Недавние достижения в нанобиосенсорах на основе оксидов металлов, графена и углеродных нанотрубок

Аннотация

Нанобиосенсоры — это удобные, практичные и чувствительные анализаторы, которые обнаруживают химические и биологические агенты и преобразуют результаты в значимые данные посредством физикохимического детектора между биологически активной молекулой и элементом распознавания, иммобилизованным на поверхности сигнального преобразователя. Благодаря своим быстрым, точным и надежным эксплуатационным характеристикам нанобиосенсоры широко применяются в клинических и неклинических приложениях, приседовых тестах, медицинской текстильной промышленности, экологическом мониторинге, безопасности пищевых продуктов и т.д. Они играют важную роль в таких критических областях. Поэтому проектирование биосенсорного интерфейса необходимо для определения производительности нанобиосенсора. Уникальные химические и физические свойства наноматериалов открыли путь к новым и улучшенным сенсорным устройствам в биосенсорах. Растущий спрос на устройства с улучшенными чувствительностью и селективностью, коротким временем отклика, низким пределом обнаружения и низкой стоимостью стимулирует новые исследования нанобиоматериалов для использования в качестве матриц биосенсоров. Среди всех наноматериалов исследования по разработке нанобиосенсоров на основе наноструктур оксидов металлов, графена и его производных, углеродных нанотрубок, а также широкое применение этих наноматериалов в виде гибридных структур в последнее время привлекли особое внимание. Наногибридные структуры, создаваемые путем комбинирования этих наноструктур, напрямую удовлетворят будущие потребности биосенсоров благодаря своей высокой электро katalической активности. В данном обзоре рассмотрены недавние разработки по этим наноматериалам и их производным, а также их использование в качестве матриц биосенсоров. Мы проанализировали эти популярные наноматериалы, оценив их с помощью сравнительных исследований, таблиц и диаграмм.

Введение

Биосенсор — это диагностическое устройство, которое преобразует сигналы от биологического аналита в измеримый и различимый электрический сигнал для качественного и/или количественного обнаружения аналита, который может быть смешан с другими физикохимическими веществами [1]. Первый известный биосенсор был разработан Кларком и др. [2] для обнаружения кислорода, а первый амперометрический ферментный электрод, разработанный Кларком и Лионсом [3], был ферментным глюкозным биосенсором. За годы были разработаны ферментные, тканевые, ДНК-основанные, термические, оптические, электрохимические типы биосенсоров. Биосенсоры дают более стабильные и точные результаты, чем традиционные методы, в некоторых приложениях, таких как клиническая диагностика, биомедицинская сфера, пищевое производство и анализ [2, 4]. Более того, благодаря таким характеристикам, как специфичность, селективность и экономия затрат при простой эксплуатации, анализе в реальном времени и непрерывном использовании, различные типы биосенсоров быстро развивались во второй половине века и стали широко использоваться в связанных медицинских, экологических и криминалистических областях [5]. Их интенсивное использование в этих критических областях приложений выявило некоторые ожидаемые характеристики биосенсора: высокую чувствительность, стабильность, высокую селективность, долгий срок службы, воспроизводимость, простоту и дешевизну, широкий диапазон измерений и быстрое время отклика [6].

Согласно Международному союзу чистой и прикладной химии (МСЧПХ), биосенсоры содержат три основных компонента: биологический элемент распознавания, компонент преобразователя и электронную систему, которая часто объединена с преобразователем. Как интегрированные рецепторно-преобразовательные устройства, биосенсоры способны обеспечивать селективную количественную или полуколичественную аналитическую информацию, используя биологический элемент распознавания [7] (Рис. 1). В рамках этого подхода нуклеиновые кислоты, ферменты, антитела, рецепторы, микроорганизмы, клетки, ткани и даже биомиметические структуры могут использоваться в качестве биорецепторов для биологического обнаружения.

