一、引言
生物传感器从简单化学传感器发展到如今灵敏度和选择性优异的精密设备。第一代生物传感器多依赖酶电极，如葡萄糖生物传感器使用葡萄糖氧化酶，但存在选择性和稳定性问题。第二代生物传感器整合先进材料和固定化技术，提升了性能。第三代则结合先进生物识别组件、微加工和纳米技术。
纳米技术推动了生物传感器的发展，纳米材料因其独特性质，如高比表面积、导电性和生物分子兼容性等，在生物传感器中得到广泛研究。二维（2D）纳米材料作为新兴研究热点，近年来相关文献数量显著增加，其在生物传感领域展现出巨大潜力。
二、二维纳米材料的分类
2D 纳米材料种类多样，主要包括碳基 2D 纳米材料、六方氮化硼、石墨相氮化碳、过渡金属氧化物、过渡金属二硫族化合物（TMDs）、MXenes、层状双氢氧化物等。
碳基 2D 纳米材料中，石墨烯由单层碳原子组成，具有高导电性、高热稳定性和机械强度，能通过共价或非共价相互作用功能化，在生物传感器中可提高检测生物分子的灵敏度和特异性。氧化石墨烯（GO）可通过 Hummers 法等合成，其表面的含氧基团使其具有亲水性和易功能化的特点，在生物传感器中广泛应用于固定生物分子。
六方氮化硼（hBN）纳米片结构类似石墨，具有抗氧化、高导热、化学惰性和生物相容性等优点，可用于生物传感器的构建。TMDs 以 MX2表示，具有半导体性质、可调带隙等特点，在传感器、锂电池等领域有应用潜力，在生物传感器中可检测多种生物分子。
MXenes 是 2D 层状过渡金属碳化物或氮化物，具有大比表面积和生物相容性，在生物传感器中可有效检测特定生物分子。层状双氢氧化物（LDH）纳米材料具有独特层状结构，可调节表面化学性质，生物相容性好，能有效捕获生物分子，提高生物传感器的灵敏度。
三、二维纳米材料的合成方法
2D 纳米材料的合成方法主要有自上而下、自下而上和混合方法。
自上而下法是从 bulk 材料制备纳米级薄层，如机械剥离法制备石墨烯，通过胶带层层剥离石墨得到单层或几层石墨烯片。液相剥离法是将 bulk 材料分散在液体介质中，借助超声或剪切力实现剥离。此外，还有激光烧蚀法、光刻法等。该方法能保留 bulk 材料的固有性质，但存在可扩展性、一致性和材料降解等问题。
自下而上法是从原子、分子构建纳米结构，可精确控制尺寸、形状和组成。例如，共沉淀法通过同时沉淀离子形成纳米材料；溶剂热和水热法利用高温高压控制晶体形成；溶胶 - 凝胶法如 St?ber 技术，通过水解和缩合硅烷氧化物制备纳米材料；生物法利用生物实体辅助纳米材料形成，如植物提取物合成银纳米材料。自下而上法能精确控制结构，但反应条件需精细优化。
混合法结合了自上而下和自下而上的策略，包括模板辅助法和自组装技术。模板辅助法使用硬模板（如阳极氧化铝模板）或软模板引导纳米材料形成；自组装法如 DNA 模板组装和嵌段共聚物自组装，可精确控制纳米材料的组装和形态。混合法能克服单一方法的局限，但合成复杂，需要优化。
四、二维纳米材料的表征
2D 纳米材料的表征技术多样，涵盖形态、结构、比表面积和光学等方面。
扫描电子显微镜（SEM）可提供纳米材料的高分辨率成像，展示其形态、尺寸和表面特征，还能通过能量色散 X 射线光谱（EDS）分析成分，但样品需导电或镀膜，且只能获取表面信息。
透射电子显微镜（TEM）用高能电子束成像，可提供原子尺度的信息，包括尺寸、形状、晶体结构和内部形态，还能进行原位和 operando 实验，但样品制备要求高，需超薄切片，且高真空环境可能改变材料状态。
