综述：癌症生物标志物的进展：当前的检测策略与挑战

《Coordination Chemistry Reviews》：Advances in cancer biomarkers: current detection strategies and challenges

本文综述了二维材料在氢气传感器中的应用，重点分析了MoS?、WS?、石墨烯等材料的特性，及其通过化学电阻、场效应晶体管等机制实现的高灵敏度、室温检测优势。研究指出，二维材料的原子级厚度和可调带隙显著提升氢吸附动力学与选择性，但存在环境干扰、规模化生产难等问题。最后探讨了异质结设计、催化层优化等未来发展方向。

　　氢气作为一种清洁能源，近年来在能源领域受到越来越多的关注。其潜在的应用包括替代化石燃料和减少有害排放，这使其成为未来可持续能源发展的重要方向。然而，氢气的高可燃性和易爆性也带来了严峻的安全挑战，特别是在其浓度超过4%时，氢气会表现出自燃特性，因此需要高效的传感器来实时监测其浓度，以确保在各种应用场景中的安全性。当前，传统金属氧化物基传感器虽然在氢气检测方面具有一定的应用，但其工作温度通常较高，导致能耗增加，并且在实际应用中存在交叉敏感性问题，容易受到其他气体如CO、NO?和湿度的影响。此外，这些传感器在某些情况下还可能表现出较慢的响应和恢复时间，限制了其在动态环境中的适用性。

为了克服这些挑战，近年来二维（2D）材料在氢气传感领域展现出巨大的潜力。2D材料具有独特的原子层结构，不仅提供了巨大的表面积，还能够通过可编程的表面终止和界面特性实现高效的氢气检测。这些材料的薄层特性使得它们在常温下也能表现出良好的性能，从而减少了对外部加热的需求，降低了功耗，提高了便携性和可穿戴设备的可行性。同时，2D材料的高电子迁移率和可调带隙特性也使其在灵敏度和选择性方面具有显著优势。例如，MoS?、WS?等具有可调带隙的2D半导体材料能够根据不同的气体分子进行定制，以实现更精确的检测。

此外，2D材料的表面改性和功能化技术也在不断进步。通过掺杂、缺陷工程以及与催化金属（如Pd、Pt）的结合，可以显著增强氢气的吸附和脱附过程，从而提升传感器的响应速度和灵敏度。例如，Pd负载的SnO?纳米纤维在常温下表现出超低检测限（约20 ppb），并且具有快速的响应和恢复时间（分别为13秒和9秒），以及高选择性。这种材料通过催化氢气的解离和有效的电荷转移机制，实现了高效的氢气传感。

在场效应晶体管（FET）结构中，2D材料的使用同样具有重要意义。FET传感器能够将气体引起的表面现象转化为显著的电信号，其灵敏度通常比传统的双端化学电阻传感器高几个数量级。氢气在FET传感器中的作用机制包括直接电荷转移、偶极子形成、催化解离和溢出效应，以及通过介电层或吸附层进行的化学门控。例如，Pt/Pd结型无源气体管FET（JL-GT-FET）结构能够实现工业级氢气检测，其独特的预偏置方法使得传感器在不依赖额外加热的情况下也能快速响应。而基于碳纳米管（CNT）通道的FET传感器则通过引入Pd作为传感门和Y?O?作为介电层，实现了超低检测限（约20 ppb）和良好的选择性。

除了电化学和场效应机制，质量敏感型传感器（如微悬臂梁、表面声波（SAW）传感器和石英晶体微天平（QCM）传感器）也在氢气检测中发挥着重要作用。这些传感器通过监测质量变化来识别氢气，其响应机制基于气体分子在传感材料表面的吸附和脱附过程。例如，QCM传感器通过Sauerbrey方程将频率变化与表面质量变化直接关联，从而实现高灵敏度的氢气检测。在实际应用中，石墨烯类材料（如g-C?N?）和混合有机-无机框架（如Cu-BTC/聚苯胺纳米复合材料）已被证明可以显著提高QCM传感器的性能，同时避免使用贵金属催化剂。

与此同时，二维材料的合成方法也在不断进步，为大规模生产和实际应用提供了可能。化学气相沉积（CVD）、液相剥离和湿化学合成等技术使得高质量的2D材料能够被大规模制备，并且可以被集成到现有的微机电系统（MEMS）和物联网（IoT）平台中。例如，基于三维激光微打印技术的微型化氢气传感器能够将二维材料直接打印到光纤尖端，实现高效的氢气检测，同时具备良好的稳定性和可重复性。

尽管二维材料在氢气检测中展现出诸多优势，但仍面临一些挑战。例如，环境因素如湿度、温度变化和干扰气体的存在可能会显著影响传感器的性能。此外，二维材料在实际应用中还需要考虑其长期稳定性和耐久性，特别是在多周期吸附-脱附过程中可能出现的材料退化问题。为了应对这些挑战，研究人员正在探索多种策略，如使用屏蔽层减少湿度影响、引入光辅助传感技术提高响应速度，以及开发传感器阵列以增强选择性。

未来，随着对氢气检测需求的不断增长，二维材料在氢气传感领域的应用将更加广泛。这些材料不仅能够满足对高灵敏度、低功耗和常温工作的需求，还能够通过其独特的物理和化学特性，实现对复杂气体混合物的精确检测。此外，二维材料在柔性传感器和可穿戴设备中的应用前景也十分广阔，这为氢气在更多实际场景中的使用提供了可能。然而，要实现这些潜力，还需要进一步优化材料的合成方法、改进传感器设计以及开发更先进的检测技术。通过这些努力，二维材料有望成为下一代氢气传感器的核心材料，为清洁能源的广泛应用提供可靠的技术支持。