Recente vooruitgang in metalenoxide-grafeen-CNT nanobiosensors

Samenvatting

Nanobiosensors zijn handige, praktische en gevoelige analyseapparaten die chemische en biologische agenten detecteren en de resultaten omzetten in betekenisvolle data tussen een biologisch actief molecuul en een herkenningselement dat geïmmobiliseerd is op het oppervlak van de signaaldemodulator door een fysico-chemische detector. Vanwege hun snelle, accurate en betrouwbare werkingseigenschappen worden nanobiosensors breed toegepast in klinische en niet-klinische toepassingen, beddentoetsen, de medische textielindustrie, milieucontrole, voedselveiligheid, enz. Ze spelen een belangrijke rol in dergelijke cruciale toepassingen. Daarom is het ontwerp van de biosensorinterface essentieel voor de prestaties van de nanobiosensor. De unieke chemische en fysieke eigenschappen van nanomaterialen hebben de weg geefend voor nieuwe en verbeterde sensoringapparaten in biosensors. De groeiende vraag naar apparaten met verbeterde sensoring- en selectiviteitscapaciteit, korte responstijd, lagere detectiegrens en lage kosten zorgt voor nieuwe onderzoeken naar nanobiomaterialen die als biosensorscaffold kunnen dienen. Van alle nanomaterialen hebben studies over de ontwikkeling van nanobiosensors gebaseerd op metalenoxid-nanostructuren, grafeen en zijn derivaten, koolstofnanotubes en het wijdverspreide gebruik van deze nanomaterialen als hybride structuur recentelijk de aandacht getrokken. Nanohybride structuren die ontstaan door deze nanostructuren te combineren, voldoen direct aan de toekomstige behoeften van biosensors door hun hoge elektrokatalytische activiteiten. Deze review behandelt de recente ontwikkelingen op het gebied van deze nanomaterialen en hun derivaten, en hun gebruik als biosensorscaffold. We beoordelen deze populaire nanomaterialen aan de hand van vergelijkende studies, tabellen en grafieken.

Inleiding

Een biosensor is een diagnostisch apparaat dat signalen van een biologisch analyaat omzet in een meetbaar en onderscheidbaar elektrisch signaal voor een kwalitatieve en/of kwantitatieve detectie van het analyaat dat mogelijk verstrengeld is met andere fysico-chemische stoffen [1]. De eerste bekende biosensor werd ontwikkeld door Clark et al. [2] voor de detectie van zuurstof, en de eerste amperometrische enzym-elektrode die door Clark en Lyons [3] werd ontwikkeld, was een enzym-gebaseerde glucosebiosensor. In de loop der jaren zijn enzym-gebaseerde, weefsel-gebaseerde, desoxyribonucleïnezuur (DNA)-gebaseerde, en thermische, optische, elektrochemische biosensortypes ontwikkeld. Biosensors geven stabielere en preciezere resultaten dan traditionele methoden in sommige toepassingen zoals klinische diagnose, biomedische sector, voedselproductie en analyse [2, 4]. Bovendien, met eigenschappen als specificiteit, selectiviteit en kostenbesparing met een eenvoudige bediening, realtime analyse en continu gebruik, zijn er verschillende typen biosensors snel ontwikkeld in de tweede helft van de eeuw en zijn ze breed toegepast in gerelateerde medische, milieu- en forensische velden [5]. Hun intensieve gebruik in deze kritieke toepassingsgebieden heeft verwachte eigenschappen van een biosensor naar voren gebracht: hoge gevoeligheid, stabiliteit, hoge selectiviteit, lange levensduur, herhaalbaarheid, eenvoud en goedkoopheid, breed meetbereik en snelle responstijd [6].

Volgens de International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) bevatten biosensors drie hoofdcomponenten: biologisch herkenningselement, transducercomponent en elektronisch systeem dat vaak gecombineerd is met een transducer. Als geïntegreerde receptor-transducer apparaten kunnen biosensors selectieve kwantitatieve of half-kwantitatieve analytische informatie verstrekken met behulp van een biologisch herkenningselement [7] (Fig. 1). Binnen dit kader kunnen nucleïnezuren, enzymen, antilichamen, receptoren, micro-organismen, cellen, weefsels en zelfs biomimetische structuren gebruikt worden als bioreceptor voor biologische detectie.

Het ontwerp van een biosensor is van groot belang voor een snelle en gemakkelijke test onder welke omstandigheden of positie het analyaat ook mag ontstaan. In dat ontwerp hebben de materialen van de transducercomponent ook een significante invloed op de detectiekwaliteit. De fysische transducers variëren aanzienlijk met de meetbare signaalbron en maken voornamelijk gebruik van optische en elektrochemische systemen [5]. De fysico-chemische, elektronische/optische/elektrochemische eigenschappen van het materiaal dat als fysieke transducer wordt gebruikt, beïnvloeden direct de prestaties van biosensors. Bovendien worden de efficiëntie en effectiviteit van biosensors bepaald door de matrices, mediatoren en stabilisatoren die gebruikt worden voor enzymimmobilisatie. Daarom speelt de eigenschap van het materiaal waaruit de fysieke transducercomponent is vervaardigd een cruciale rol bij het verkrijgen van eigenschappen als hoge signaalstabiliteit en herhaalbaarheid van biosensors en in hun selectiviteit. Van de bovengenoemde drie componenten van een biosensor richt deze review zich voornamelijk op recente ontwikkelingen in de oppervlaktefunctionalizatie van transducercomponenten met behulp van nanomaterialen.

Transducers kunnen hoofdzakelijk in vier klassen worden ingedeeld: elektrochemisch, bioluminescent, piezo-elektrisch, calorimetrisch en optisch. Het oppervlak van de transducer kan gewijzigd worden door veel verschillende functionele materialen te gebruiken om de sensorprestaties te verbeteren. Het controleren van de structuur, morfologie en eigenschappen van deze materialen kan daarbij helpen. Onder deze materialen hebben nanosized materialen, aangeduid als nanomaterialen, een groot potentieel om cruciaal te zijn voor de ontwikkeling van nieuwe, adaptieve en zeer gevoelige biosensors voor een breder toepassingsgebied met hun unieke afhankelijke eigenschappen zoals groot oppervlakte, verbeterde elektrische geleiding en hoge chemische reactiviteit. Gezien deze buitengewone eigenschappen zijn nanomaterialen een van de voorkeurskandidaten om te voldoen aan de gewenste eisen voor de constructie van zeer gevoelige biosensors [6].