X 射线衍射（XRD）用于分析纳米材料的晶体结构、相态、晶格参数和晶粒尺寸，通过 Scherrer 方程可估算晶粒大小，但对纳米级以下的颗粒精度有限，对非晶材料分析困难，且存在样品制备和测量耗时等问题。
X 射线光电子能谱（XPS）能精确测定纳米材料的元素比例和化学键性质，可进行深度剖析，研究分子界面和电荷行为等。
傅里叶变换红外光谱（FT - IR）通过测量中红外区域的吸收，确定纳米材料的化学组成、功能基团和表面修饰，可用于确认功能化效果。
动态光散射（DLS）基于粒子布朗运动引起的散射光强度波动，测量纳米材料在溶液中的尺寸分布和流体动力学性质，但对多分散样品的分析存在局限性。
Zeta 电位用于表征纳米材料表面的电学性质，受溶液 pH、离子浓度等因素影响，测量时需注意缓冲液的干扰。
UV - Vis 分光光度法可评估 2D 纳米材料的电子结构和带隙等性质，通过测量光吸收确定其光学性质、浓度等，但需考虑聚集、溶剂效应等对光谱的影响。
五、二维纳米材料在生物传感平台中的集成
将 2D 纳米材料集成到生物传感器平台是提升传感器性能的关键。其高导电性和比表面积可增强电荷转移和信号，与金属氧化物结合能提高稳定性、灵敏度和特异性，大比表面积和生物相容性有利于生物分子的固定。
生物分子在传感器表面的固定方式主要有共价固定和非共价固定。共价固定形成强化学键，稳定性高，但可能影响生物分子活性；非共价固定利用弱相互作用，能保留生物分子构象，但长期稳定性欠佳。实际应用中可根据需求选择合适的固定方式，或采用混合技术平衡稳定性和生物功能性。
2D 纳米材料在生物传感器上的固定方法众多。物理吸附简单、成本低，但稳定性有限；化学共价键合法能形成强连接，但需注意生物分子活性；层层组装法可精确控制膜厚度，形成均匀稳定的多层结构；电化学沉积法可增强均匀性，但需优化电化学参数；生物连接介导的固定法具有特异性和定向性，但需选择合适的生物连接分子并优化条件；旋涂和滴铸法适用于制备均匀薄膜，成本低，但膜厚度控制需精细调节；Langmuir - Blodgett（LB）技术可精确控制纳米材料排列，但需要专业设备和优化转移条件；物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）可通过气相过程沉积 2D 纳米材料，PVD 适用于薄膜沉积，CVD 可实现精确控制的沉积。
六、二维纳米材料相较于其他维度纳米材料的优势
与其他维度纳米材料相比，2D 纳米材料具有独特优势。其具有极高的比表面积，能大量负载生物识别元件，如石墨烯可通过共价和非共价方式固定大量生物分子。2D 纳米材料的电学性能优异，可实现直接、无标记的电信号和电化学信号转导，如石墨烯场效应晶体管可实时检测生物识别事件。在光学方面，其具有强光 - 物质相互作用和荧光猝灭能力，适用于光学生物传感平台，如 MoS2纳米片可用于荧光共振能量转移免疫分析。此外，2D 纳米材料的二维结构使其在电子、光学和化学性质上具有灵活性和可调性，能满足不同检测需求，而其他维度纳米材料的可调性相对有限。
七、二维纳米材料在生物传感器中的应用
（一）医疗保健和医学诊断
2D 纳米材料在医疗保健和医学诊断领域应用广泛。在癌症诊断方面，功能化石墨烯基传感器可检测前列腺特异性抗原（PSA）、乳腺癌相关蛋白和 BRCA1 等生物标志物，实现早期诊断和监测。
