综述：新兴的二维材料及其混合纳米结构在无标记光学生物传感中的应用：最新进展与展望

《Advanced Functional Materials》：Emerging 2D Materials and Their Hybrid Nanostructures for Label-Free Optical Biosensing: Recent Progress and Outlook

光学生物传感器的进展及挑战，摘要：本文综述了二维材料（如石墨烯、MXenes等）及其混合维度的复合纳米结构在光学生物传感器中的应用进展，重点讨论了表面增强拉曼散射（SERS）和表面等离子共振（SPR）技术的原理与性能提升策略。通过整合不同2D材料的物理和化学特性，实现了高灵敏度、稳定性和多功能检测，应用于医疗诊断、环境监测等领域。然而，材料稳定性、规模化制备及成本问题仍是主要挑战。

　　2D材料（2DMs）因其独特的性质和可调的性能，正成为快速检测和远程监控高灵敏度和高选择性生物传感器发展的关键。这些材料具有高表面积比和独特的电学与光学特性，使其在生物传感领域极具吸引力。通过将不同的2D材料组合在一起，形成范德华异质结（vdWHs），可以创造具有协同或新颖功能的混合材料。而混合维度的异质结构则进一步提升了无标记光学检测的灵敏度、稳定性和可重复性。本文综述了基于表面增强拉曼散射（SERS）和表面等离子体共振（SPR）的生物传感技术，讨论了各组成成分的作用，并强调了它们的协同效应。此外，还介绍了多功能传感平台的最新进展以及机器学习（ML）在提高性能和实现智能数据分析方面的应用。最后，本文指出了当前面临的挑战和未来发展的机遇，为下一代无标记光学生物传感器的开发提供了方向。

无标记光学生物传感技术因其非侵入性、在恶劣环境下的可靠性以及对多种生物分析物的检测能力，近年来备受关注。与使用荧光标记的生物传感技术相比，无标记技术无需外部标记，且能够准确地进行生物分子的定量分析和相互作用检测。这不仅避免了标记对生物分子功能的干扰，也消除了未结合标记带来的背景荧光偏倚问题，从而提升了在超低浓度分析物检测中的分析准确性。无标记技术的优势使其在医疗诊断、环境监测、食品安全和药物开发等多个领域得到了广泛研究和应用。

2D材料的原子薄特性使得其成为开发紧凑、灵活生物传感器的重要组成部分。它们的高表面积比能够显著提高传感效率，实现超灵敏的生物分子检测。此外，2D材料还展现出不同于其块体形式的独特电子和光学性质，如可调带隙、强光-物质相互作用以及应变工程等。这些特性已经被广泛应用于无标记生物传感技术中。例如，2D材料被用于构建场效应晶体管（FET）生物传感器，为点对点诊断提供了潜在的可能性。在特定的无标记光学生物传感平台上，如表面等离子体共振（SPR）和表面增强拉曼散射（SERS）传感器，2D材料的性能得到了显著提升。

为了进一步定制2D材料生物传感器的性能，研究人员开始探索将不同种类的2D材料堆叠形成2D范德华异质结（vdWHs）。这些异质结通过弱的范德华力而不是化学键进行物理组合，能够赋予生物传感器更复杂的功能和更高的可调性，超越了单一材料系统的性能。此外，vdWHs的构建还支持了生物传感器的小型化，符合当前向紧凑型生物传感器发展的趋势。值得注意的是，基于vdWHs的生物传感器能够实现多模态检测，即在检测分析物时提供多种信号，从而提高了检测的准确性和可靠性。此外，这些传感器还能实现多分析物的检测，显著提升了生物传感的通量。

除了2D-2D的范德华异质结，近年来还出现了将2D材料与0D（如纳米颗粒、量子点）和1D（如纳米线、纳米棒、纳米带）纳米结构结合的混合维度异质结构。这些结构通过多维度的限制效应，实现了更丰富的生物传感功能。混合维度的异质结构表现出更高的性能，包括超高的灵敏度、实时监测、多分析物检测以及设备的小型化。这些进展为实现“芯片实验室”（lab-on-a-chip）的愿景奠定了基础。

