Een overzicht van de recente vooruitgang van op metaaloxide/grafeen/CNTs gebaseerde nanobiosensoren

Metaaloxiden op nanostructuren gebaseerde biosensoren

Metaaloxiden (MO's) zijn een essentiële kandidaat voor sensortoepassingen sinds de eerste biosensorstudies in 1954 [26, 27]. MO's kunnen worden gesynthetiseerd in verschillende nanomorfologieën zoals NP's [28, 29], nanovezels [30], nanosferen (NS's) [31], nanostaafjes [32], nanobuizen en nanodraden (NW's) [33], nanosheets [34, 35] . Naast morfologische veelzijdigheid bieden MON's enkele voordelen:hoge oppervlakte / volumeverhouding, niet-toxiciteit, goede biocompatibiliteit, chemische stabiliteit, uitstekende selectiviteit, elektronen- en fononbeperking, hoge katalytische efficiëntie en sterk adsorptievermogen, fysisch-chemische interfacekenmerken [36,37,38, 39,40]. Bovendien kunnen MON's worden geproduceerd via relatief eenvoudige en kosteneffectieve methoden zoals radiofrequentie (RF) magnetron sputteren [41,42,43], thermische verdamping [44, 45], plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) [46 , 47], moleculaire bundelepitaxie [48] en solgeltechniek [49], elektrochemisch depositieproces [50] en hydrothermische methode [51]. Deze belangrijke kenmerken hebben MON's tot een van de meest gewenste materialen gemaakt voor biomedische toepassingen en de markt voor biosensoren. Publicaties over MON's van 2010 tot 2020 werden geanalyseerd en worden weergegeven in Fig. 2 met een cirkeldiagram gepresenteerd als de distributie van biomedische toepassingen van MON's.

Cirkeldiagram met de verdeling van MON's in biomedische toepassingen

Aan de andere kant, voornamelijk in de afgelopen jaren, zijn verschillende MON's zoals ZnO, Fe₃ O₄ , CuO, NiO, TiO₂ , MgO wordt al lange tijd continu geproduceerd als veelzijdige en functionele biosensoren [44, 52]. Onder de MON's, ZnO en Fe₃ O₄ , vanwege hun wijdverbreide toepassingen, worden beschouwd als prominente leden in de constructie van biosensoren [53, 54].

ZnO-nanostructuren

ZnO-nanostructuren spelen een uitgebreide rol bij de fabricage van nieuwe nanogestructureerde biosensoren vanwege hun unieke eigenschappen, waaronder een hoog iso-elektrisch punt (IEP ~ 9,5) [55], brede bandafstand, nuttige elektronencommunicatiefunctie, hoge chemische stabiliteit, goede biocompatibiliteit, en piëzo-elektriciteit. Vooral het hoge iso-elektrische punt verklaart duidelijk waarom ZnO het meest voorkomende metaaloxide is dat wordt gebruikt voor biodetectietechnologieën. Bovendien kan ZnO worden gebruikt in alle klinische of niet-klinische toepassingen, omdat het milieuvriendelijk en veilig materiaal is [53, 54, 56]. Akhtar et al. [57] ontwikkelde een reagensloze optische biosensor op basis van het mechanisme van fluorescentieverbetering voor de detectie van amyloïde bij de diagnose van neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en insulineafhankelijke diabetes type II door gebruik te maken van bloemachtige ZnO-nanostructuren met een groter oppervlak . Bovendien is gemeld dat ZnO-nanoflower een goed prestatieverhogend materiaal is dat een snellere en kosteneffectieve amyloïde biosensor biedt [57]. Verder werd door Zong en Zhu [54] via een hydrothermische methode een glucosebiosensor gefabriceerd die gebruikmaakt van op ZnO nanostaafjes gebaseerde veldeffecttransistor (FET) met betrekking tot draagbare continue glucosemonitoringtoepassing voor personen met diabetes. Ze bereikten een hoogwaardige biosensor met een hoge gevoeligheid van 1,6 mA/µM cm ² met een klein detectiegebied van 180 µm ² en een detectielimiet van 1 µM in het voordeel van de grote oppervlakte-tot-volumeverhouding van ZnO-nanostaafjes [54]. Sahyar et al. [58] ontwikkelde een nieuwe, met Ag gedoteerde, op ZnO NP's gebaseerde biosensor voor vroege detectie van vleesbederf. Als resultaat van hun analyse met een enzym xanthine-oxidase (XO)-gemodificeerde elektrode (nanoAg-ZnO/polypyrrool (PPy)/potloodgrafietelektrode), stelden ze dat de enzymbiosensor die ze hadden verkregen een hoge selectiviteit vertoonde met een gevoeligheid van 0,03μA/mM en 0,07 μM lage detectielimiet [58].