在病原体检测中，基于 2D 纳米材料的生物传感器可检测幽门螺杆菌、沙门氏菌和大肠杆菌等病原体，具有高灵敏度和快速响应的特点。
在糖尿病管理中，新型即时检测（POC）设备利用 2D 纳米材料实现了对葡萄糖的超灵敏检测，如基于 MoS2纳米片的荧光共振能量转移葡萄糖生物传感器和可穿戴的汗液葡萄糖传感器。
对于心血管健康管理，2D 纳米材料基胆固醇传感器可实现便携式、低成本的胆固醇检测。
此外，2D 纳米材料还可用于药物递送、成像和抗菌等方面。作为药物载体，可高效负载药物分子并靶向输送；在成像中，可作为超声、CT 和 MRI 的对比剂，提高成像分辨率；其抗菌特性可防止医疗设备的微生物污染，基于石墨烯的侧向流动分析可快速诊断感染。在治疗诊断一体化（theranostics）方面，2D 纳米材料可同时作为成像对比剂和治疗剂载体，实现实时监测和靶向治疗。
（二）环境监测
在环境监测领域，2D 纳米材料发挥着重要作用。在水质监测中，石墨烯基电化学传感器可检测水中的重金属和有机污染物，如通过固定重金属敏感酶实现对污染物的快速检测。
在空气质量监测方面，2D 纳米材料基气体传感器可检测有害气体，如硫化氢（H2S）、二氧化氮（NO2）、二氧化硫（SO2）、一氧化碳（CO）和挥发性有机化合物等。不同的 2D 纳米材料对不同气体具有高灵敏度，检测机制主要基于气体吸附引起的电阻或电导率变化。例如，SnO2和石墨烯氧化物可用于检测 H2S，MoO3基传感器对 NO2响应显著，TiO2和 SnO2可检测 SO2，金纳米结构和碳纳米管可增强 CO 检测能力。此外，2D 纳米材料还可用于检测河水中的农药和肥料，以及识别饮用水和娱乐水中的病原微生物，还可通过化学功能化实现对沉积物或水中重金属的检测，甚至可集成到可穿戴设备中监测个人暴露水平。
（三）食品安全和控制
2D 纳米材料在食品安全和控制方面有广泛应用。在光学和电化学生物传感器中，石墨烯氧化物可稳定固定抗体，用于检测易腐食品中的沙门氏菌、李斯特菌等食源性病原体。
石墨烯量子点（GQDs）的荧光特性可与 DNA 或 RNA 探针结合，快速检测加工食品中的过敏原。
TMDs 如 MoS2的高比表面积可促进酶或蛋白质受体与霉菌毒素、农药和生长激素的结合，实现高灵敏度检测。
混合 2D 纳米材料基传感系统结合机器学习模型可用于有机作物的高通量认证。
二硫化钨的类过氧化物酶活性可用于监测脂质氧化和肉类变质，基于黑磷纳米片的场效应晶体管可检测鱼和家禽的新鲜度。这些应用有助于农业和食品加工行业确保食品安全，满足消费者对新鲜度的需求。
八、二维纳米材料的最新进展和创新
（一）新兴二维纳米材料在生物传感中的应用
近年来，新兴的 2D 纳米材料为生物传感器技术带来突破。如 MXenes、金属 - 有机框架、六方氮化硼纳米片、少层黑磷（磷烯）和新兴的 TMDs 等，具有高比表面积、可修饰的化学功能和增强的物理化学及生物功能。这些材料可定制表面属性，提高生物传感平台的可靠性、选择性和灵敏度。例如，MXenes 可稳定固定捕获抗体，用于癌症生物标志物的快速电检测；金属 - 有机框架薄膜可封装葡萄糖氧化酶用于连续监测；六方氮化硼纳米片可实现特定病毒 DNA 序列的可视化检测；磷烯可构建便携式电子生物传感器检测食品中的农药残留；新兴 TMDs 可用于信号转导和宽范围检测。此外，2D 材料与等离子体传感器的集成进一步提高了生物分子检测的灵敏度和特异性。
（二）创新传感器设计和架构