Om als nanomateriaal te worden beschouwd, moet de grootte in ten minste één dimensie tussen 1 en 100 nm liggen [8]. Vanwege hun extreem kleine grootte bevinden zich in nanomaterialen de meeste atomen dicht bij het oppervlak of op het oppervlak. Deze nanoparticles (NPs), die opmerkelijke eigenschappen verwerven als verbeterde fysico-chemische eigenschappen, hoger oppervlakte, verkorte afstand van elektronen, brengen een significant verschil teweeg ten opzichte van hun bulk-grootte tegenhangers. Daardoor worden verbeterde prestaties gehandhaafd in de optische, thermische, elektrische en magnetische eigenschappen van die nanoschaal materialen om hoogst effectief te zijn voor gebruik als biosensorcomponent. Bovendien bieden nanosized materialen met hoger oppervlakte een geschikte ruimte voor de immobilisatie van een voldoende aantal bioreceptoren op het oppervlak van elektroden. Daarom tonen onderzoekers recentelijk een groot belangstelling in de productie, karakterisering en het gebruik van nanomaterialen voor biosensortoepassingen [9, 10].

Van alle nanomaterialen vallen MONs, grafeen en zijn derivaten, en CNTs op door hun unieke kenmerken [11, 12]. MONs vertonen significante katalytische eigenschappen door hun indrukwekkende morfologische diversiteit, non-toxiciteit en biocompatibiliteit. Het moet ook worden opgemerkt dat MONs een geschikte structuur bieden voor de immobilisatie van biomoleculen.

Hun kristalrooster dat wijziging van de celparameters en elektrochemische eigenschappen toelaat door het kwantumbeperkingseffect, en de controleerbaarheid van de bandkloof door hun oppervlakte-eigenschappen te veranderen wat de geleiding en chemische reactiviteit beïnvloedt, maakten ze hoogst potentieel om als biosensorische elementen te worden gebruikt en differentieerden MONs van hun bulk-gemiddelden [12, 13]. Bovendien zijn MONs recentelijk uitgebreid gecombineerd met koolstofnanomaterialen zoals grafeen en CNTs om een nanohybride structuur te vormen, om deze eigenschappen verder te verbeteren. Hierdoor verbetert de elektrochemische reactiviteit voor detectie en diagnostiek om te voldoen aan toekomstige eisen zoals gevoeligheid en selectiviteit van een biosensor [14].

De hybridisatie van deze koolstofnanomaterialen met MONs leidt tot de productie van geavanceerde biosensors met een of meer functies uitgerust met superieure optische, magnetische en elektrische eigenschappen [14,15,16]. Grafeen en zijn derivaten kunnen eenvoudig geïntegreerd worden met andere nanomaterialen om nanohybride materialen te creëren om de gewenste elektrochemische activiteit te verkrijgen [13, 17, 18]. Bijvoorbeeld, in veel toepassingen wordt grafeen beschouwd als een nuttig hulpmiddel om elektronenoverdracht naar de redoxrespons van proteïnen te bevorderen [19]. Echter, de fysieke stabiliteit van grafeen in de biologische omgeving en de toxiciteitsbeoordeling voor cellen is nog steeds omstreden [20,21,22]. Aan de andere kant hebben CNTs, in tegenstelling tot grafeen, variant optische kenmerken door hun veranderende chiraliteit, wat hen voordelig maakt ten opzichte van grafeen in optische biosensortoepassingen [23]. CNTs, met uitstekende elektrochemische capaciteit, zijn gemakkelijk chemisch te modificeren en hebben een hoge oppervlakte-tot-volumeverhouding zoals grafeen [24]. Wat betreft oppervlakte-eigenschappen, hoewel grafeen met al zijn volume blootgesteld is aan de omgeving vanwege zijn tweedimensionale eenlaagse aard, is deze blootstelling beperkt in het geval van eendimensionale (1D) CNTs [25]. Bovendien is in eerdere studies vaak gerapporteerd dat grafeen een hogere selectiviteit tegen interferenties heeft vanwege zijn uitstekende biomoleculaire sensoring en signaal-ruisverhoudingseigenschappen vergeleken met die van CNTs. Dit is voornamelijk te wijten aan de metalvrije grafietranden van grafeen met een hoog oppervlakte. Niettemin bestaan er problemen als signaalverstoring in CNTs-gebaseerde biosensors door de aanwezigheid van residuele metaalkatalysatoren [25. Met al deze aspecten kunnen nanohybriden gevormd door de combinatie van grafeen- en/of CNTs-structuren een vitale rol spelen in het ontwerp van geavanceerde biosensors, en compensatie van nadelen van beide materialen door een composietstructuur te vormen zou deze problemen oplossen en de detectie maximaliseren. Door gebruik te maken van de samenwerking die ontstaat door de composietstructuur van MONs, grafeen en CNTs, lijkt het onontbeerlijk om een verbeterde signaalversterking te bieden en geavanceerde bioaffiniteitstrategieën voor te bereiden, wat resulteert in de ontwikkeling van verbeterde biosensorische apparaten om toekomstige eisen te voldoen. Daarom richt zich deze review op recent gerealiseerde MONs, grafeen en CNTs-gebaseerde biosensors. Bovendien is de cruciale rol besproken van het gebruik van deze nanomaterialen, niet alleen afzonderlijk, maar ook samen, in de productie van biosensors met superieure eigenschappen verkregen door hun combinatie. Door toekomstige verwachtingen en uitdagingen te evalueren, willen we een alternatief perspectief bieden voor verder onderzoek.