本文总结了无标记光学生物传感领域中2D材料及其混合维度异质结构的最新进展，强调了它们在纳米杂化系统中的协同效应。首先，对无标记光学生物传感技术进行了简要介绍，包括SPR、SERS、表面增强红外吸收（SEIRA）和光致发光（PL）传感等。接着，介绍了几种常见的2D材料，如石墨烯、过渡金属二硫属化合物（TMDCs）、黑磷（BP）、六方氮化硼（hBN）、MXenes和锑烯（antimonene），并简要描述了它们在无标记光学生物传感中的相关性质和应用。随后，探讨了基于2D材料的混合维度异质结构，包括它们在无标记光学生物传感中的典型应用以及合成与制造方法。特别强调了新兴2D材料及其杂化结构在SERS和SPR生物传感中的最新进展，以及多功能传感平台的开发。最后，总结了当前在无标记光学生物传感领域面临的挑战和未来发展方向，包括性能与稳定性的优化、机器学习在数据分析中的应用，以及跨学科研究在实现下一代生物传感器中的重要性。

在无标记光学生物传感技术中，SERS和SPR是最具代表性的两种方法。SERS利用金属纳米颗粒（如金纳米颗粒、银纳米颗粒）在局部增强电磁场（EMF）下，实现对生物分子的高灵敏度检测。而SPR则是基于金属-介质界面处的表面等离子体激元（SP）激发，通过监测反射光强度的变化，实现对分析物的检测。这些技术在检测特定生物分子时表现出高度的特异性，但在实际应用中仍面临诸多挑战，如灵敏度的提升、稳定性与可重复性、以及在复杂生物矩阵中检测的可行性。因此，开发新的混合维度异质结构成为提升这些技术性能的重要策略。

随着生物传感技术的不断进步，对具有稳定、可靠、高选择性、紧凑、灵活和高灵敏度的平台需求日益增加。而2D材料及其混合维度异质结构在这一领域展现出了巨大的潜力。2D材料的原子薄特性不仅使生物传感器更加紧凑和灵活，而且其高表面积比还能提升检测效率。此外，2D材料的电子和光学特性使其在无标记光学生物传感中具有独特的优势。例如，石墨烯具有优异的导电性、高热导率、良好的生物相容性以及易于表面功能化等优点，这些特性使其在生物传感中具有广泛应用。而TMDCs则因其可调的带隙和层依赖的光致发光特性，被广泛用于构建SPR和SERS传感器。MXenes由于其高导电性、可调的等离子体行为以及可被修饰的表面终止基团，也成为了具有前景的生物传感材料。黑磷由于其高载流子迁移率和层依赖的直接带隙，被用于构建SERS和SPR传感器，但在空气中和水中的不稳定性限制了其实际应用。六方氮化硼（hBN）因其良好的热稳定性、化学惰性和光滑表面，被用作保护层或介电层，以提高生物传感器的稳定性。

在无标记光学生物传感领域，2D材料及其混合维度异质结构展现出广阔的应用前景。例如，通过将金纳米颗粒与石墨烯结合，构建了具有优异SERS性能的杂化结构，实现了对生物分子的高灵敏度检测。同时，通过引入混合维度的异质结构，如金纳米颗粒与黑磷纳米片的结合，实现了对多种生物分子的多模态检测，提高了检测的准确性和可靠性。这些结构还表现出良好的机械灵活性和生物相容性，为开发可穿戴和植入式生物传感器提供了新的思路。

在实际应用中，无标记光学生物传感技术需要解决诸多挑战，如提高灵敏度、增强稳定性、优化制造工艺以及实现多分析物的检测。此外，随着数据分析需求的增加，机器学习技术的引入也显得尤为重要。通过机器学习算法，可以对大量生物传感数据进行分析，识别模式并提高检测的准确性和可靠性。因此，结合机器学习和生物传感技术，为实现智能生物传感平台提供了新的可能性。

展望未来，无标记光学生物传感技术的发展将依赖于生物传感器的小型化和跨学科的整合。2D材料及其混合维度异质结构的独特性质使其成为构建小型化和柔性生物传感平台的理想选择。通过进一步研究和开发，有望实现更高灵敏度、更广泛适用性和更智能的生物传感系统，为医疗诊断、环境监测、食品安全和药物开发等领域提供重要的技术支持。