In een andere studie, Yue et al. [59], ontwikkelde met succes een ideale dopamine (DA) biosensor op basis van Au NPs-ZnO nanocone-arrays / grafeenschuimelektroden. In hun karakteriseringen bewezen ze dat de elektrode die ze hebben aangepast een hoge gevoeligheid heeft (4,36 μA μM ⁻¹ ) en een lage detectielimiet (0,04 μM, S/N = 3) bij het detecteren van DA. Verder rapporteerden ze dat de op ZnO nanocone gebaseerde elektrode uitstekende selectiviteit, goede reproduceerbaarheid en stabiliteit vertoonde onder interferentie met urinezuur (UA). Ze benadrukten ook dat de elektrode een enorm potentieel heeft in de geneeskunde en de gezondheidszorg [59]. In hetzelfde jaar, Qian et al. ontwikkelde een elektrochemische glucosedetector met behulp van ZnO NP's. De sensor bestaat uit een CeO₂ nanohisker versierd met ZnO NP's, en ze verklaarden dat de ZnO/CeO₂ nanocomposietstructuur heeft een uitgebreid oppervlak, niet-toxiciteit en hoge elektrokatalytische activiteit. Het nanocomposiet vertoonde buitengewone prestaties voor het detecteren van glucose met een lineair bereik van 0,5-300 M en een detectielimiet (LOD) van 0,224 μM (40 ppb). Ze benadrukten ook dat de nanocomposietsensor een uitstekende lineaire relatie vertoonde tussen de huidige signaalintensiteit en de glucoseconcentratie (R ² = 0.99944) [60]. Een andere glucosebiosensor werd ontwikkeld door Rafiee et al. [61] door grafeen-nanoplaatjes (BNP's), bekend om hun hoge geleidbaarheid en chemische stabiliteit, te combineren met ZnO NW's, waarvan bekend is dat ze gevoelig zijn voor glucose. In hun onderzoek wijzigden ze de structuur van het apparaat als een glucosebiosensor door ZnO NW's te synthetiseren op dunne films van BNP's in drie verschillende concentraties (0,5, 1 en 2 mg), gedefinieerd als BNP1, ​​BNP2 en BNP3. Het systeem toonde aan dat het dubbele effect van ZnO NW's en BNP's leidde tot de perfecte verbetering voor een efficiënte glucosebiosensor. Ze merkten bijvoorbeeld op dat voor lage glucoseconcentraties de respons van het apparaat toenam naarmate de hoeveelheid grafeen in oplossing toenam, en de reactietijd van de sensor nam af met een toename van het aantal BNP's. Bovendien meldden ze dat stabiliteit op lange termijn, namelijk consistente weerstand tegen concentratierelatie, een belangrijk criterium voor een ideale biosensor, werd waargenomen in monsters die waren gemodificeerd met BNP's na blootstelling aan 30 mg / dL glucose gedurende 30 dagen. Daarom presenteerden ze een ideale glucosebiosensor met handige functies:responstijd van 5 s, een detectiebereik van 0,003-30.000 mg/dL en elektrische stabiliteit op lange termijn [61]. Naast deze onderzoeken worden enkele andere recente onderzoeken met verschillende ZnO-nanostructuren voor de detectie van verschillende enzymen gegeven in Tabel 1.

Gezien de huidige onderzoeken die in tabel 1 worden getoond, kan worden uitgedrukt dat ZnO-structuren zijn geproduceerd via tal van methoden met verschillende morfologieën, en het wordt nog steeds veel gebruikt vanwege het gemak van integratie in composietstructuren. Productiealternatieven en morfologische veelzijdigheid, evenals het vormen van nanocomposiet- en nanohybride structuren met andere nanomaterialen, vooral met koolstofnanostructuren, bieden een buitengewoon potentieel voor ZnO-structuren in termen van het voldoen aan de verwachte eigenschappen met volledige efficiëntie in een ideale biosensor.