Проектирование биосенсора имеет большое значение для быстрого и удобного тестирования при любых обстоятельствах или в любой позиции, где может появиться аналит. В этом проектировании материалы компонента преобразователя также оказывают значительное влияние на качество обнаружения. Физические преобразователи значительно варьируются в зависимости от источника измеримого сигнала и в основном используют оптические и электрохимические системы [5]. Физикохимические, электронные/оптические/электрохимические свойства материала, используемого в качестве физического преобразователя, напрямую влияют на производительность биосенсоров. Кроме того, эффективность и результативность биосенсоров определяются матрицами, посредниками и стабилизаторами, используемыми для иммобилизации ферментов. Следовательно, свойства материала, из которого изготовлен компонент физического преобразователя, играют критическую роль в получении таких характеристик, как высокая стабильность сигнала и воспроизводимость биосенсоров, а также их селективность. Среди упомянутых трех компонентов биосенсора данный обзор в основном фокусируется на недавних разработках по поверхностной функционализации компонентов преобразователей с использованием наноматериалов.

Преобразователи можно классифицировать в основном на четыре класса: электрохимические, биолюминесцентные, пьезоэлектрические, калориметрические и оптические. Поверхность преобразователя может быть модифицирована с использованием многих различных функциональных материалов для улучшения характеристик сенсора. Контроль структуры, морфологии и свойств этих материалов также может помочь в том же направлении. Среди этих материалов наноразмерные материалы, называемые наноматериалами, имеют большой потенциал для разработки новых, адаптивных и высокочувствительных биосенсоров для более широкой области применения благодаря своим уникальным размерозависимым свойствам, таким как большая площадь поверхности, улучшенная электрическая проводимость и высокая химическая реакционность. Учитывая эти выдающиеся свойства, наноматериалы стали одними из предпочтительных кандидатов для удовлетворения желаемых требований к построению высокочувствительных биосенсоров [6].

Чтобы считаться наноматериалом, по крайней мере в одном измерении размер наноматериала должен составлять от 1 до 100 нм [8]. Из-за своего чрезвычайно малого размера в наноматериалах большинство атомов существуют близко к поверхности или находятся на поверхности. Эти наночастицы (НЧ), обретая замечательные свойства, такие как улучшенные физикохимические свойства, более высокая площадь поверхности, сокращенное расстояние электронов, демонстрируют значительную разницу по сравнению с их объемными аналогами. Таким образом, усиленные характеристики сохраняются в оптических, тепловых, электрических и магнитных свойствах этих наномасштабных материалов, делая их высокоэффективными для использования в качестве компонента биосенсора. Кроме того, наноразмерные материалы, имеющие большую площадь поверхности, предоставляют подходящее пространство для иммобилизации достаточного количества биорецепторов на поверхности электродов. Поэтому исследователи в последнее время проявили большой интерес к производству, характеристике и использованию наноматериалов для приложений биосенсоров [9, 10].

Среди всех наноматериалов наноструктуры оксидов металлов (НСОМ), графен и его производные, а также УНТ выделяются своими уникальными свойствами [11, 12]. НСОМ демонстрируют значительные каталитические свойства благодаря своей впечатляющей морфологической вариативности, нетоксичности и биосовместимости. Следует также отметить, что НСОМ обеспечивают подходящую структуру для иммобилизации биомолекул.

Их кристаллическая решетка, позволяющая модифицировать параметры ячейки и электрохимические свойства благодаря квантовому эффекту замыкания, и управляемость запрещенной зоны путем изменения их поверхностных свойств, влияющих на проводимость и химическую реакционность, сделали их высокопотенциальными для использования в качестве биосенсорных элементов и отличают НСОМ от их объемных аналогов [12, 13]. Кроме того, для дальнейшего улучшения этих свойств путем формирования композитной структуры НСОМ в последнее время широко комбинируют с углеродными наноматериалами, такими как графен и УНТ, для формирования наногибридной структуры. Это улучшает электрохимическую реактивность для обнаружения и диагностики, чтобы удовлетворить будущие требования, такие как чувствительность и селективность биосенсора [14].

