过渡金属硫属化物（TMDCs）在化学、生物传感和肿瘤治疗中扮演着重要角色，但目前TMDCs在传感器的大规模制造、肿瘤治疗的临床表现上均存在挑战。
针对此问题，深圳大学张晗教授和南京理工大学陈翔教授（共同通讯作者）讨论、总结了TMDCs在生物、化学传感器和肿瘤治疗领域的最新应用，对比了不同元素组成、相结构、微观形貌结构对材料性能的影响及其应用的差异。旨在评估TMDCs在传感和肿瘤治疗领域的技术成熟度，并提出集传感与治疗为一体的智能诊疗系统将成为TMDCs未来的应用方向。该论文“Transition Metal Dichalcogenides for Sensing and Oncotherapy: Status, Challenges, and Perspective”发表在《Adv. Funct. Mater.》期刊上。
【图文导读】
图1 TMDCs的元素组成、结构和应用的关系示意图
一、TMDCs材料与传感器
TMDCs具有大比表面积、可调节的带隙、合适的电学性能和低细胞毒性等特点，是一种良好的的传感器备选材料。影响传感器性能的因素包括TMDCs的元素组成、相结构和微观形貌。
元素组成：主要影响带隙、化学稳定性、生物相容性和分子亲和性。其中硫族元素是TMDCs生物毒性的主导因素，也是导致TMDCs降解的主要诱因。不同过渡金属元素与探针分子的亲和性不同。
相结构：主要分为半导体性的2H相和金属/半金属性的1T相。高电导率使1T-TMDCs成为荧光生物传感器的理想选择，而2H-TMDCs常用于各类晶体管传感器。2H-1T相变的研究则为多类型集成生物传感器开辟了一条新途径。
微观形貌：TMDCs可以分为二维薄片/薄膜（横向尺寸>100 nm）、纳米片（NSs，<100 nm）、纳米点（NDs）、纳米纤维（NFs）和纳米棒（NRs）。多数情况下，TMDCs形貌会决定传感器结构设计。
图2 不同元素（a-c）、相结构（d-f）TMDCs荧光传感器性能比较
二、生物检测：不同结构的TMDCs传感器
TMDCs纳米片和纳米点尺寸较小，可以均匀分散在溶液中或吸附于传感平台，也可以与纤维状或棒状材料结合构建传感器，更适合用于电化学、荧光、化学发光和比色生物传感器。从传感器结构上可以被统称为纳米换能单元生物传感器（Nanoscale TMDC-Based Transducing Component Biosensors）。
图3 基于纳米换能单元的TMDCs传感器（a-b）WS2纳米纤维传感器；（c）MoS2纳米棒传感器电荷转移机理；（d-e）WS2纳米片传感器
图4 TMDCs形貌对器件结构和传感应用的影响
在场效应晶体管生物传感器（FET Biosensors）中往往采用二维薄片/薄膜的TMDCs，材料横向尺寸已经达到毫米级甚至厘米级。该传感器具有较高的灵敏度、较低的探测下限（LOD）和响应时间。但是复杂单元的微尺度结构令其制造成本较高，易受到外界干扰。
图5 （a-c）用于氨基酸检测的MoS2 FET传感器；（d-e）MoS2 FET传感器循环生物检测过程的原理图与连续测量的S-t响应信号
三、TMDCs肿瘤治疗
图6 TMDCs单一和联合治疗肿瘤
TMDCs由于其高生物相容性、刺激反应性和固有的治疗效果，非常适合用于多种肿瘤治疗和生物成像。
单一治疗主要包括光热治疗（PTT）、光动力治疗（PDT）、基因治疗（GT）、免疫治疗（IT）、化学药物治疗（cT）等。基于TMDCs作为光热/光声诱导剂和药物载体，可以实现刺激响应型药物靶向释放和成像引导治疗。由于肿瘤的类型、病理分级、侵袭性和组织/器官的异质性很大，结合多种治疗方式优点的联合治疗用于改善癌症治疗。
影像引导治疗可避免正常组织损伤，提高治疗效果。因此，具有成像能力的TMDCs材料更受青睐。
图7 不同靶向修饰物的PCT纳米诊疗平台
图8 不同肿瘤治疗方式（单一、双联、三联治疗）的效果
图9 基于TMDCs的多模态成像引导治疗
图10 实际应用（a）用于肿瘤PDT的无线节拍器；（b）用于控制药物释放的摩擦式纳米发电机
图11 TMDCs应用前景展望
【小结】
综上所述，近年来开发了多种基于TMDCs的可穿戴和可生物降解的生物传感器，可以评估温度、电势、血压、O2含量和激素水平等关键生理指标。下一代智能生物传感器应该能够同时检测多个相互关联的目标分子，然后通过集成逻辑电路读取这些分子以进行快速诊断。未来基于TMDCs的肿瘤治疗研究应集中在以下几个方面：1、准确的靶向性、可控的治疗剂量；2、可控治疗进展和预后；3、能同时治疗多种肿瘤的多样化平台；4、完善生物降解性，以避免潜在的长期毒性。将生物传感和治疗集成为诊断-治疗一体化的可以极大地拓宽TMDCs的生物医学应用。
深圳大学王路得博士、南京理工大学许多、蒋连福博士为论文共同第一作者。本论文的通讯作者为深圳大学张晗教授、南京理工大学陈翔教授。
文献链接：“Transition Metal Dichalcogenides for Sensing and Oncotherapy: Status, Challenges, and Perspective”(Adv. Funct. Mater.，2020，10.1002/adfm.202004408)