Fe₃ O₄ Nanostructuren

In de afgelopen jaren heeft Fe₃ O₄ nanostructuur heeft veel interesse gewekt in veel veelbelovende toepassingen, waaronder biosensoren, medicijnafgifte, celscheiding en farmacie, dankzij de superieure eigenschappen zoals goede biocompatibiliteit, lage toxiciteit, superparamagnetisme, katalytische activiteit en het gemak van voorbereiding en modificatieproces. Magnetische Fe₃ O₄ NP's zijn geschikt voor de immobilisatie van gewenste biomoleculen zoals enzymen [73,74,75,76] vanwege het eenvoudige scheidingsvermogen van het medium door zijn magnetische aard [77]. Fe₃ O₄ magnetische NP's en hun derivaten zijn uitgebreid gebruikt in biosensortechnologie en er zijn verschillende aantrekkelijke onderzoeken in de literatuur besproken [75, 78]. In dit verband hebben Sanaeifar et al. [75] ontwierp een nieuwe elektrochemische biosensor voor glucosedetectie. Ze evalueerden de elektrochemische prestaties van het nanocomposiet bereid door Fe₃ . te dispergeren O₄ magnetische NP's, die werden geproduceerd via de co-precipitatiemethode in polyvinylalcohol (PVA). Ze meldden dat Fe₃ O₄ NP's in de PVA-matrix, met uitstekende katalytische eigenschappen tegen geïmmobiliseerd glucose-oxidase, verhoogden de elektronenoverdrachtssnelheden tussen het enzym en het elektrode-oppervlak. De bio-elektrode die is bereid, kan glucose meten in het bereik van 5 \(\times \hspace{0.17em}\)10 ⁻³ tot 30 mM met een gevoeligheid van 9,36 µA mM ⁻¹ en vertoonde een detectielimiet van minder dan 8 µM [75]. Dong et al. [79] ontwikkelde Ag/Fe₃ O₄ core-shell op NSs gebaseerde sensoren, geproduceerd via een eenvoudige solvothermische benadering, voor gebruik bij de detectie van hydrazine voor milieubescherming. Ze meldden dat de hoogwaardige 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 detectielimiet van 0,06 μM. Als we de cijfers vergelijken, is er een hydrazinesensor ontwikkeld die veel beter is dan andere sensoren in de literatuur [79].

In een andere studie, Sriram et al. [80] ontwikkelde Fe₃ O₄ NSs / gereduceerd grafeenoxide (rGO) nanocomposiet om UA te detecteren in urine- en bloedserummonsters. Als resultaat van hun elektrochemische analyse, Fe₃ O₄ NSs/gereduceerde grafeenoxide (rGO) nanocomposieten, met hoge stabiliteit en herhaalbaarheid, vertoonden 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 dat de LOD 0,12 nM [80]. Evenzo een nieuwe biosensor voor DA-detectie door grafeenoxide (GO) en Fe₃ te combineren O₄ werd ontwikkeld door Cai et al. [81]. In hun onderzoek synthetiseerden ze met succes Fe₃ O₄ /GO/ongerept grafeen (PG) ternair composiet door dispersie- en co-precipitatiemethoden. Later deponeerden ze het nanocomposiet op de werkelektrode, de glasachtige koolstofelektrode (GCE), door middel van een druppeltechniek. De hoogste piekstroom wordt geregistreerd voor Fe₃ O₄ /GO/PG-structuren in cyclische voltammogrammen (CV's). Evenzo meldden ze dat de hoogste piekstroom in DA-aanwezigheid behoort tot Fe₃ O₄ /GO/PG/GCE-voorbeeld. Ze wezen ook op een toename van de piekstroom voor de Fe₃ O₄ /GO/PG/GCE-monster vanwege verhoogde DA-concentratie. Tenslotte Cai et al. verklaarde dat de elektrochemische sensor effectief zou kunnen worden gebruikt bij DA-detectie [81]. Enkele representatieve studies over Fe₃ O₄ nanostructuren als biosensorcomponent worden gegeven in Tabel 2.