Гибридизация этих углеродных наноматериалов с НСОМ обеспечивает производство передовых биосенсоров с одной или несколькими функциями, оснащенных superiores оптические, магнитные и электрические свойства [14,15,16]. Графен и его производные могут быть легко интегрированы с другими наноматериалами для создания наногибридных материалов с целью получения желаемой электрохимической активности [13, 17, 18]. Например, во многих приложениях графен рассматривается как полезный инструмент для стимулирования переноса электронов к краснооксилительному ответу белков [19]. Однако физическая стабильность графена в биологической среде и оценка его токсичности для клеток все еще вызывают споры [20,21,22]. С другой стороны, УНТ, в отличие от графена, имеют вариативные оптические свойства из-за их меняющейся хиральности, что делает их преимущественными по сравнению с графеном в оптических биосенсорных приложениях [23]. УНТ, обладающие выдающейся электрохимической способностью, легко химически модифицируемы и имеют высокое отношение площади поверхности к объему, как и графен [24]. В плане поверхностных свойств, при воздействии окружающей среды, хотя графен воздействует со всем своим объемом из-за своей однослойной двумерной природы, это воздействие ограничено в случае одномерных (1D) УНТ [25]. Кроме того, во многих предыдущих исследованиях сообщалось, что графен обладает более высокой селективностью к интерференциям благодаря своим отличным свойствам биомолекулярного сенсирования и соотношению сигнал/шум по сравнению с УНТ. Это в основном связано с безметаллическими графитовыми краями графена с высокой площадью поверхности. Тем не менее, в УНТ-основанных биосенсорах существуют проблемы, такие как возмущение сигнала, из-за наличия остаточных металлических катализаторов [25. С учетом всех вышеуказанных аспектов, наногибриды, сформированные комбинацией структур графена и/или УНТ, могут играть жизненно важную роль в проектировании передовых биосенсоров, а компенсация недостатков обоих материалов путем формирования композитной структуры из них преодолеет эти проблемы и максимизирует обнаружение. Используя преимущество сотрудничества, создаваемого композитной структурой НСОМ, графена и УНТ, кажется незаменимым для обеспечения улучшенного усиления сигнала и подготовки передовых биоаффинных стратегий, приводящих к разработке улучшенных биосенсорных устройств для удовлетворения будущих требований. Поэтому в рамках данного обзора акцент сделан на недавно реализованных биосенсорах на основе НСОМ, графена и УНТ. Кроме того, обсуждалась критическая роль использования этих наноматериалов не по отдельности, а вместе в производстве биосенсоров со сверхсвойствами, полученными их комбинацией. Оценивая будущие ожидания и вызовы, мы хотим предложить альтернативную перспективу для дальнейших исследований.

Биосенсоры на основе наноструктур оксидов металлов

Оксиды металлов (ОМ) были важными кандидатами для сенсорных приложений с момента первых исследований биосенсоров в 1954 году [26, 27]. ОМ могут быть синтезированы в различных наноморфологиях, таких как наночастицы [28, 29], нановолокна [30], наносферы [31], наножилы [32], нанотрубки и нанопроволока [33], нанолисты [34, 35]. Помимо морфологической вариативности, НСОМ предлагают некоторые преимущества: высокое отношение площадь/объем, нетоксичность, хорошая биосовместимость, химическая стабильность, отличная селективность, ограничение электронов и фононов, высокая каталитическая эффективность и сильная адсорбционная способность, физикохимические интерфейсные особенности [36,37,38,39,40]. Кроме того, НСОМ могут быть произведены относительно простыми и экономичными методами, такими как магнетронное распыление радиочастотой (RF) [41,42,43], термическое испарение [44, 45], плазмоусиленное химическое осаждение из газовой фазы (PECVD) [46, 47], молекулярно-лучевая эпитаксия [48], сол-гель техника [49], электрохимический процесс осаждения [50] и гидротермальный метод [51]. Эти значительные особенности сделали НСОМ одним из самых востребованных материалов для биомедицинских приложений и рынка биосенсоров. Публикации по НСОМ с 2010 по 2020 год были проанализированы и представлены на Рис. 2 в виде круговой диаграммы, показывающей распределение биомедицинских приложений НСОМ.

С другой стороны, преимущественно в последние годы различные НСОМ, такие как ZnO, Fe₃O₄, CuO, NiO, TiO₂, MgO, непрерывно производятся как универсальные и функциональные биосенсоры уже длительное время [44, 52]. Среди НСОМ ZnO и Fe₃O₄, благодаря своим широким приложениям, считаются выдающимися участниками в построении биосенсоров [53, 54].