先进的制造策略和合理的生物界面设计推动了创新生物传感平台的发展。3D 打印技术可制造复杂电极架构，提高生物传感器性能，如 2D 树枝状金电极用于电化学监测，具有高信噪比和低检测限。
基于 2D 纳米材料的柔性传感器可制成可穿戴贴片、纹身式或集成到纺织品中，连续监测汗液或间质液中的电解质和代谢物，但需解决可重复性问题。
实验室芯片微流控生物传感器可处理微量复杂样品，实现多路复用和高通量分析，如集成气动微阀的多路免疫分析生物芯片可低成本筛查癌症生物标志物。
此外，将生物传感器与人工智能和机器学习算法结合的新兴设备架构，可建立疾病诊断、误差分析和药物发现的结构 - 功能模式，但需平衡预测能力、速度和成本。
（三）与其他纳米材料的集成
将 2D 纳米材料与其他材料集成可形成创新的混合纳米复合材料。2D - 0D 或 2D - 2D 异质结构可调节电学、光学和催化性能，如石墨烯与等离子体金属纳米材料或量子点结合，MoS2与石墨烯片耦合可创建高灵敏度场效应晶体管平台。
2D MoS2与纳米级二氧化钛架构集成可实现蛋白质的直接电转导。不同 2D 半导体的堆叠可产生多功能异质结，实现光学和电学的双重检测模式。此外，与纤维素的混合可使设备具有生物降解性和机械稳健性，适用于可穿戴传感器检测重金属和其他污染物。
（四）检测方法和信号转导的进展
在电子生物传感器中，新兴材料如 MXenes、磷烯和金属 2D 钙钛矿用于场效应晶体管（FET）生物传感，具有高电荷载流子迁移率，与微流体系统集成可实现实时分析。
在电化学生物传感器中，导电 2D 纳米材料的集成推动了无试剂和无标记传感器的发展，如 MXene 基电子免疫传感器具有飞摩尔级检测限。
在光学生物传感器中，荧光 2D 纳米材料促进了简单的 “混合检测” 分析，如二硒化钨纳米片可用于检测寨卡病毒抗原。
在光子晶体生物传感器中，氧化石墨烯集成到光波导中可通过折射率变化检测生物标志物结合事件，实现高灵敏度检测。这些进展展示了 2D 纳米材料在生物传感领域的多功能性和潜力。
九、挑战和未来展望
2D 纳米材料在生物传感器中的应用面临诸多挑战。生物相容性和毒性问题仍需深入研究；大规模生产高质量 2D 纳米材料需要开发可扩展且经济的合成方法；精确稳定的表面功能化是确保生物传感器可靠性和特异性的关键，但目前缺乏标准化协议。
为克服这些挑战，研究人员探索使用纳米复合材料，如与贵金属和磁性纳米材料结合，增强纳米材料基等离子体生物传感器的灵敏度。
未来，2D 纳米材料基生物传感器的发展方向多样。多模态生物传感器将集成不同功能，提高检测准确性；体内生物传感应用有望实现实时监测，推动个性化医疗发展；生物传感器与数据分析和通信技术融合将产生智能生物传感器，实现数据的分析和传输；利用 2D 纳米材料的柔韧性开发可穿戴生物传感器，实现非侵入式健康监测；开发绿色合成方法，减少纳米材料生产对环境的影响；加强临床转化研究，通过大规模临床试验验证生物传感器的有效性和可靠性。
十、结论
纳米技术为生物传感领域带来新机遇，2D 纳米材料凭借独特性质在生物传感器中应用广泛，涵盖医疗、电子和环境等领域。然而，合成具有特定结构和表面功能化的 2D 纳米材料面临挑战，长期稳定性也是关键问题。研究人员通过探索 2D 纳米材料及其纳米复合材料来克服这些困难，构建异质结构可提升生物传感平台的性能。目前，对 2D 纳米材料的研究不断深入，有望在诊断、医疗和环境监测等领域取得更大突破，推动生物传感技术的发展。