Ondanks hun superieure eigenschappen, magnetische Fe₃ O₄ nanostructuren hebben beperkende problemen in biosensor en biologische toepassingen. Vanwege hun hoge oppervlakte-energie, chemische reactiviteit en sterke magnetische interacties zijn ze ongelooflijk vatbaar voor agglomeratie, wat moeilijkheden oplevert bij het stabiliseren van Fe₃ O₄ magnetische nanostructuren. Om dit probleem op te lossen, is het oppervlak van Fe₃ O₄ nanostructuren is gecoat met de polymeerlagen [95]. Het bekleden van het oppervlak met het polymeer kan echter de efficiëntie verminderen in termen van elektrochemische biosensortoepassingen. Dus bij het stabiliseren van magnetische Fe₃ O₄ nanostructuren, biomoleculen zoals genen, cellen, enzymen, eiwitten en andere essentiële nanostructuren (grafeen, CNT's, kwantumdots, NP's, enz.) Kunnen worden gebruikt. Daarom kan worden voorspeld dat complexe nanohybride en nanocomposietsystemen op basis van magnetische Fe₃ O₄ nanostructuren zullen in de toekomst een fenomeen worden bij de productie van nieuwe generatie biosensoren.

Op MO's gebaseerde biosensoren waarin verschillende nanostructuren zijn verwerkt, hebben immers unieke en nieuwe functies in praktische en industriële toepassingen. Nanostructuren van MO's hebben een grote invloed op het bedenken van zeer gevoelige, snelle en stabiele biosensoren vanwege hun ongeëvenaarde eigenschappen. Bovendien heeft elk soort nanostructuren en oxiden van metalen zijn voordelen. Daarom zullen er waarschijnlijk nieuwe ontwikkelingen in sensorapparatuur plaatsvinden in de biotechnologie. Bovendien is te zien dat nanokoolstofstructuren in recente onderzoeken veel ruimte hebben gekregen en dat MO's samen met hen worden gebruikt. Daarom zal het tweede deel van dit werk zich richten op de twee meest gebruikte nanokoolstof (grafeen en CNT's) in biosensoren.

Grafeen en zijn op derivaten gebaseerde biosensoren

Grafeen is een van de meest populaire allotropen van koolstof, net als grafiet, CNT's, fullereen en diamant. Het is een tweedimensionale laag van sp ² -gehybridiseerde koolstofatomen. Na de ontdekking van grafeen door Geim en Novoselov heeft het wereldwijd veel aandacht getrokken in verschillende disciplines, zoals transparante elektroden, energieopslag, medicijnafgifte, biosensoren, supercondensatoren, batterijen en katalyse [96, 97]. Grafeen kan net als veel andere nanomaterialen worden gesynthetiseerd door top-down (mechanische exfoliatie, chemische exfoliatie en chemische synthese) en bottom-up methoden (pyrolyse, epitaxiale groei, chemische dampafzetting (CVD)) [97]. Verschillende productiemethoden leiden tot de aanwezigheid van talrijke grafeenachtige materialen zoals grafeen, GQD's, GO, rGO, grafeen nanoribbons (GNR's), nanomesh, nanosheets [98]. De veelgebruikte afgeleiden zijn weergegeven in Fig. 3.

Structuur van de meest populaire op grafeen gebaseerde materialen

Grafeen heeft een goede thermische geleidbaarheid (5000 W/mK), hoge elektronenmobiliteit bij kamertemperatuur (250.000 cm ² /V s), groot oppervlak (2630 m ² /g), hoge elasticiteitsmodulus (21 TPa) en goede elektrische geleidbaarheid [99]. Bovendien zorgen de atomaire dikte van de grafeenplaten en hun grote oppervlak voor materiaalgevoeligheid tegen de veranderingen in omstandigheden. De oppervlaktekenmerken van grafeen, waarin elk atoom direct kan worden gecontacteerd, maken het dus gevoelig voor de omgeving. Daarom is het een uitstekende kandidaat voor sensortoepassingen in vergelijking met de andere materialen [, , 4, 100, 101]. De laatste tien jaar onderzoeken met betrekking tot grafeen en zijn derivaten werden geanalyseerd en worden weergegeven in Fig. 102 met een cirkeldiagram dat de distributie van biomedische toepassingen van grafeen weergeeft. Gesteld kan worden dat onderzoekers zich vooral richten op het gebied van biosensoren vanwege de hierboven genoemde eigenschappen van grafeen.