Наноструктуры ZnO

Наноструктуры ZnO играют обширную роль в изготовлении новых наноструктурных биосенсоров благодаря своим уникальным свойствам, включая высокую изоэлектрическую точку (IEP ~ 9,5) [55], широкую запрещенную зону, полезную особенность электронной связи, высокую химическую стабильность, хорошую биосовместимость и пьезоэлектричность. Особенно ее высокая изоэлектрическая точка ясно объясняет, почему ZnO является наиболее распространенным оксидом металла, используемым для биосенсорных технологий. Кроме того, ZnO может использоваться во всех клинических или неклинических приложениях, так как это экологически чистый и безопасный материал [53, 54, 56]. Например, Ахтар и др. [57] разработали реактивный оптический биосенсор на основе механизма усиления флуоресценции для обнаружения амилоида в диагностике нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и инсулинозависимый сахарный диабет 2 типа, используя цветообразные наноструктуры ZnO, которые имеют большую площадь поверхности. Кроме того, сообщалось, что наноколос ZnO является хорошим материалом для повышения производительности, обеспечивающим более быстрый и экономичный амилоидный биосенсор [57]. Далее, глюкозный биосенсор на основе полевого транзистора с наножилами ZnO (FET), связанный с носимым непрерывным мониторингом глюкозы для людей с диабетом, был изготовлен Цзон и Чжу [54] гидротермальным методом. Они достигли высокопроизводительного биосенсора с высокой чувствительностью 1,6 мкА/мкМ·см² на крошечной сенсорной площади 180 мкм² и пределом обнаружения 1 мкМ благодаря большому отношению площадь/объем наножил ZnO [54]. Сахяр и др. [58] разработали новый биосенсор на основе Ag-допированных наночастиц ZnO для раннего обнаружения порчи мяса. В результате своего анализа с электродом, модифицированным ферментом ксантиновой оксидазой (XO) (nanoAg-ZnO/полипиррол (PPy)/графитовый карандашный электрод), они заявили, что полученный ферментный биосенсор показал высокую селективность с чувствительностью 0,03 мкА/мМ и низким пределом обнаружения 0,07 мкМ [58].

В другом исследовании Юэ и др. [59] успешно разработали идеальный дофаминовый (DA) биосенсор на основе электродов из пенки графена с массивами наноконусов ZnO, декорированными наночастицами Au. В своих характеристиках они доказали, что модифицированный электрод обладает высокой чувствительностью (4,36 мкА·мкМ⁻¹) и низким пределом обнаружения (0,04 мкМ, S/N = 3) при обнаружении DA. Кроме того, они сообщили, что электрод на основе наноконусов ZnO демонстрирует отличную селективность, хорошую воспроизводимость и стабильность при интерференции мочевой кислоты (UA). Они также подчеркнули, что электрод имеет огромный потенциал в медицине и здравоохранении [59]. В том же году Цянь и др. разработали электрохимический детектор глюкозы с использованием наночастиц ZnO. Сенсор состоит из нановусов CeO₂, декорированных наночастицами ZnO, и они заявили, что нанокомпозитная структура ZnO/CeO₂ имеет обширную площадь поверхности, нетоксичность и высокую электро каталитическую активность. Нанокомпозит показал необычайную эффективность для обнаружения глюкозы с линейным диапазоном 0,5–300 мкМ и пределом обнаружения (LOD) 0,224 мкМ (40 ч.млрд.). Они также подчеркнули, что нанокомпозитный сенсор показал отличную линейную зависимость между интенсивностью тока и концентрацией глюкозы (R² = 0,99944) [60]. Другой глюкозный биосенсор был разработан Рафии и др. [61] путем комбинирования графеновых нанопластинок (GNP), известных своей высокой проводимостью и химической стабильностью, и нанопроволоки ZnO, чувствительной к глюкозе. В своем исследовании они модифицировали структуру устройства как глюкозный биосенсор, синтезируя нанопроволоку ZnO на тонких пленках GNP в трех разных концентрациях (0,5; 1 и 2 мг), определенных как GNP1, GNP2 и GNP3. Система показала, что двойной эффект нанопроволоки ZnO и GNP привел к идеальному улучшению для эффективного глюкозного биосенсора. Например, они отметили, что при низких концентрациях глюкозы отклик устройства увеличивался по мере увеличения количества графена в растворе, а время отклика сенсора уменьшалось с увеличением количества GNP. Более того, они сообщили, что долгосрочная стабильность, а именно постоянное соотношение сопротивления к концентрации, важный критерий для идеального биосенсора, наблюдалась в образцах, модифицированных GNP, после воздействия 30 мг/дл глюкозы в течение 30 дней. Следовательно, они представили идеальный глюкозный биосенсор с полезными характеристиками: время отклика 5 с, диапазон обнаружения 0,003–30 000 мг/дл и долгосрочная электрическая стабильность [61]. Помимо этих исследований, некоторые другие недавние исследования, использующие различные наноструктуры ZnO для обнаружения различных ферментов, приведены в Таблице 1.