Metaloxide-nanostructuur-gebaseerde biosensors

Metalenoxiden (MOs) zijn sinds de initiële biosensorstudies in 1954 essentiële kandidaten voor sensortoepassingen [26, 27]. MOs kunnen gesynthetiseerd worden in verschillende nanomorphologieën zoals NPs [28, 29], nanovezels [30], nanospheren (NSs) [31], nanostaven [32], nanotubes en nanodraden (NWs) [33], nanovellen [34, 35]. Naast morfologische veelzijdigheid bieden MONs enkele voordelen: hoog oppervlakte/volume-verhouding, non-toxiciteit, goede biocompatibiliteit, chemische stabiliteit, uitstekende selectiviteit, elektronen- en fononbeperking, hoge katalytische efficiëntie en sterke adsorptiecapaciteit, fysico-chemische interfacekenmerken [36,37,38,39,40]. Daarnaast kunnen MONs geproduceerd worden via relatief eenvoudige en kosteneffectieve methoden zoals radiofrequentie (RF) magnetron sputteren [41,42,43], thermische verdamping [44, 45], plasma-ondersteunde chemische dampafstelling (PECVD) [46, 47], moleculaire bundel epitaxie [48], en sol-gel techniek [49], elektrochemische afscheiding [50], en hydrothermale methode [51]. Deze significante kenmerken hebben MONs tot een van de meest gewenste materialen gemaakt voor biomedische toepassingen en de biosensormarkt. Publicaties over MONs van 2010 tot 2020 zijn geanalyseerd en gepresenteerd in Fig. 2 met een taartdiagram dat de verdeling van biomedische toepassingen van MONs weergeeft.

Aan de andere kant zijn in de laatste jaren diverse MONs zoals ZnO, Fe₃O₄, CuO, NiO, TiO₂, MgO continu geproduceerd als veelzijdige en functionele biosensors voor een lange tijd [44, 52]. Onder de MONs worden ZnO en Fe₃O₄, vanwege hun wijdverspreide toepassingen, beschouwd als prominente leden in de biosensorconstructie [53, 54].

ZnO-nanostructuren

ZnO-nanostructuren spelen een uitgebreide rol in de fabricage van nieuwe genanostructureerde biosensors door hun unieke eigenschappen, waaronder hoog isoelectrisch punt (IEP ~ 9,5) [55], brede bandkloof, nuttig elektronencommunicatiekenmerk, hoge chemische stabiliteit, goede biocompatibiliteit en piezo-elektriciteit. Vooral het hoge isoelectrische punt verklaart duidelijk waarom ZnO het meest voorkomende metalenoxide is dat wordt gebruikt voor biosensortechnologieën. Daarnaast kan ZnO in alle klinische of niet-klinische toepassingen worden gebruikt omdat het een milieuvriendelijk en veilig materiaal is [53, 54, 56]. Bijvoorbeeld, Akhtar et al. [57] ontwikkelden een reagentloze optische biosensor gebaseerd op het mechanisme van fluorescentieversterking voor amyloiddetectie in de diagnose van neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en insuline-afhankelijke diabetes type II door gebruik te maken van bloemachtige ZnO-nanostructuren die een groter oppervlakte hebben. Verder is gerapporteerd dat ZnO nanoflower een goed prestatieverbeteraar is dat een snellere en kosteneffectievere amyloidebiosensor biedt [57]. Verder werd een glucosebiosensor met ZnO nanostaf-gebaseerde veld-effect transistor (FET) gerelateerd aan draagbare continue glucosemonitoring voor personen met diabetes geproduceerd door Zong en Zhu [54] via de hydrothermale methode. Ze bereikten een hoogpresterende biosensor met een hoge gevoeligheid van 1,6 mA/µM cm² met een minuscule sensorgebied van 180 µm² en een detectiegrens van 1 µM dankzij de grote oppervlakte-tot-volumeverhouding van ZnO nanostaven [54]. Sahyar et al. [58] ontwikkelden een nieuwe Ag-gedopte ZnO NPs-gebaseerde biosensor voor vroege detectie van vleesbederf. Als resultaat van hun analyse met een enzym xanthine oxidase (XO)-gemodificeerde elektrode (nanoAg-ZnO/polypyrrole (PPy)/potloodgrafietelektrode) stelden ze dat de enzymbiosensor die ze verkregen hoge selectiviteit vertoonde met 0,03µA/mM gevoeligheid en 0,07 µM lage detectiegrens [58].

In een andere studie ontwikkelden Yue et al. [59] succesvol een ideale dopamine (DA) biosensor gebaseerd op Au NPs-ZnO nanokeel-array/grafeenschuim elektroden. In hun karakteriseringen bewijzen ze dat de door hen gemodificeerde elektrode een hoge gevoeligheid (4,36 µA µM⁻¹) en een lage detectiegrens (0,04 µM, S/N = 3) heeft bij het detecteren van DA. Verder rapporteerden ze dat de ZnO nanokeel-gebaseerde elektrode een uitstekende selectiviteit, goede reproduceerbaarheid en stabiliteit vertoonde onder urzuur (UA) interferentie. Ze benadrukten ook dat de elektrode enorm potentieel heeft in geneeskunde en gezondheidszorg [59]. In hetzelfde jaar ontwikkelden Qian et al. een elektrochemische glucosedetector met ZnO NPs. De sensor bestaat uit een CeO₂ nanowisker gedecoreerd met ZnO NPs, en ze stelden dat de ZnO/CeO₂ nanocomposietstructuur een uitgebreid oppervlakte, non-toxiciteit en hoge elektrokatalytische activiteit heeft. De nanocomposiet toonde een extraordinaire prestatie voor het detecteren van glucose met een lineair bereik van 0,5–300 µM en een detectiegrens (LOD) van 0,224 µM (40 ppb). Ze benadrukten ook dat de nanocomposietsensor een uitstekende lineaire relatie vertoonde tussen stroomsignaalintensiteit en glucoseconcentratie (R² = 0,99944) [60]. Een andere glucosebiosensor werd ontwikkeld door Rafiee et al. [61] door grafeennanoplatelets (GNPs), bekend om hun hoge geleiding en chemische stabiliteit, en ZnO NWs, bekend om gevoeligheid voor glucose, te combineren. In hun studie wijzigden ze de structuur van het apparaat als een glucosebiosensor door ZnO NWs te synthetiseren op dunne films van GNPs in drie verschillende concentraties (0,5, 1 en 2 mg), gedefinieerd als GNP1, GNP2 en GNP3. Het systeem toonde aan dat het dubbele effect van ZnO NWs en GNPs leidde tot de perfecte verbetering voor een efficiënte glucosebiosensor. Bijvoorbeeld, ze merkten op dat voor lage glucoseconcentraties de respons van het apparaat toenem naarmate de hoeveelheid grafeen in de oplossing toenem, en de sensorresponstijd afnam met een toename in het aantal GNPs. Bovendien rapporteerden ze dat lange-termijnstabiliteit, namelijk consistente weerstands-concentratierelatie, een belangrijk criterium voor een ideale biosensor, werd waargenomen in monsters gemodificeerd met GNPs na blootstelling aan 30 mg/dL glucose gedurende 30 dagen. Gevolgd presenteerden ze een ideale glucosebiosensor met nuttige kenmerken: responstijd van 5 s, een detectiebereik van 0,003–30.000 mg/dL en lange-termijn elektrische stabiliteit [61]. Naast deze studies worden enkele andere recentere studies met verschillende ZnO-nanostructuren voor de detectie van verschillende enzymen gegeven in Tabel 1.