Cirkeldiagram met de verdeling van grafeen in biomedische toepassingen

Zoals vermeld in de eerste sectie, worden sommige biosensoren bereid door grafeen en grafeenderivaten te combineren met MON's. In dit deel van de review richten we ons op biosensoren op basis van grafeen en zijn derivaten. Een algemene weergave en mechanisme van op grafeen gebaseerde biosensoren worden getoond in figuur 5. Hier kunnen analyten die interageren met de functionele groep (en) op het grafeenoppervlak, en elektrochemische, optische of andere outputs worden verkregen op basis van deze interactie [96] , 97, 103]. Mani et al. [104] ontwikkelde een ternair nanobiocomposiet op basis van rGO nanoribbons/MWCNTs/chitosan voor gevoelige en selectieve detectie van H₂ O₂ en GEEN₂ ⁻ . Ze onderzochten de gunstige eigenschappen van de biosensor in reinigingsoplossing voor contactlenzen en vleesmonsters. Ze meldden dat voor H₂ O₂ , de op nanobiocomposiet gebaseerde sensor had een gevoeligheid van 0,616 µAµM ⁻¹ cm ⁻² , de detectielimiet 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. Zo bewezen ze dat de op grafeen gebaseerde sensor effectief kan worden gebruikt in medische toepassingen en voedselveiligheid [104]. Nog een op grafeen gebaseerde H₂ O₂ sensor werd bereid door Yin et al. [105]. In hun onderzoek synthetiseerden Yin en collega's geleidende driedimensionale (3D) grafeen-aerogels (GA) versierd met Ni₃ N NP's met behulp van de hydrothermische methode. Als resultaat van hun karakterisering toonden ze aan dat de Ni₃ N/GA-composieten die ze hebben verkregen, kunnen niet alleen worden toegepast voor H₂ O₂ maar ook voor glucosebepaling. Ze meldden dat de Ni₃ N/GA-gebaseerde elektrode, bij de bepaling van H₂ O₂ , vertoonde hoge elektrochemische prestaties als het detectiebereik van 5 µM–75,13 mM, de gevoeligheid van 101,9 µAmM ⁻¹ cm ⁻² en een lage detectielimiet van 1,80 µM. Bovendien benadrukten ze voor glucosebepaling dat de ontworpen elektrode een detectiebereik heeft van 0,1–7645,3 µM, een detectielimiet van 0,04 µM en een gevoeligheid van 905,6 µA mM ⁻¹ cm ⁻² [105].

Vertegenwoordiging van op grafeen gebaseerde biosensoren en het mechanisme ervan

Er kan worden gezegd dat er recentelijk grote belangstelling is geweest voor op grafeen gebaseerde biosensoren voor de praktische detectie van glucose. Tabel 3. Bijvoorbeeld, Đurđić et al. [106] heeft met succes een biosensor voor eenmalig gebruik gesynthetiseerd op basis van Bi₂ O₃ -versierde GNR's door co-precipitatie. Als resultaat van hun karakterisering bewezen ze dat de verkregen sensor een detectielimiet had van 0,07 mM, een lineair bereik van 0,28-1,70 mM en een gevoeligheid van 64,81 μA/mMcm ² . Zo stelden ze voor dat de op grafeen gebaseerde sensor glucose in bloedserum en urinemonsters reproduceerbaar en stabiel zou kunnen detecteren [106]. In hetzelfde jaar werd met succes een bruikbare glucosebiosensor ontworpen door de hydrothermische synthese in één pot van een 3D-stikstof-gedoteerde poreuze grafeenhydrogel (NHGH) met NiCo₂ O₄ nanoflowers (NHGH/NiCo₂ O₄ ) door Lu en team. Ze wijzigden de GCE met het nanocomposiet dat ze verkregen en evalueerden de elektrochemische prestaties van de gemodificeerde elektrode bij het bepalen van glucose. Ten eerste ontvingen ze CV's in 0,1 M NaOH-oplossing, met een scansnelheid van 50 mV s ⁻¹ , om de elektrochemische katalytische prestaties te onderzoeken. Ze meldden dat de NHGH/GCE een verhoogde oxidatiepiekstroom van 0,5 V heeft dan de zwakke anodische piekstroom van kale GCE. Bovendien zagen ze in hun onderzoek dat het redoxpiekpaar zichtbaar is, wat aangeeft dat de elektrochemische activiteit van NHGH/NiCo₂ O₄ /GCE is het hoogst in vergelijking met andere elektroden. Ze schreven deze verbetering toe aan het grotere oppervlak van grafeen, goede geleidbaarheid en de redoxreacties van Co en Ni. Bovendien toonden ze de elektrochemische katalytische prestaties van de elektroden bij de toevoeging van 5,0 mM glucose. Ze interpreteerden NHGH/NiCo₂ O₄ /GCE with the highest peak current at 0.5 V as a clear indication that glucose oxidation could be better catalyzed than other electrodes due to the dual effect of NiCo₂ O₄ and NHGH. They also reported that the peak currents increased linearly with increasing glucose concentration and the NHGH/NiCo₂ O₄ -based glucose sensor exhibited a broad linear relationship between peak current and glucose concentration in the range of 5 μM–2.6 mM and 2.6 mM–10.9 mM, respectively. Also, they emphasized that NHGH/NiCo₂ O₄ /GCE has a high sensitivity (2072 μA mM ^{− 1}  cm ^{− 2} ) and a low detection limit (0.39 μM). As a result, they suggested using for a precise determination of glucose in real blood samples [107].

