综述：用于先进传感的硫化铜纳米材料：文献计量学与综合评述

《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Copper Sulfide Nanomaterials for Advanced Sensing: A Bibliometric and Comprehensive Review

铜硫化物纳米材料（Cu???S NMs）因其可调 stoichiometry 和独特的光/电特性，在多模态传感器中展现出重要应用潜力。本文通过文献计量分析揭示该领域研究热点集中于电化学、光学、电化学发光及光电化学传感器，并系统评述其结构-性能关系及实际应用挑战。

　　铜硫化物纳米材料（Cu???S NMs，0 < x < 1）因其独特的物理化学性质，近年来在传感技术领域引起了广泛关注。这类材料作为p型半导体，具备可调的化学计量比和复杂的晶体结构，使其在多种信号传导机制中表现出优异的性能。其优良的电导性、可调节的带隙、局部表面等离子体共振（LSPR）效应以及类似纳米酶的活性，使其在环境监测、疾病诊断、气体检测及食品安全等应用中展现出巨大潜力。然而，尽管其研究进展迅速，Cu???S纳米材料在实际应用中仍面临诸多挑战，如长期稳定性、界面机制和选择性识别等问题。因此，深入探讨其结构特性与功能性能之间的关系，分析其在传感系统中的实际应用价值，并提出解决现存问题的策略，对于推动该材料在先进传感技术中的应用至关重要。

Cu???S纳米材料的结构特性是其功能性能的基础。其晶体结构和形态多样性源于丰富的缺陷相和灵活的原子排列。在热力学驱动条件下，部分铜原子可能从晶格中逸出，形成非化学计量比化合物Cu???S，其中x的取值范围通常在0到1之间。Cu???S的主要晶体相包括低硫化铜（Cu?S）、高硫化铜（Cu?S）、立方硫化铜（Cu?S）、Djurleite（Cu?.94S）、Digenite（Cu?S?或Cu?.8S）等。这些不同的晶体结构赋予Cu???S纳米材料多样的物理化学性质，从而影响其在传感应用中的表现。例如，不同晶相可能对光响应特性、电导率以及催化活性产生显著差异。因此，理解这些结构特性及其对功能性能的影响，是优化其在传感系统中应用的关键。

在传感技术中，Cu???S纳米材料因其良好的导电性和类似酶的催化活性，被广泛应用于电化学传感器。电化学传感器通常包括安培型、伏安型、电阻型以及有机电化学晶体管（OECT）等类型。Cu???S纳米材料在这些传感器中的应用，得益于其对电子传输的高效促进能力，以及在电极表面提供大量活性位点的能力。这些特性有助于提高传感器的灵敏度和检测下限，同时降低对目标物质的检测需求。此外，许多研究还尝试将Cu???S纳米材料与其他纳米材料（如金纳米颗粒、石墨烯、碳纳米管和金属氧化物）结合，形成复合结构，以进一步增强其性能。这种策略不仅提升了电子转移效率，还扩大了其在复杂环境中的应用范围。

除了电化学传感器，Cu???S纳米材料在光学传感器中的应用也备受关注。其LSPR特性使得材料在光照射下能够产生显著的光响应，而共振波长和强度对环境变化极为敏感。这种特性被广泛用于提高光学信号的灵敏度，特别是在气体检测和环境监测方面。例如，Cu???S纳米材料可以通过吸收特定波长的光，实现对气体分子的高效识别。同时，其纳米酶活性也被用于开发新型生物传感器，以替代天然酶，解决稳定性问题。此外，其光热转换能力为热敏传感策略提供了新的思路，使得在复杂环境中进行高灵敏度检测成为可能。

在电化学发光（ECL）和光电化学（PEC）传感器方面，Cu???S纳米材料同样表现出独特的性能。ECL传感器利用电化学反应产生的光信号进行检测，而Cu???S纳米材料因其良好的电导性和催化活性，能够有效促进ECL反应的进行，提高检测灵敏度和选择性。PEC传感器则结合了光电效应和电化学反应，利用Cu???S纳米材料的光电响应特性，实现对目标物质的高效检测。这些传感器在实际应用中展现出较高的检测精度和稳定性，尤其是在检测痕量物质和复杂基质中的目标分子时具有显著优势。

然而，尽管Cu???S纳米材料在传感领域展现出诸多优势，其实际应用仍面临一些关键挑战。首先，材料在使用过程中容易发生团聚或结构不稳定，这会降低其活性表面积并破坏传感界面，从而影响检测性能。为了解决这一问题，研究人员尝试将Cu???S纳米材料与碳材料结合，形成复合电极材料，以提高其分散性和稳定性。其次，由于Cu是过渡金属，其催化活性较高，容易在复杂基质中引发非特异性反应，降低传感器的选择性和准确性。为应对这一挑战，开发新型的生物识别组件（如酶、抗体、DNA、适配体和分子印迹聚合物）成为提高传感器选择性的有效途径。

此外，Cu???S纳米材料在长期使用过程中可能会出现金属离子溶解、氧化和光腐蚀等问题，影响其稳定性和使用寿命。因此，提高材料的化学稳定性和抗腐蚀能力，是推动其在实际应用中的重要方向。一些研究通过引入表面修饰层或构建稳定的复合结构，来增强材料的耐久性。例如，将Cu???S纳米材料与高分子材料结合，可以有效防止其在使用过程中发生结构破坏，同时提高其在复杂环境中的适应能力。

综上所述，Cu???S纳米材料在传感技术中的应用潜力巨大，其结构特性和功能性能为多种传感机制提供了坚实基础。然而，为了实现其在实际环境中的广泛应用，仍需进一步解决其在长期稳定性、选择性识别和界面机制等方面的问题。通过材料工程优化其结构和性能，以及结合新型的生物识别组件和稳定的复合材料，有望推动Cu???S纳米材料在先进传感技术中的发展。未来的研究应更加关注其在复杂环境中的适应性，以及如何通过创新设计和工程技术，提高其在实际应用中的可靠性与有效性。