Overwegend de huidige studies getoond in Tabel 1, kan worden gesteld dat ZnO-structuren geproduceerd worden door talloze methoden met variërende morfologieën, en ze blijven wijdverspreid gebruikt vanwege hun gemak in integratie in composietstructuren. Productiealternatieven en morfologische veelzijdigheid, evenals het vormen van nanocomposiet- en nanohybride structuren met andere nanomaterialen, met name met koolstofnanostructuren, bieden een buitengewone potentieel aan ZnO-structuren om de verwachte eigenschappen met volle efficiëntie in een ideale biosensor te voldoen.

Fe₃O₄ nanostructuren

In de laatste jaren heeft Fe₃O₄ nanostructuur veel belangstelling gewekt in veel veelbelovende toepassingen, waaronder biosensors, geneesmiddelafgifte, celscheiding en farmacie, dankzij zijn superieure eigenschappen zoals goede biocompatibiliteit, lage toxiciteit, superparamagnetisme, katalytische activiteit en de gemakkelijkheid van voorbereiding en modificatieproces. Magnetische Fe₃O₄ NPs zijn geschikt voor de immobilisatie van gewenste biomoleculen zoals enzymen [73,74,75,76] vanwege de eenvoudige scheiding van het medium door zijn magnetische aard [77]. Fe₃O₄ magnetische NPs en hun derivaten zijn uitgebreid gebruikt in biosensortechnologie, en diverse aantrekkelijke studies zijn besproken in de literatuur [75, 78]. In deze context ontwierpen Sanaeifar et al. [75] een nieuwe elektrochemische biosensor voor glucosedetectie. Ze evalueerden de elektrochemische prestaties van de nanocomposiet bereid door Fe₃O₄ magnetische NPs, geproduceerd via de co-precipitatie methode in polyvinylalcohol (PVA), te disperseren. Ze rapporteerden dat Fe₃O₄ NPs in de PVA-matrix, met uitstekende katalytische eigenschappen tegen geïmmobiliseerde glucose oxidase, de elektronenoverdrachtsnelheden tussen het enzym en het elektrodeoppervlak verhoogden. De bioelektrode die bereid kon worden, kon glucose meten in het bereik van 5 × 10⁻³ tot 30 mM met een gevoeligheid van 9,36 µA mM⁻¹ en vertoonde een detectiegrens van minder dan 8 µM [75]. Dong et al. [79] ontwikkelden Ag/Fe₃O₄ kern-schil NSs-gebaseerde sensoren, geproduceerd via een eenvoudige solvothermale aanpak, voor gebruik bij de detectie van hydrazine voor milieubescherming. Ze rapporteerden dat de hoge-prestatie hydrazinesensor een responstijd van 2 s heeft, een lineair bereik van 0,25–3400 µm, een gevoeligheid van 270 μA mM⁻¹ cm⁻² en een detectiegrens van 0,06 µM. Vergelijkend met de cijfers is een hydrazinesensor ontwikkeld die ver superieur is aan andere sensoren in de literatuur [79].

In een andere studie ontwikkelden Sriram et al. [80] Fe₃O₄ NSs/gereduceerd grafeenoxide (rGO) nanocomposiet om UA in urine en bloedserum monsters te detecteren. Als resultaat van hun elektrochemische analyse, toonden Fe₃O₄ NSs/gereduceerd grafeenoxide (rGO) nanocomposieten, met hoge stabiliteit en herhaalbaarheid, een uitstekende elektrochemische reductiepiek. Bovendien benadrukten ze dat het lineaire bereik van de UA-sensor die ze ontwikkelden tussen 0,02 en 783,6 µM lag, en de LOD was 0,12 nM [80]. Evenzo werd een nieuwe biosensor voor DA-detectie door combinatie van grafeenoxide (GO) en Fe₃O₄ ontwikkeld door Cai et al. [81]. In hun studie synthetiseerden ze succesvol Fe₃O₄/GO/onberispelijk grafeen (PG) ternaire composiet door dispersie en co-precipitatie methoden. Vervolgens depositieerden ze de nanocomposiet op de werkende elektrode, glasvormige koolstofelektrode (GCE), door druppeltechniek. De hoogste piekstroom wordt geregistreerd voor Fe₃O₄/GO/PG structuren in cyclische voltammogrammen (CVs). Op dezelfde manier rapporteerden ze dat de hoogste piekstroom in DA-aanwezigheid toebehoort aan Fe₃O₄/GO/PG/GCE monster. Ze benadrukten ook een toename in de piekstroom voor het Fe₃O₄/GO/PG/GCE monster door toegenomen DA-concentratie. Ten slotte stelden Cai et al. dat de elektrochemische sensor effectief kan worden gebruikt in DA-detectie [81]. Enkele representatieve studies over Fe₃O₄ nanostructuren als biosensorcomponent zijn gegeven in Tabel 2.

Ondanks hun superieure eigenschappen hebben magnetische Fe₃O₄ nanostructuren beperkende problemen in biosensor- en biologische toepassingen. Vanwege hun hoge oppervlakte-energie, chemische reactiviteit en sterke magnetische interacties, zijn ze extreem gevoelig voor agglomeratie, wat moeilijkheden creëert in het stabiliseren van Fe₃O₄ magnetische nanostructuren. Om dit probleem op te lossen, wordt het oppervlak van Fe₃O₄ nanostructuren gecoat met polymere lagen [95]. Echter, het coaten van het oppervlak met het polymer kan de efficiëntie verminderen in termen van elektrochemische biosensortoepassingen. Daarom kunnen bij het stabiliseren van magnetische Fe₃O₄ nanostructuren biomoleculen zoals genen, cellen, enzymen, proteïnen en andere essentiële nanostructuren (grafeen, CNTs, kwantumdots, NPs, enz.) worden gebruikt. Daarom kan worden voorspeld dat complexe nanohybride en nanocomposiet systemen gebaseerd op magnetische Fe₃O₄ nanostructuren een fenomeen zullen worden in de productie van biosensors van de nieuwe generatie in de toekomst.

