebben tweedimensionale materialen, zoals TMD, veel aandacht getrokken. Vanwege zijn unieke eigenschappen kan tweedimensionale TMD dienen als de atomair dunne platforms voor energieopslag en -conversie, foto-elektrische conversie, katalyse en biosensing. TMD vertoont ook een brede bandstructuur en heeft ongebruikelijke optische eigenschappen. Nog een ander voordeel van tweedimensionale TMD is dat het tegen lage kosten in grote hoeveelheden kan worden geproduceerd.

In de volksgezondheid is betrouwbare en betaalbare in vitro en in vivo detectie van biomoleculen essentieel voor ziektepreventie en diagnose. Vooral tijdens de COVID-19-pandemie hebben mensen niet alleen geleden onder de lichamelijke ziekte, maar ook onder de psychische problemen die verband houden met uitgebreide blootstelling aan stress.

Uitgebreide stress kan leiden tot abnormale niveaus van biomarkers zoals serotonine, dopamine, cortisol en epinefrine. Het is dus essentieel dat wetenschappers niet-invasieve manieren vinden om deze biomarkers in lichaamsvloeistoffen, zoals zweet, tranen en speeksel, te monitoren. Om ervoor te zorgen dat professionals in de gezondheidszorg snel en nauwkeurig de stress van een persoon kunnen beoordelen en psychische aandoeningen kunnen diagnosticeren, zijn biosensoren van groot belang in de diagnostiek, milieumonitoring en forensische industrie.

Het team beoordeelde het gebruik van tweedimensionale TMD als het functionele materiaal voor biosensing, de benaderingen om de eigenschappen van TMD te moduleren en verschillende soorten op TMD gebaseerde biosensoren, waaronder elektrische, optische en elektrochemische sensoren.

“Volksgezondheidsonderzoek is altijd een belangrijke taak bij het voorkomen, diagnosticeren en bestrijden van ziekten. Het ontwikkelen van ultragevoelige en selectieve biosensoren is van cruciaal belang voor het voorkomen en diagnosticeren van ziekten”, zegt Bilu Liu, universitair hoofddocent en hoofdonderzoeker bij het Shenzhen Geim Graphene Center. , Shenzhen International Graduate School, Tsinghua-universiteit.

Tweedimensionale TMD is een zeer gevoelig platform voor biosensing. Deze tweedimensionale op TMD gebaseerde elektrische/optische/elektrochemische sensoren zijn gemakkelijk gebruikt voor biosensoren variërend van kleine ionen en moleculen, zoals Ca²⁺H⁺H₂O₂NEE₂NH₃tot biomoleculen zoals dopamine en cortisol, die verband houden met ziekten van het centrale zenuwstelsel, en helemaal tot complexe moleculen, zoals bacteriën, virussen en eiwitten.

Het onderzoeksteam stelde vast dat ondanks de opmerkelijke mogelijkheden, veel uitdagingen met betrekking tot op TMD gebaseerde biosensoren nog moeten worden opgelost voordat ze een echte impact kunnen hebben. Ze suggereren verschillende mogelijke onderzoeksrichtingen. Het team beveelt aan om de feedbacklus, ondersteund door machine learning, te gebruiken om de testtijd te verkorten die nodig is om de database op te bouwen die nodig is om de juiste biomoleculen en TMD-paren te vinden.

Hun tweede aanbeveling is het gebruik van een feedbacklus die wordt ondersteund door machine learning om de on-demand eigenschapsmodulatie en biomoleculen/TMD-database te bereiken. Wetende dat op TMD gebaseerde composieten uitstekende prestaties leveren wanneer ze in apparaten worden geconstrueerd, is hun derde aanbeveling dat oppervlaktemodificaties, zoals defecten en vacatures, worden toegepast om de activiteit van de op TMD gebaseerde composieten te verbeteren.

Hun laatste aanbeveling is dat er goedkope fabricagemethoden bij lage temperatuur worden ontwikkeld om TMD te bereiden. De huidige chemische dampafzettingsmethode die wordt gebruikt om TMD te bereiden, kan leiden tot scheuren en rimpels. Een goedkope methode bij lage temperatuur zou de kwaliteit van de films verbeteren. “Nu de belangrijkste technische problemen zijn opgelost, zullen de apparaten op basis van tweedimensionale TMD de overkoepelende kandidaten zijn voor de nieuwe gezondheidszorgtechnologieën”, aldus Lei.