Учитывая текущие исследования, показанные в Таблице 1, можно выразить, что структуры ZnO производятся множеством методов с варьирующимися морфологиями и продолжают широко использоваться благодаря своей легкости интеграции в композитные структуры. Производственные альтернативы и морфологическая вариативность, а также формирование нанокомпозитных и наногибридных структур с другими наноматериалами, особенно с углеродными наноструктурами, предлагают необычайный потенциал структурам ZnO в плане полного удовлетворения ожидаемых свойств идеального биосенсора.

Наноструктуры Fe₃O₄

В последние годы наноструктура Fe₃O₄ вызвала большой интерес во многих перспективных приложениях, включая биосенсоры, доставку лекарств, разделение клеток и фармацевтику, благодаря своим превосходным свойствам, таким как хорошая биосовместимость, низкая токсичность, суперпарамагнетизм, каталитическая активность и простота процессов приготовления и модификации. Магнитные наночастицы Fe₃O₄ подходят для иммобилизации желаемых биомолекул, таких как ферменты [73,74,75,76], благодаря простой способности разделения из среды своей магнитной природой [77]. Магнитные наночастицы Fe₃O₄ и их производные широко использовались в технологии биосенсоров, и в литературе обсуждались различные привлекательные исследования [75, 78]. В этом контексте Санаефар и др. [75] спроектировали новый электрохимический биосенсор для обнаружения глюкозы. Они оценили электрохимическую производительность нанокомпозита, приготовленного путем диспергирования магнитных наночастиц Fe₃O₄, полученных методом копреципитации, в поливиниловый спирт (PVA). Они сообщили, что наночастицы Fe₃O₄ в матрице PVA, обладающие отличными каталитическими свойствами по отношению к иммобилизованной глюкозооксидазе, увеличили скорости переноса электронов между ферментом и поверхностью электрода. Подготовленный биоэлектрод мог измерять глюкозу в диапазоне 5×10⁻³ – 30 мМ с чувствительностью 9,36 мкА·мМ⁻¹ и демонстрировал предел обнаружения менее 8 мкМ [75]. Дон и др. [79] разработали сенсоры на основе ядро-оболочечных наносфер Ag/Fe₃O₄, полученных простым солвотермальным подходом, для использования в обнаружении гидразина для защиты окружающей среды. Они сообщили, что высокопроизводительный гидразиновый сенсор имеет время отклика 2 с, линейный диапазон 0,25–3400 мкм, чувствительность 270 мкА·мМ⁻¹·см⁻² и предел обнаружения 0,06 мкМ. Сравнивая цифры, был разработан гидразиновый сенсор, который далеко превосходит другие сенсоры в литературе [79].

В другом исследовании Шрирам и др. [80] разработали нанокомпозит Fe₃O₄ наносфер/редуцированного оксида графена (rGO) для обнаружения UA в образцах мочи и сыворотки крови. В результате своего электрохимического анализа нанокомпозиты Fe₃O₄ наносфер/rGO, с высокой стабильностью и воспроизводимостью, показали отличный электрохимический пик восстановления. Кроме того, они подчеркнули, что линейный диапазон разработанного ими датчика UA составлял от 0,02 до 783,6 мкМ, а LOD — 0,12 нМ [80]. Аналогично, новый биосенсор для обнаружения DA путем комбинирования оксида графена (GO) и Fe₃O₄ был разработан Каи и др. [81]. В своем исследовании они успешно синтезировали тернарный нанокомпозит Fe₃O₄/GO/prisine графен (PG) методами диспергирования и копреципитации. Позже они осадили нанокомпозит на рабочий электрод, стекловистый углеродный электрод (GCE), методом капли. Наибольший пиковый ток записан для структур Fe₃O₄/GO/PG в циклических вольтаммограммах (CV). Аналогично, они сообщили, что наибольший пиковый ток в присутствии DA принадлежит образцу Fe₃O₄/GO/PG/GCE. Они также выделили увеличение пикового тока для образца Fe₃O₄/GO/PG/GCE из-за увеличения концентрации DA. Наконец Каи и др. заявили, что электрохимический сенсор может эффективно использоваться для обнаружения DA [81]. Некоторые представительные исследования наноструктур Fe₃O₄ в качестве компонента биосенсора приведены в Таблице 2.