Na alles, MOs-gebaseerde biosensors die diverse nanostructuren incorporeren, presenteren unieke en nieuwe functies in praktische en industriële toepassingen. Nanostructuren van MOs beïnvloeden sterk het ontwerpen van hooggevoelige, snelle en stabiele biosensors door hun ongeëvenaarde eigenschappen. Bovendien omvat elk type nanostructuren en metalenoxiden zijn eigen voordelen. Daarom zullen nieuwe vooruitgang in sensoringapparaten waarschijnlijk plaatsvinden in de biotechnologie. Daarnaast is te zien dat nanokoolstofstructuren in recente studies veel ruimte zijn gegeven, en MOs worden samen met hen gebruikt. Daarom zal het tweede deel van dit werk zich richten op de twee meest gebruikte nanokoolstof (grafeen en CNTs) in biosensors.

Grafeen en zijn derivaten-gebaseerde biosensors

Grafeen is een van de meest populaire allotropen van koolstof, net zoals graafiet, CNTs, fullereen, diamant. Het is een tweedimensionale laag van sp²-gehybrideerde koolstofatomen. Na de ontdekking van grafeen door Geim en Novoselov, heeft het wereldwijd enorme aandacht getrokken in verschillende disciplines zoals transparante elektroden, energietopslag, geneesmiddelafgifte, biosensors, supercondensatoren, batterijen en katalyse [96, 97]. Grafeen, zoals veel andere nanomaterialen, kan gesynthetiseerd worden door top-down (mechanische exfoliatie, chemische exfoliatie en chemische synthese) en bottom-up methoden (pyrolyse, epitaxiale groei, chemische dampafstelling (CVD)) [97]. Verschillende productiemethoden leiden tot de aanwezigheid van tal van grafeen-achtige materialen zoals grafeen, GQDs, GO, rGO, grafeennanostroken (GNRs), nanomesh, nanovellen [98]. De veelgebruikte derivaten zijn weergegeven in Fig. 3.

Grafeen heeft goede thermische geleiding (5000 W/mK), hoge elektronenmobiliteit bij kamertemperatuur (250.000 cm²/V s), groot oppervlakte (2630 m²/g), hoge elasticiteitsmodulus (21 T Pa) en goede elektrische geleiding [99]. Bovendien bieden de atoombereikte dikte van de grafeenbladen en hun grote oppervlakte materiaalgevoeligheid tegen veranderingen in omstandigheden. Dus grafeens oppervlaktekenmerken, waarbij elk atoom direct gecontacteerd kan worden, maken het gevoelig voor de omgeving. Daarom is het een uitstekende kandidaat voor sensortoepassingen in vergelijking met andere materialen [, , 4, 100, 101]. De studies van het laatste decennium met betrekking tot grafeen en zijn derivaten zijn geanalyseerd en gepresenteerd in Fig. 102 met een taartdiagram dat de verdeling van biomedische toepassingen van grafeen presenteert. Het kan worden gesteld dat onderzoekers zich voornamelijk richten op het veld van biosensors door de bovengenoemde eigenschappen van grafeen.

Zoals vermeld in de eerste sectie, worden sommige biosensors bereid door grafeen en grafeenderivaten te combineren met MONs. In dit deel van de review richten we ons op biosensors gebaseerd op grafeen en zijn derivaten. Een algemene weergave en mechanisme van grafeen-gebaseerde biosensors zijn getoond in Fig. 5. Hier interageren analyaat met de functionele groep(s) op het grafeenoppervlak, en elektrochemische, optische of andere uitgangen kunnen verkregen worden op basis van deze interactie [96, 97, 103]. Bijvoorbeeld, Mani et al. [104] ontwikkelden een ternary nanobiocomposiet gebaseerd op rGO nanostroken/MWCNTs/chitosan voor gevoelige en selectieve detectie van H₂O₂ en NO₂⁻. Ze onderzochten de gunstige eigenschappen van de biosensor in contactlenzen reinigingsoplossing en vleesmonster. Ze rapporteerden dat voor H₂O₂, de nanobiocomposiet-gebaseerde sensor een gevoeligheid had van 0,616 µAµM⁻¹ cm⁻², de detectiegrens van 1 nm, en een lineair bereik van 0,001–1625 µM, terwijl deze waarden voor NO₂⁻, 0,643 µAµM⁻¹ cm⁻², 10 nm, en 0,01–1350 µM, respectievelijk. Dus bewijzen ze dat de grafeen-gebaseerde sensor effectief kan worden gebruikt in medische toepassingen en voedselveiligheid [104]. Een andere grafeen-gebaseerde H₂O₂ sensor werd bereid door Yin et al. [105]. In hun studie synthetiseerden Yin en collega's geleidende driedimensionale (3D) grafeenaerogels (GA) gedecoreerd met Ni₃N NPs met behulp van de hydrothermale methode. Als resultaat van hun karakterisatie toonden ze aan dat de Ni₃N/GA composieten die ze verkregen niet alleen voor H₂O₂ maar ook voor glucosebepaling toegepast konden worden. Ze rapporteerden dat de Ni₃N/GA-gebaseerde elektrode, in de bepaling van H₂O₂, hoge elektrochemische prestaties vertoonde als het detectiebereik van 5 µM–75,13 mM, de gevoeligheid van 101,9 µAmM⁻¹ cm⁻² en een lage detectiegrens van 1,80 µM. Bovendien, voor glucosebepaling, benadrukten ze dat de ontworpen elektrode een detectiebereik heeft van 0,1–7645,3 µM, een detectiegrens van 0,04 µM en een gevoeligheid van 905,6 µA mM⁻¹ cm⁻² [105].

