美国马萨诸塞大学Dmitry Kireev综述系统梳理石墨烯、过渡金属硫族化合物等二维材料电子生物传感器的基础原理、材料体系、界面修饰策略，提出一套完整的二维生物传感器评价框架，剖析德拜屏蔽、器件漂移、可重复性、规模化制造等关键瓶颈，并基于技术成熟度 TRL 评估其转化路径，指明未来发展方向。相关工作发表在Nature Reviews Electrical Engineering（Engineering two-dimensional electronic biosensors）。
二维电子生物传感器的工程化
当血糖仪还在用针头扎破指尖，当体检报告上的癌症标志物还只能去大医院检测，一种比头发丝薄十万倍的传感器正在实验室里悄悄成长——它只有一个原子那么厚，却能把蛋白质、核酸、激素这些生命信号，直接翻译成电流的变化。
这篇发表于《自然综述·电气工程》的最新观点综述，把二维电子生物传感器的现状、框架与挑战讲得明明白白。
研究背景
二维材料只有一至数个原子层厚，却同时具备优异的电学、力学、几何与化学性质，能把环境与生物信号的微小变化转化为可测的电学响应，是新一代传感器的理想平台。石墨烯率先证明了这种可能：它生物相容、透明、柔性好，已能实现免标记、高灵敏检测。但石墨烯只是这座材料宝库的冰山一角——目前已实验验证的二维材料超过100种，理论上可剥离的超过3000种；从过渡金属硫化物（TMDs）、六方氮化硼（hBN）到元素二维材料（X-enes）、MXenes，每种材料都有独特的能带结构、表面化学与稳定性。本文的核心判断是：二维材料生物传感的未来，不在于继续堆砌灵敏度，而在于把灵敏度与选择性、稳定性、可重复性、生理环境适应性统一起来，并让器件性能与材料本征结构直接挂钩。
核心亮点与主要结论
- 免标记、高灵敏：二维材料把生物分子识别直接耦合到电荷输运，可实现无需信号放大的超灵敏检测，检出限低至飞摩尔甚至仄摩尔量级。
- 材料各有取舍：石墨烯、TMDs、hBN、X-enes等在灵敏度、稳定性与功能化路线上形成差异化权衡，没有十全十美的材料。
- 真实器件的木桶效应：缺陷、端基、污染与厚度等结构化学变异性，往往比材料本征性质更能决定器件表现。
- 功能化是生命线：共价或非共价修饰、连接子化学与受体选择，直接控制传感器的稳定性、漂移与使用寿命。
- 标准化是出路：建立统一的性能基准与测试流程，才能跨材料、跨器件、跨实验室公平比较。
- 石墨烯领跑商业化：Paragraf、Graphenea等已批量供应石墨烯微或纳米阵列芯片（TRL 9）；TMDs仍处早期TRL阶段，但可集成进芯片级架构，长期潜力巨大。
图1｜二维材料晶体管生物传感器的器件概念、能带结构与转移特性。
a，液体栅控石墨烯场效应晶体管（GFET）生物传感器示意图，表面功能化固定特异性受体。b，石墨烯能带结构，导带（红）与价带（蓝）呈线性色散并在狄拉克点相交；与常规半导体不同，石墨烯带隙为零，属于半金属，载流子表现为无质量狄拉克费米子，kx、ky为波矢。c，GFET暴露于带电分子后的转移特性：原始器件（实线）呈特征V形曲线，在电荷中性点VCNP处出现最小电导，体现双极性导电特征，器件可同时以电子和空穴导电；带正电分子吸附使VCNP向更低栅压移动（左），带负电分子则使其向更高栅压移动（右），与吸附电荷的静电栅控效应一致。VCNP移动的方向与幅度可用于判断吸附分析物的极性与浓度，凸显GFET作为免标记高灵敏生物传感器的优势。d，液体栅控过渡金属硫化物（TMD）场效应晶体管（FET）示意图。e，以单层二硫化钼（MoS2）为例的TMD能带结构，展示导带（红）与价带（蓝）之间的直接带隙，Ebandgap为带隙能量。f，TMD（MoS2）晶体管暴露于带电分子后的转移特性：原始器件（灰色）在本征阈值电压VTh0处导通，带正电分子吸附使阈值电压VTh负向移动（红），带负电分子则使其正向移动（蓝）。这种栅压位移反映分析物分子与MoS2沟道之间的电荷转移，展示了单层MoS2作为灵敏FET生物传感器的潜力。Vds为源漏电压，Vg为栅极电压。
