综述：二维材料：从设计合成到电学和电化学生物传感器中的应用

这篇综述系统评述了各类二维（2D）材料（包括石墨烯、过渡金属二硫属化物（TMDs）、MXenes、金属有机框架（MOFs）等）在电学（FET）和电化学（EIS/DPV/CV）生物传感器中的应用潜力，重点探讨了材料合成（如CVD、液相剥离）、功能化策略（如PBASE/EDC-NHS偶联）与性能优化方案，为开发高灵敏度、低成本的可穿戴诊断设备提供了材料设计指引。

二维材料在生物传感领域的革命性潜力

近年来，二维（2D）材料因其独特的物理化学性质在生物传感领域引发研究热潮。这类材料仅几个原子层厚度，却展现出高比表面积、优异导电性和可调控能带结构等特性，为构建新一代高灵敏度生物传感器提供了理想平台。

电学与电化学传感平台

电化学生物传感器通过电极表面生物识别元件与靶标结合引发的电信号变化（电流、电位、阻抗等）实现检测，其性能核心在于二维材料修饰电极的催化活性与生物受体固定效率。场效应晶体管（FET）生物传感器则利用半导体沟道材料电导率变化实现检测，二维材料如MoS₂因其直接带隙特性可显著提升器件开关比。

石墨烯基二维材料

石墨烯作为首个被发现的二维材料，其零带隙特性限制了在FET中的应用，而氧化石墨烯（GO）及其还原产物（rGO）通过含氧官能团（-COOH/-OH）实现生物受体共价固定，在电化学传感器中表现突出。化学气相沉积（CVD）石墨烯虽质量优异但成本高昂，改进型Hummers法制备的rGO更适合规模化生产。

过渡金属二硫化物（TMDs）

MoS₂和WS₂等TMDs具有层数依赖的半导体特性（单层为直接带隙≈1.8 eV），其硫空位可通过硫醇分子修饰实现生物探针固定。液相剥离结合锂插层法可制备高质量纳米片，而CVD生长单晶薄膜更适合高性能FET器件，例如MoS₂-FET对前列腺特异性抗原（PSA）检测限达1 fg/mL。

MXenes材料

这类金属碳/氮化物（如Ti₃C₂T_x）兼具金属级导电性（≈20,000 S/cm）和亲水表面，熔盐蚀刻法可调控表面终止基团（-Br/-OH）。通过聚乙烯亚胺（PEI）功能化后，其电化学传感器对维生素D的检测限低至1 pg/mL，而MXene/石墨烯异质结构FET对大肠杆菌检测灵敏度达3 CFU/mL。

金属/共价有机框架（MOFs/COFs）

二维MOFs的周期性孔隙结构有利于生物分子富集，如Zr-MOF通过磷酸基团相互作用固定适体，实现miRNA-21的zeptomolar级检测。COFs的共轭结构可增强电子传递，卟啉基COF修饰电极对表皮生长因子受体（EGFR）的检测限为7.54 fg/mL。

其他新兴二维材料

黑磷（BP）的褶皱结构赋予其各向异性电学性能，Al₂O₃钝化的BP-FET可重复检测皮质醇。氢化锗烯（Ge-H）通过Au-S键固定DNA探针，对可卡因检测限达4.9 aM。六方氮化硼（h-BN）作为理想介电层，可降低FET器件的界面散射噪声。

挑战与展望

当前二维材料生物传感器仍面临规模化制备（如MXenes的HF蚀刻风险）、生物受体定向固定（如TMDs的惰性表面修饰）、以及环境稳定性（如BP的大气降解）等挑战。未来通过开发绿色合成工艺（如电化学剥离）、构建异质结构（如rGO/MoS₂杂化）、开发新型功能化策略（如点击化学），将加速其在POCT诊断、可穿戴设备等领域的实际应用。