Het kan worden gezegd dat recentelijk een intense belangstelling is voor grafeen-gebaseerde biosensors voor de praktische detectie van glucose Tabel 3. Bijvoorbeeld, Đurđić et al. [106] synthetiseerden succesvol een eenmalige biosensor gebaseerd op Bi₂O₃-gedecoreerde GNRs door co-precipitatie. Als resultaat van hun karakterisatie bewijzen ze dat de sensor die ze verkregen een detectiegrens had van 0,07 mM, een lineair bereik van 0,28–1,70 mM en een gevoeligheid van 64,81 μA/mMcm². Dus stelden ze voor dat de grafeen-gebaseerde sensor glucose in bloedserum en urinemonsters reproduceerbaar en stabiel kon detecteren [106]. In hetzelfde jaar werd een nuttige glucosebiosensor succesvol ontworpen door de single-pot hydrothermale synthese van een 3D stikstof-gedopte poreuze grafeenhydrogel (NHGH) met NiCo₂O₄ nanobloemen (NHGH/NiCo₂O₄) door Lu en team. Ze modificeerden de GCE met de nanocomposiet die ze verkregen en evalueerden de elektrochemische prestaties van de gemodificeerde elektrode in het bepalen van glucose. Ten eerste ontvingen ze CVs in 0,1 M NaOH oplossing, met een scansnelheid van 50 mV s⁻¹, om de elektrochemische katalytische prestaties te onderzoeken. Ze rapporteerden dat de NHGH/GCE een verhoogde oxidatiepiekstroom van 0,5 V heeft dan de zwakke anodische piekstroom van kaal GCE. Bovendien observeerden ze in hun studie dat het redox piekpaar zichtbaar is, wat aangeeft dat de elektrochemische activiteit van NHGH/NiCo₂O₄/GCE het hoogst is vergeleken met andere elektroden. Ze schrijften deze verbetering toe aan grafeens uitgebreide oppervlakte, goede geleiding en Co en Ni's redoxreacties. Bovendien toonden ze de elektrochemische katalytische prestaties van de elektroden in de 5,0 mM glucose toevoeging. Ze interpreteerden NHGH/NiCo₂O₄/GCE met de hoogste piekstroom bij 0,5 V als een duidelijke indicatie dat glucoseoxidatie beter gekatalyseerd kon worden dan andere elektroden door het dubbele effect van NiCo₂O₄ en NHGH. Ze rapporteerden ook dat de piekstromen lineair toenamen met toenemende glucoseconcentratie en de NHGH/NiCo₂O₄-gebaseerde glucosesensor vertoonde een brede lineaire relatie tussen piekstroom en glucoseconcentratie in het bereik van 5 µM–2,6 mM en 2,6 mM–10,9 mM, respectievelijk. Ook benadrukten ze dat NHGH/NiCo₂O₄/GCE een hoge gevoeligheid (2072 μA mM⁻¹ cm⁻²) en een lage detectiegrens (0,39 µM) heeft. Als resultaat stelden ze voor om te gebruiken voor een nauwkeurige bepaling van glucose in echte bloedmonsters [107].

Zoals te zien is in Tabel 3, zijn grafeen en zijn derivaten onmisbare bouwstenen geworden voor biosensortoepassingen, vanwege zijn uitstekende eigenschappen. Overwegend de recent uitgevoerde studies Tabel 3, is het opmerkelijk dat grafeen en zijn derivaten gebruikt worden in hybride nanostructuren met MONs om de gevoeligheid en reproduceerbaarheid van biosensors te verbeteren. Bovendien moet de MONs/grafeen synergie geëvalueerd worden om multifunctionele biosensors te verkrijgen en hoge elektrokatalytische activiteit te bereiken. Daarnaast kan grafeen gemakkelijk gecombineerd worden met andere nanokoolstoffen zoals CNTs. Daarbij kunnen rijke randdichtheid en zeer gunstige randdefecten voor het creëren van enzymatische biosensors verkregen worden.

Koolstofnanotubes-gebaseerde biosensors

CNT's, ontdekt door Iijima in 1991, kunnen worden voorgesteld als de vorming van een grafeenlaag in een cilinder. CNTs kunnen in het algemeen in twee typen worden gecategoriseerd als eendwandige koolstofnanotubes (SWCNTs) Fig. 6a en MWCNTs Fig. 6b [125]. De diameter en wikkelhoek bepalen de fysieke kenmerken van de CNTs door chiraliteit en de (n, m) index [126,127,128]. Volgens de (n,m) index kunnen CNTs metaal- of halfgeleidergedrag vertonen [129,130,131,132], afhankelijk van chiraliteit, SWCNTs kunnen in drie verschillende manieren worden geclassificeerd: (1) m = n is de armstoelnanotube Fig. 6c, (2) n > m en als m = 0 is de chirale nanotube Fig. 6d, en m = 0 is de zig-zag nanotube Fig. 6e. CNTs vertonen halfgeleidergedrag in hun natuur, maar voor een gegeven (n, m) SWNT, wanneer (2n + m)/3 een integer is, zullen de CNTs metaalachtig zijn. Dus kan worden beweerd dat alle armstoelnanotubes metaalachtig zijn [130]. Daarom betekent de mogelijkheid om chiraliteit tijdens productie te controleren het controleren van de elektronische kenmerken van CNTs, wat een groot voordeel biedt in biosensortoepassingen. Verschillende methoden zijn voorgesteld om CNTs in de laatste jaren te synthetiseren. Er zijn echter drie hoofdynthesetechnieken (boogontlading, laserablatie en CVD voor CNTs productie [133]. Vergeleken met boogontlading- en laserablatiemethoden is CVD de meest effectieve methode voor eenvoudige en kosteneffectieve controle van de chiraliteit van CNTs [133, 134].

De einden en zijwanden van de CNTs kunnen eenvoudig gemodificeerd worden door de toevoeging van vrijwel elk gewenst chemisch soort. CNTs kunnen uitstekende transducers zijn in nanoschaal sensoren vanwege hun significante gevoeligheid. Daarnaast hebben CNTs zeer gunstige eigenschappen voor het transmissie van elektrische signalen die gegenereerd worden bij herkenning van een doelwit en spelen daarom een essentiële rol in de uiteindelijke ontwikkeling van enzym-gebaseerde biosensors [135]. Bovendien zijn CNTs met kleine grootte, snelle responstijden en uitstekende elektrochemische eigenschappen gelijk of superieur aan de meeste andere elektroden met hun ionen, metabolieten en proteïne biomarkers [136]. Als resultaat van hun unieke tubulaire nanostructuren met uitgebreide lengte- en diameterverhoudingen, zijn CNTs gewenste materialen in het toepassen van elektrochemische biosensors vanwege hun uitstekende elektrochemische stabiliteit, grote mechanische flexibiliteit, snelle elektronenoverdracht en unieke thermische geleiding [137, 133]. CNTs worden ook wijd gebruikt in weefseltechniek en geneesmiddelafgifte systemen om elektrische en mechanische kenmerken te verbeteren na functionalisatie om hun biocompatibiliteit te waarborgen en geconjugeerd met organische verbindingen of metalen NPs. [138]. Studies over CNTs van 2010 tot 2020 zijn geanalyseerd en gepresenteerd in Fig. 7 als een taartdiagram dat de verdeling van biomedische toepassingen van CNTs toont.

