综述：用于电化学多巴胺传感的二维层状纳米材料：最新进展、挑战与未来展望

《Sensing and Bio-Sensing Research》：Two-dimensional layered nanomaterials for electrochemical dopamine sensing: Recent advances, challenges, and future perspectives

本综述系统梳理了二维（2D）纳米材料在电化学多巴胺（DA）传感领域的最新进展。针对DA生理浓度极低且易受抗坏血酸（AA）、尿酸（UA）等干扰物影响的挑战，文章重点分析了石墨烯、MoS2、WS2、MXenes及黑磷（BP）等材料的独特优势，详述了其提升传感器灵敏度、选择性及稳定性的机制。同时，也探讨了材料稳定性、生物相容性等现存挑战，并展望了面向临床应用的智能、可穿戴传感平台的未来发展方向。

　　

二维层状纳米材料：开启电化学多巴胺传感新纪元

引言：为何精准捕捉多巴胺如此重要？

多巴胺（DA）是中枢神经系统中一种至关重要的儿茶酚胺类神经递质，如同大脑信使，精密调控着我们的运动控制、情绪、动机和认知过程。然而，当这条化学信使的通路出现紊乱——无论是过多还是过少，都可能引发严重的神经精神疾病，例如帕金森病、精神分裂症和抑郁症。因此，准确、实时地监测生物体液（如唾液、血清、脑脊液）中多巴胺的水平，对于这些疾病的早期诊断、病情监控和治疗效果评估具有不可估量的价值。

然而，这项任务面临着艰巨的“三重挑战”：首先，生理环境下多巴胺的浓度极低，常在纳摩尔甚至皮摩尔级别，如同大海捞针；其次，它与结构相似的其他电活性分子，特别是浓度高出数个数量级的抗坏血酸（AA）和尿酸（UA），具有重叠的氧化电位，信号极易相互干扰；最后，多巴胺本身代谢迅速，且其氧化产物易在电极表面吸附，导致电极“钝化”，影响长期稳定性。传统的电化学传感器（如玻碳电极）往往难以招架这些挑战。

二维纳米材料的崛起：赋予传感器“超能力”

近年来，二维（2D）层状纳米材料的出现，为构建高性能多巴胺电化学传感器带来了革命性的希望。这类材料仅有一个或几个原子层的厚度，却拥有令人惊艳的特性组合：巨大的比表面积提供了丰富的反应“舞台”；可调的带隙和优异的导电性确保了电子的快速“通行”；表面易于功能化，则允许我们为其“定制”专一识别多巴胺的“钥匙”。这些特性共同作用，显著提升了传感器的灵敏度、选择性和微型化潜力。

明星材料巡礼：各显神通的2D家族

1. 1.
   石墨烯及其衍生物：作为2D材料的开拓者，石墨烯以其超高的导电性和机械强度著称。其大π共轭结构与多巴胺的芳香环产生强π-π相互作用，有利于靶分子的富集。氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）通过引入或调节含氧官能团，在保持一定导电性的同时，增强了与生物分子的相容性和固定能力。例如，GO修饰的丝网印刷碳电极能将多巴胺与抗坏血酸的氧化峰分离约180 mV，检测限达120 nM。
2. 2.
   过渡金属二硫属化物（TMDs）：以二硫化钼（MoS₂）和二硫化钨（WS₂）为代表。MoS₂的硫边缘具有高催化活性，能有效促进多巴胺的氧化。但其本征导电性较差，常与石墨烯、碳纳米管或金纳米粒子（AuNPs）复合以提升性能。例如，MoS₂/rGO纳米复合材料对多巴胺的检测限可达28 nM。
3. 3.
   MXenes：这是一类新兴的二维过渡金属碳/氮化物，如Ti₃C₂T_x。它们兼具金属般的高导电性和亲水表面，表面丰富的–OH、-F等官能团可通过氢键、静电作用强力吸附多巴胺分子。Ti₃C₂T_x基传感器展现了优异的性能，检测限低至15 nM，并且在抗坏血酸和尿酸存在下仍保持高选择性。
4. 4.
   黑磷（BP）：黑磷拥有可调的直接带隙和高空穴迁移率，电化学活性优异。但其最大的弱点是环境稳定性差，在空气和水中易氧化降解。通过将其与金纳米粒子复合形成BP-Au纳米材料，不仅能有效稳定黑磷，还能协同增强电子传递，实现22 nM的检测限。