As seen in Table 3, graphene and its derivatives have become an indispensable building block for biosensor applications, because of its excellent properties. Considering the studies performed recently Table 3, it is remarkable that graphene and its derivatives are used in hybrid nanostructures with MONs to improve biosensors' sensitivity and reproducibility. Additionally, MONs/graphene synergy should be evaluated to obtain multifunctional biosensors and achieve high electrocatalytic activity. Moreover, graphene can be easily combined with other nanocarbons such as CNTs. Therefore, rich edge density and highly beneficial edge defects for creating enzymatic biosensors can be obtained.

Carbon Nanotubes-Based Biosensors

CNT's, discovered by Iijima in 1991, can be conceived as the formation of a graphene layer into a cylinder. CNTs can be categorized in general two types as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) Fig. 6a and MWCNTs Fig. 6b [125]. The diameter and wrapping angle determine the physical features of the CNTs by chirality and the (n, m) index [126,127,128]. According to the (n,m) index, CNTs can exhibit metal or semiconductor behavior [129,130,131,132],depending on chirality, SWCNTs may be classified in three different ways:(1) m  = n is the armchair nanotube Fig. 6c, (2) n  > m and if m  = 0 is the chiral nanotube Fig. 6d, and m  = 0 is the zig-zag nanotube Fig. 6e. CNTs display the semiconductive behavior in their nature, but for a given (n , m ) SWNT, when (2n  + m )/3 is an integer, the CNTs will be metallic. Thus, it can be claimed that all armchair nanotubes are metallic [130]. Therefore, the ability to control chirality during production means to control the electronic features of CNTs, which provides a great advantage in biosensor applications. Several different methods have been proposed to synthesize CNTs in recent years. However, there are three main synthesis techniques (arc discharge, laser ablation, and CVD for CNTs production [133]. Compared to arc-discharge and laser ablation methods, CVD is the most effective method for simple and cost-effective controlling the chirality of CNTs [133, 134].

The classification of the CNTs of a SWCNT, b MWCNT; Schematic representation of three typical types of SWCNTs c Armchair (10, 10), d Chiral (13, 6), and e Zigzag (14, 0)

The ends and sidewalls of the CNTs can be easily modified by the addition of virtually any desired chemical species. CNTs can be excellent transducers in nanoscale sensors owing to their significant sensitivity. Additionally, CNTs have very favorable properties for transmitting electrical signals generated upon recognition of a target and therefore play an essential role in the final development of enzyme-based biosensors [135]. Moreover, CNTs with small size, fast response times, and excellent electrochemical properties are equal or superior to most other electrodes with their ions, metabolites, and protein biomarkers [136]. As a result of their unique tubular nanostructures with extensive length and diameter ratios, CNTs are desirable materials in applying electrochemical biosensors due to their excellent electrochemical stability, great mechanical flexibility, rapid electron transport, and unique thermal conductivity [137, 133]. CNTs are also widely used in tissue engineering and drug delivery systems to improve electrical and mechanical features after being functionalized to ensure their biocompatibility and conjugated with organic compounds or metallic NPs. [138]. Studies on CNTs from 2010 to 2020 were analyzed and are presented in Fig. 7 as a pie chart that shows the distribution of biomedical applications of CNTs.