CNTs, net als grafeen en zijn derivaten, dragen ook belangrijk bij aan de ontwikkeling van biosensors met hogere gevoeligheid en selectiviteit door te hybridiseren met MONs. Onderzoekers hebben recentelijk gefocust op de productie en karakterisering van nieuwe nanobiosensors die de unieke eigenschappen van CNTs kunnen combineren met de superieure eigenschappen van metaal NPs. Bijvoorbeeld, Rahman et al. [139] ontwierpen de Fe₃O₄-gedecoreerde CNTs gebaseerde 3-methoxyfenyl (3-MP) biosensor voor milieubeschermingstoepassingen. Fe₃O₄/CNTs nanocomposieten gesynthetiseerd door nat-chemische methode en gecoat de nanocomposiet op het GCE oppervlak als een dunne laag. Vervolgens evalueerden ze de elektrochemische prestaties van de gemodificeerde elektroden door I-V karakterisatie en rapporteerden dat de Fe₃O₄/CNT-gebaseerde elektrode een wijd detectiebereik (90,0 pM–90,0 mM), lage detectiegrens (1,0 pM) en hoge gevoeligheid (9 × 10⁻⁴ μA μM⁻¹ cm⁻²) vertoonde bij het detecteren van gevaarlijk fenol [139]. Op dezelfde manier, voor milieubescherming, werd MWCNT/TiO₂/chitosan-gebaseerde biosensor ontwikkeld door Fotouhi et al. [140] om dihydroxybenzeen isomeren te detecteren die in de omgeving vrijkomen uit de chemische en farmaceutische industrie. Fotouhi et al. rapporteerden dat ze de simultane bepaling van hydrochinon (HQ), catechin (CC) en resorcinol (RS), die vervuiling veroorzaken in echte watermonsters, uitvoerden door de MWCNTs-gebaseerde sensor. Bovendien gaven ze de detectiegrenzen (S/N = 3) van HQ, CC en RS aan als 0,06 µmol d m⁻³, 0,07 µmol d m⁻³ en 0,52 µmol d m⁻³, en de lineaire responsbereiken zijn tussen 0,4–276,0 µmol d m⁻³, 0,4–159,0 µmol d m⁻³ en 3,0–657 µmol d m⁻³, respectievelijk [140].

Naast milieubescherming, zijn biosensorontwerpen van CNTs voor klinische toepassingen recentelijk extreem interessant geworden Tabel 4. Bijvoorbeeld, Zhu et al. [141] verkrijgden het buckypaper met twee lagen: gezuiverde SWCNTs en SWCNTs gedecoreerd met NiO, door helium boogontladingsmethode. Later, als resultaat van hun analyse om de elektrochemische prestaties te evalueren, toonden ze aan dat de glucosebiosensor een breed lineair bereik (0,1–9 mM), hoge gevoeligheid (2701 μA mM⁻¹ cm⁻²) en snelle responstijd (< 2,5 s) heeft [141]. Barthwal en Singh [142] ontwierpen een ZnO/MWCNTs nanocomposiet biosensor om ureum te detecteren in hun studie. Ze gaven aan dat de ZnO/MWCNTs-gebaseerde sensor de hoogste detectiekarakteristieken heeft vergeleken met de ZnO- en MWCNTs-gebaseerde sensor. Ook benadrukten ze dat de gevoeligheid van de nanocomposiet met 2% MWCNTs minder dan 10 s is en de detectiegrens 10 ppm [142]. In hetzelfde jaar ontwikkelde Guan et al. succesvol een CNTs-gebaseerde hybride nanocomposiet als een elektrochemische biosensor voor simultane hoge-gevoeligheidsdetectie van DA en UA. In hun studie rapporteerden ze dat de meest uitgebreide (ΔE_p = 144 mV) en hoogste oxidatiestroom werd waargenomen in de elektrode gemodificeerd met CNTs-gebaseerde nanohybride. Bovendien onderzochten ze de simultane detectie van DA en UA in nanohybride-gemodificeerde GCE via differentiële pulsvoltammetrie (DPV). Ze toonden aan dat de anodische piekstroomrespons van de nanohybride/GCE lineair toenem door de toename in DA-concentratie. Ook verkregen ze een vergelijkbare waarneming voor de UA-concentratie. Ze benadrukten dat het concentratiebereik voor beide doelanalyaat 2–150 µM is. Als resultaat rapporteerden ze dat de detectiegrenswaarden van DA en UA 0,37 µM en 0,61 µM waren, respectievelijk [143].

Studies over het verhogen van de efficiëntie van CNTs-gebaseerde biosensors in verschillende toepassingsgebieden door te hybridiseren met MONs en grafeen en grafeenderivaten en het verbeteren van hun eigenschappen zijn van groot belang Tabel 4. De hogere elektrochemische activiteit en hogere geleiding van nanohybride structuren ontworpen met CNTs-gebaseerde elektrochemische sensors kunnen beschouwd worden als een resultaat van de inherente eigenschappen van CNTs. Aan de andere kant is een van de kenmerken die het gebruik van CNTs in biosensortoepassingen beperkt dat ze niet oplossen in de meeste oplosmiddelen. Ook heeft het een lage biocompatibiliteit en in sommige gevallen toxiciteit. Om deze problemen op te lossen, kan het combineren van verschillende functionele groepen op het oppervlak en de eindkappen van CNTs met MONs en het toepassen van oppervlaktemodificaties als een oplossing worden beschouwd.