性能大比拼：数据说话

不同2D材料及其复合物在检测多巴胺时表现各异。从关键指标来看，MXene（Ti₃C₂T_x）传感器综合性能突出，检测限最低（15 nM），灵敏度最高（2.30 μA·μM^-1·cm^-2），线性范围也最宽（0.01–100 μM）。MoS₂-AuNPs和BP-Au复合材料也表现出色，检测限均在22 nM左右。而单纯的GO/SPCE传感器，由于GO导电性相对较弱，性能则稍逊一筹。这充分说明了通过材料复合与结构设计来优化性能的重要性。

赋能策略：让传感器更聪明、更强大

为了进一步提升2D基多巴胺传感器的性能，科学家们开发了多种精妙的赋能策略：

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  表面功能化与掺杂：在2D材料表面修饰金、铂等金属纳米粒子，或聚合聚苯胺（PANI）等导电聚合物，可以显著催化多巴胺氧化，加速电子转移。引入氮、硼等杂原子进行掺杂，则能改变材料的电子结构，创造更多活性位点。
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  构建杂化纳米结构：将2D材料与一维的碳纳米管（CNTs）或三维的多孔气凝胶结合，形成多维杂化结构。这种设计能有效防止2D纳米片的堆叠，增加比表面积，并促进分析物的扩散传输。例如，MoS₂-CNT-AuNP杂化传感器实现了9 nM的超低检测限。
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  信号放大与抗污策略：利用酪氨酸酶等生物酶对多巴胺进行催化氧化，可以放大电化学信号。同时，在电极表面涂覆Nafion、聚乙二醇（PEG）等抗污涂层，能有效抵抗蛋白质等生物大分子的非特异性吸附，防止电极“污染”，保证在复杂生物样品中长期测量的稳定性。

走向现实：在真实世界中大展身手

实验室中的优异性能最终需要在实际应用中接受检验。2D纳米材料传感器已在多种真实生物样品的检测中证明了其价值：

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  体液检测：MXene传感器在稀释血清中检测多巴胺，回收率高达96.4%；石墨烯修饰电极甚至能在唾液样品中直接检测，且抗坏血酸和尿酸的干扰很小。
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  可穿戴与植入式集成：利用石墨烯、MoS₂的柔韧性，可将其集成到柔性基底（如PDMS）上，制作成贴片式传感器，用于无创监测汗液或唾液中的多巴胺。更前沿的探索则是将其修饰在微针或微电极上，用于动物模型脑内或脑脊液的直接、实时监测，这要求材料必须具备优异的生物相容性和长期工作稳定性。
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  多靶标同时检测：在实际生理环境中，多巴胺常与抗坏血酸、尿酸共存。通过精心设计2D复合材料，可以实现三者的同时、高选择性检测。例如，石墨烯-AuNP-PEDOT复合材料能使三者的氧化峰清晰分离，电位差超过160 mV。
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  微型化与即时检测（POC）：2D材料墨水非常适合用于印刷制造丝网印刷微电极阵列或芯片实验室（Lab-on-a-chip）器件。这些微型、便携、集成的系统，有望在几分钟内完成对唾液或汗液中多巴胺的快速分析，为精神健康监测、成瘾管理及神经退行性疾病的早期筛查提供便捷的床旁或居家检测工具。

挑战与展望：前路漫漫，未来可期

尽管前景光明，但将2D纳米材料多巴胺传感器推向临床和商业化仍面临几座必须翻越的“大山”：

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  材料稳定性：黑磷等材料的空气不稳定性是硬伤，需要开发更有效的封装保护技术。
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  复杂基质中的选择性：在成分极其复杂的真实生物样品中，确保对多巴胺的绝对专一性识别仍非易事，可能需要结合适配体、分子印迹聚合物等特异性识别元件。
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  重现性与批量生产：如何实现2D材料尺寸、层数、表面化学性质的一致性和可控制备，是保证传感器性能稳定、批间一致的关键，也是大规模生产的先决条件。
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  生物相容性与监管：对于植入式应用，材料必须绝对安全，不能引起细胞毒性、炎症或长期毒性反应。未来的研究需要严格遵循ISO 10993系列、美国FDA等国际生物相容性评价标准。

展望未来，下一代多巴胺传感器将向着更智能（集成人工智能数据分析）、更融合（同时监测多种神经化学物质）、更贴合（柔性可穿戴、舒适无感）以及更可靠（满足临床法规要求）的方向发展。二维层状纳米材料，凭借其得天独厚的性质，无疑将在这一场变革中扮演核心角色，最终助力实现真正的个性化神经健康管理。