Pie chart showing the distribution of CNTs in biomedical applications

CNTs, as with graphene and its derivatives, also make important contributions to the development of biosensors with higher sensitivity and selectivity by hybridizing with MONs. Researchers have recently focused on the production and characterization of new nanobiosensors that can combine the unique properties of CNTs with the superior properties of metal NPs. For instance, Rahman et al. [139] designed the Fe₃ O₄ -decorated CNTs based 3-methoxyphenyl (3-MP) biosensor for environmental protection applications. Fe₃ O₄ /CNTs nanocomposites synthesized by wet-chemical method and coated the nanocomposite on the GCE surface as a thin layer. Then, they evaluated the electrochemical performance of the modified electrodes by I-V characterization and reported that the Fe₃ O₄ /CNT-based electrode showed a wide detection range (90.0 pM–90.0 mM), low detection limit (1.0 pM), and high sensitivity (9 × 10 ⁻⁴  μA μM ⁻¹ cm ⁻² ) in detecting dangerous phenol [139]. Similarly, for environmental protection, MWCNT/TiO₂ /chitosan-based biosensor was developed by Fotouhi et al. [140] to detect dihydroxy benzene isomers released into the environment from the chemical and pharmaceutical industries. Fotouhi et al. reported that they performed the simultaneous determination of hydroquinone (HQ), catechol (CC), and resorcinol (RS), causing pollution in real water samples by the MWCNTs-based sensor. Additionally, they indicated the detection limits (S /N  = 3) of HQ, CC and RS, as 0.06 μmol d m ⁻³ , 0.07 μmol d m ⁻³ , and 0.52 μmol d m ⁻³ , and the linear response ranges are between 0.4–276.0 μmol d m ⁻³ , 0.4–159.0 μmol d m ⁻³ , and 3.0–657 μmol d m ⁻³ , respectively [140].

Besides environmental protection, biosensor designs of CNTs for clinical applications have recently become extremely interesting Table 4. For instance, Zhu et al. [141] obtained the buckypaper containing two layers:purified SWCNTs and SWCNTs decorated with NiO, by helium arc discharge method. Later, as a result of their analysis to evaluate its electrochemical performance, they showed that glucose biosensor has a broad linear range (0.1–9 mM), high sensitivity (2701 μA mM ⁻¹ cm ⁻² ), and fast response time (< 2.5 s) [141]. Barthwal and Singh [142] designed a ZnO/MWCNTs nanocomposite biosensor to detect urea in their study. They indicated that the ZnO/MWCNTs-based sensor has the highest detection characteristics compared to the ZnO and MWCNTs-based sensor. Also, they emphasized that the nanocomposite's sensitivity containing 2% MWCNTs is less than 10 s, and the detection limit is 10 ppm [142]. In the same year, Guan et al. successfully developed a CNTs-based hybrid nanocomposite as an electrochemical biosensor for simultaneous high-sensitivity detection of DA and UA. In their study, they reported that the most extensive (ΔE _p  = 144 mV) and highest oxidation current was observed in the electrode modified with CNTs-based nanohybrid. Additionally, they investigated the simultaneous detection of DA and UA in nanohybrid-modified GCE via differential pulse voltammetry (DPV). They showed that the anodic peak current response of the nanohybrid/GCE increased linearly due to the increase in DA concentration. Also, they obtained a similar observation for the UA concentration. They emphasized that the concentration range for both target analytes is 2–150 μM. As a result, they reported that the limit of DA and UA detection values was 0.37 μM and 0.61 μM, respectively [143].

Studies on increasing the efficiency of CNTs-based biosensors in different application areas by hybridizing with MONs and graphene and graphene derivatives and improving their properties are of great interest Table 4. The higher electrochemical activity and higher conductivity of nanohybrid structures designed with CNTs-based electrochemical sensors can be considered a result of the inherent properties of CNTs. On the other hand, one of the features that limit the use of CNTs in biosensor applications is that they are not dissolved in most solvents. Also, it has low biocompatibility and, in some cases, toxicity. To overcome these problems, combining different functional groups on the surface and end caps of CNTs with MONs, and applying surface modifications can be considered as a solution.

Additionally, due to the integration of CNTs with graphene and its derivatives, it is possible to create more active sites for biomolecules due to strong binding interactions. Another advantage of CNTs/graphene hybrid structure is that it allows biosensors to respond in a shorter time due to their higher electron transfer rate. Thus, in the next generation of biosensors to be developed in the future, it seems inevitable to achieve high sensitivity and selectivity, simultaneous target biomolecule detection by benefiting from the dually effect of CNTs with MONs or other nanocarbons such as graphene and its derivatives.