图2｜二维材料及其带隙。
代表性二维半导体、金属与绝缘体相对真空能级（EVAC）的能带对齐图。着色条带表示导带（红）与价带（蓝），并给出每种材料的原子结构示意图。*表示带隙随原子层数变化的材料。hBN为六方氮化硼，MoS2为二硫化钼，MoSe2为二硒化钼，MoTe2为二碲化钼，PtSe2为二硒化铂，PtTe2为二碲化铂，WS2为二硫化钨，WSe2为二硒化钨，WTe2为二碲化钨，SnS2为硫化锡（IV）。
图3｜二维材料生物传感器框架。
>示意性地给出决定二维材料（2DM）生物传感器性能的关键组件与设计考量。该框架统筹考虑材料本征性质（生长质量、尺寸、传感原理）、界面工程（连接子、功能端基、受体、钝化层）与器件层面因素（溶液环境、形态因子、集成与连接）之间的相互作用。CMOS为互补金属氧化物半导体，CVD为化学气相沉积，hBN为六方氮化硼，miRNA为微小核糖核酸，PBS为磷酸盐缓冲液，PDMS为聚二甲基硅氧烷，PET为聚对苯二甲酸乙二醇酯，PMMA为聚甲基丙烯酸甲酯，SNR为信噪比，TMD为过渡金属硫化物。
图4｜二维材料生物传感器的功能化策略。
将生物受体固定在二维材料（2DM）表面常用方法的示意图概览。原始石墨烯表面含有本征官能团与缺陷位点（如–OH、–COO–与–O），可作为功能化的锚点。共价功能化可通过两种途径实现：一是识别元件（如抗体、适配体、酶或单链DNA）直接连接到反应性表面位点；二是经连接子介导的偶联，由中间连接单元（如马来酰亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）酯、醛或叠氮–炔化学）实现对受体的可控固定。此外，非共价功能化可通过π–π堆叠（如芘衍生物）、静电吸附、聚合物介导相互作用或氢键等常见策略实现，在保持晶格完整的前提下将分子附着于2DM表面。
图5｜二维材料电子生物传感器的技术就绪水平（TRL）与现存挑战。
该图将二维材料（2DM）生物传感器的新兴应用映射到技术就绪水平（TRL）标尺上，展示其从早期概念验证向成熟平台的演进过程。早期阶段（TRL 1–3）涵盖基础传感机制，如全二维集成技术、突破Debye长度限制的传感策略，以及电子健康（e-Health）与药物发现的初步展示。中段发展（TRL 6）涵盖器件集成与应用驱动系统，包括石墨烯电子纹身、TMD生物传感器、多靶标与植入式传感平台，以及柔性可穿戴生物传感器。高阶阶段（TRL 7–9）突出面向转化与部署的技术，如即时检测（PoC）诊断和接近商业成熟度的石墨烯生物传感器。图中同时列出实现二维材料生物传感器大规模应用前必须解决的现存挑战。AI为人工智能，ML为机器学习，TMD为过渡金属硫化物。
专栏1｜二维材料的结构多样性。
二维材料是一个庞大的层状晶体家族，每种材料都有独特的晶格几何与表面化学，决定了其用于生物传感时的电子与化学性质。石墨烯是sp2杂化碳原子组成的单原子层，六方晶格可负载含氧基团（羟基、羧基、环氧基），提供多种功能化路径。第四族元素二维材料（X-enes）如硅烯、锗烯、锡烯采用翘曲蜂窝晶格，表面活泼，可进行卤化、烷基化或有机功能化以调控表面反应性用于传感。磷烯具有褶皱晶格，强各向异性与高表面反应性，支持共价键合与杂化功能化策略。六方氮化硼（hBN）化学稳定、呈绝缘性，作为异质结中的原子级钝化层或介电层。TMDs（MX2）由过渡金属平面夹在两层硫族原子之间构成，随厚度与组分可呈现半导体、金属甚至超导相，适合晶体管类生物传感器。MXenes（如Ti3C2）由MAX相选择性刻蚀得到，表面富含–OH、–O、–F等端基，提供丰富功能化位点，但稳定与集成存在挑战。二维氧化物（如SnO2、In2O3）环境稳定、薄膜生长简便，在气体与生物传感中已有成熟应用。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s44287-026-00326-2
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