Bovendien, door de integratie van CNTs met grafeen en zijn derivaten, is het mogelijk om meer actieve plaatsen voor biomoleculen te creëren door sterke bindingsinteracties. Een ander voordeel van CNTs/grafeen hybride structuur is dat het biosensors in staat stelt om in een kortere tijd te reageren door hun hogere elektronenoverdrachtsnelheid. Dus in de volgende generatie biosensors die in de toekomst zullen worden ontwikkeld, lijkt het onvermijdelijk om hoge gevoeligheid en selectiviteit, simultane doelbiomolecuul detectie te bereiken door te profiteren van het dubbele effect van CNTs met MONs of andere nanokoolstoffen zoals grafeen en zijn derivaten.

Conclusie en vooruitblik

Biosensors en bioelektroden spelen een cruciale rol in milieucontrole, voedselveiligheid, de medische textielindustrie, geneesmiddelontwikkeling en analyse, klinische en niet-klinische toepassingen. Met de recente COVID-19 pandemie, werden snelle respons, herbruikbare, goedkope en hoogselectieve biosensors cruciaal voor de strijd tegen infectieuze ziekten om onder controle te krijgen. Voor het ontwerp van een biosensor heeft het materiaal dat gebruikt wordt in de transducercomponent en om transduceroppervlakken te functionaliseren een expliciete invloed op de resultaten met de bovengenoemde eigenschappen verkregen van een biosensor. Binnen dit kader, voor de verbetering van de eigenschappen van deze apparaten, zijn nanomaterialen uitgebreid gebruikt en hun uitgebreide oppervlakte, vermogen om zich aan te passen aan oppervlaktemodificaties voor het gebruik van elk type analyaat, en dergelijke buitengewone nanoschaal-afhankelijke eigenschappen brachten hen ongekend een stap vooruit in de productie van een ideale biosensor.

Met deze motivatie presenteert dit artikel een overzicht van recente ontwikkelingen in hybride nanosystemen gecreëerd door het gecombineerde gebruik van MONs, grafeen en CNTs. Talrijke pogingen zijn gedaan om biosensors met verbeterde gevoeligheid en selectiviteit te creëren om biomoleculen te detecteren met behulp van deze nanostructuren. Onmiskenbaar is, naast elk van deze materialen unieke kenmerken, het multiple effect van hybride ontwerp van hen een sleutelpunt in het verkrijgen van een hogere prestatie biosensor. Het combineren van deze nanostructuren om een hybride ontwerp te creëren verbetert de elektrokatalytische activiteit van de biosensor, de elektronenoverdrachtsnelheid en stelt meer actieve plaatsen in staat om twee of meer biomoleculen simultaan te detecteren. Het voldoet ook aan andere gewenste functies die verwacht worden van een ideale biosensor, zoals stabiliteit, lange houdbaarheid, herhaalbaarheid, breed meetbereik, snelle responstijd voor toepassingen van biosensors van de volgende generatie. Er zijn echter dwingende factoren in het combineren van deze drie trending nanomaterialen, zoals de controle op agglomeratieneiging, cytotoxiciteit, de keuze van de juiste concentratie en de uitgebreide optimalisatie van omstandigheden om zuiverheid en betere integratie van deze materialen met elkaar te verbeteren. Daarom is er nog ruimte voor verbeteringen voor de voorbereiding van nanomaterialen en hun composietstructuren. Bovendien, voor een on-site diagnose van een analyaat, wat een grote impact heeft voor biosensors voor medische toepassingen, is het belangrijk om een snelle en betrouwbare resultaat op een kosteneffectieve manier te hebben. Voor dit doel kunnen nanomaterialen gebruikt in biosensors gemodificeerd worden om diagnose te vergemakkelijken met meer gevoelige sensoring, met name voor de biomarkers van sommige ziekten met een zeer minieme concentratie in hun vroege stadia. Voor het verkrijgen en verbeteren van dergelijke kenmerken, moeten grafeen, CNTs en MONs geproduceerd worden met minimale katalysatorverontreinigingen, hoge kristallijnheid en in grote hoeveelheden op een kosteneffectieve manier. Ze moeten ook ontworpen worden voor hun dichtheid van toestanden en de structuur van bindingen voor het afstemmen van betere elektronenoverdrachtseigenschappen. Binnen deze review werd een combinatie van nanostructuren voorgesteld die helpen om een nauwkeurig 'toekomstige biosensor' mechanisme te ontwikkelen en verwachtingen als gevoeligheid, superieure selectiviteit, lage detectiegrens, realtime sensoring met multifunctionele eigenschappen samengevat.

Beschikbaarheid van data en materialen

Niet van toepassing.

Afkortingen

1D:

Eendimensionaal

3D:

Driedimensionaal

CD:

Cyclodextrine

CVD:

Chemische dampafstelling

CVs:

Cyclische voltammogrammen

DA:

Dopamine

DNA:

Desoxyribonucleïnezuur

DPV:

Differentiele pulsvoltammetrie

FET:

Veld-effect transistor

GCE:

Glasvormige koolstofelektrode

GelMA:

Gelatine methacryloyl

GNPs:

Grafeennanoplatelets

GNRs:

Grafeennanostroken

GO:

Grafeenoxide

GQDs:

Grafeen kwantumdots

LOD:

Detectiegrens

MIP:

Moleculair geïmprimeerd polymer

MOFs:

Metalen-organische frameworks

MOs:

Metalenoxiden

MWCNTs:

Meervoudige koolstofnanotubes

NHGH:

Stikstof-gedopte poreuze grafeenhydrogel

NPs:

Nanodeeltjes

NRs:

Nanostaven

NSs:

Nanospheren

NWs:

Nanodraden

PANI:

Polyaniline

PDADMAC:

Poly(diallyl dimethyl ammonium chloride)

PDPA:

Poly difenylamine

PECVD:

Plasma-ondersteunde chemische dampafstelling

PEDOT:

Poly(3,4-ethylenedioxythiofeen)

PG:

Onberispelijk grafeen

PPy:

Polypyrrole

PTA:

Fosfofwolfraamzuur

PVA:

Polyvinylalcohol

RF:

Radiofrequentie

rGO:

Gereduceerd grafeenoxide

SERS:

Oppervlakte-versterkte Raman-verstrooiing

SWCNTs:

Eendwandige koolstofnanotubes

UA:

Urzuur

XO:

Xanthine oxidase