Conclusie en Outlook

Biosensors and bioelectrodes play a crucial role in environmental monitoring, food safety, the medical textile industry, drug discovery and analysis, clinical and nonclinical applications. With the recent COVID-19 pandemic, fast responsive, reusable, cheap and highly selective biosensors became crucial for the fight against infectious diseases to be taken under control. For the design of a biosensor, the material used in transducer component and to functionalize transducer surfaces has an explicit effect on the results with aforementioned properties obtained from a biosensor. Within this frame, for the improvement of the properties of these devices, nanomaterials have been extensively used and their expanded surface area, ability to adapt to the surface modifications for the use of any type of analyte, and such extraordinary nanosize-dependent properties brought them one-step ahead unprecedently in the production of an ideal biosensor.

With this motivation, this paper presents an overview on recent developments in hybrid nanosystems created by the combined use of MONs, graphene, and CNTs. Numerous efforts have been made to create biosensors with improved sensitivity and selectivity to detect biomolecules with the help of these nanostructures. Obviously, apart from each of these materials’ unique characteristics, the multiple effect of hybrid design of them is a key point in obtaining a higher performance biosensor. Combining these nanostructures to create a hybrid design improves the biosensor's electrocatalytic activity, its electron transfer rate, and enables more active sites to allow two or more biomolecules to be detected, simultaneously. It also meets other desired functions expected from an ideal biosensor, such as stability, long shelf life, repeatability, wide measuring range, fast response time for next-generation biosensor applications. However, there are compelling factors in combining these three trending nanomaterials, such as the control on agglomeration tendency, cytotoxicity, the choice of the right concentration, and the extensive optimization of conditions to improve purity and these materials better integration with each other. Therefore, there are still open allowance for improvements to be made for the preparation of nanomaterials and their composite structures. Furthermore, for an onsite diagnosis of an analyte, having a major impact for biosensors for medical applications, it is important to have a quick and reliable result in a cost-effective way. For this purpose, nanomaterials used in biosensors might be modified to facilitate diagnosis with more delicate sensing especially for the biomarkers of some diseases with a very minute concentration at their early stages. For gaining and improving such features, graphene, CNTs and MONs, should be produced with minimum catalyst impurities, high crystallinity, and in massive amounts in a cost-effective way. They should also be engineered for their density of states and the structure of bonds for tailoring a better electron transport properties. Within this review, a combination of nanostructures that help to develop an accurate 'future biosensor' mechanism was proposed and expectations as sensitivity, superior selectivity, low limit of detection, real-time sensing with multi-functional properties were summarized.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Niet van toepassing.

Afkortingen

1D:

Eendimensionaal

3D:

Driedimensionaal

CD:

Cyclodextrin

CVD:

Chemische dampafzetting

CV's:

Cyclische voltammogrammen

DA:

Dopamine

DNA:

Deoxyribonucleic acid

DPV:

Differential pulse voltammetry

FET:

Veldeffecttransistor

GCE:

Glazige koolstofelektrode

GelMA:

Gelatin methacryloyl

GNPs:

Graphene nanoplatelets

GNRs:

Graphene nanoribbons

GO:

Grafeenoxide

GQDs:

Graphene quantum dots

LOD:

Detectielimiet

MIP:

Molecularly imprinted polymer

MOFs:

Metal organic frameworks

MOs:

Metal oxides

MWCNT's:

Meerwandige koolstofnanobuisjes

NHGH:

Nitrogen-doped porous graphene hydrogel

NP's:

Nanodeeltjes

NRs:

Nanorods

NSs:

Nanospheres

NWs:

Nanowires

PANI:

Polyaniline

PDADMAC:

Poly(diallyl dimethyl ammonium chloride)

PDPA:

Poly Diphenylamine

PECVD:

Plasma-versterkte chemische dampafzetting

PEDOT:

Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)

PG:

Pristine graphene

PPy:

Polypyrrool

PTA:

Phosphotungstic acid

PVA:

Polyvinylalcohol

RF:

Radio frequency

rGO:

Gereduceerd grafeenoxide

SERS:

Surface-enhanced Raman scattering

SWCNT's:

Enkelwandige koolstofnanobuisjes

UA:

Urinezuur

XO:

Xanthine oxidase