Несмотря на свои превосходные свойства, магнитные наноструктуры Fe₃О₄ имеют ограничивающие проблемы в приложениях биосенсоров и биологии. Из-за их высокой поверхностной энергии, химической реакционности и сильных магнитных взаимодействий они невероятно склонны к агломерации, создавая трудности в стабилизации магнитных наноструктур Fe₃O₄. Для преодоления этой проблемы поверхность наноструктур Fe₃O₄ покрывается полимерными слоями [95]. Однако покрытие поверхности полимером может снизить эффективность в плане приложений электрохимических биосенсоров. Таким образом, для стабилизации магнитных наноструктур Fe₃O₄ могут использоваться биомолекулы, такие как гены, клетки, ферменты, белки и другие важные наноструктуры (графен, УНТ, квантовые точки, наночастицы и т.д.). Поэтому можно предсказать, что сложные наногибридные и нанокомпозитные системы на основе магнитных наноструктур Fe₃O₄ станут явлением в производстве биосенсоров нового поколения в будущем.

В конце концов, биосенсоры на основе ОМ, включающие различные наноструктуры, представляют уникальные и новые функции в практических и промышленных приложениях. Наноструктуры ОМ сильно влияют на создание высокочувствительных, быстрых и стабильных биосенсоров благодаря своим бесподобным свойствам. Кроме того, каждый вид наноструктур и оксидов металлов включает свои преимущества. Следовательно, новые достижения в сенсорных устройствах, вероятно, произойдут в биотехнологии. Кроме того, видно, что в недавних исследованиях наноуглеродным структурам уделено много места, а ОМ используются вместе с ними. Поэтому вторая часть этой работы будет сосредоточена на двух наиболее часто используемых наноуглеродных материалах (графене и УНТ) в биосенсорах.

Биосенсоры на основе графена и его производных

Графен — один из самых популярных аллотропов углерода, как графит, УНТ, фуллерен, алмаз. Это двухмерный слой sp²-гибридизированных атомов углерода. После открытия графена Геймом и Новоселовым он привлек огромное внимание во всем мире в различных дисциплинах, таких как прозрачные электроды, накопление энергии, доставка лекарств, биосенсоры, суперконденсаторы, батареи и катализ [96, 97]. Графен, как и многие другие наноматериалы, может быть синтезирован методами «сверху вниз» (механическое эксфолирование, химическое эксфолирование и химический синтез) и «снизу вверх» (пиролиз, эпитаксиальный рост, химическое осаждение из газовой фазы (CVD)) [97]. Различные методы производства приводят к наличию множества графеноподобных материалов, таких как графен, GQDs, GO, rGO, графеновые наноленты (GNRs), наносетки, нанолисты [98]. Часто используемые производные показаны на Рис. 3.

Графен обладает хорошей теплопроводностью (5000 Вт/м·К), высокой подвижностью электронов при комнатной температуре (250 000 см²/В·с), большой площадью поверхности (2630 м²/г), высоким модулем упругости (21 ТПа) и хорошей электрической проводимостью [99]. Кроме того, атомная толщина графеновых листов и их большая площадь поверхности обеспечивают чувствительность материала к изменениям условий. Таким образом, поверхностные особенности графена, в которых каждый атом может быть непосредственно контактирован, делают его чувствительным к окружающей среде. Поэтому он является отличным кандидатом для сенсорных приложений по сравнению с другими материалами [, , 4, 100, 101]. Исследования последнего десятилетия, связанные с графеном и его производными, были проанализированы и представлены на Рис. 102 в виде круговой диаграммы, показывающей распределение биомедицинских приложений графена. Можно утверждать, что исследователи в основном фокусируются на области биосенсоров благодаря вышеупомянутым свойствам графена.

Как упоминалось в первом разделе, некоторые биосенсоры готовятся путем комбинирования графена и производных графена с НСОМ. В этой части обзора мы фокусируемся на биосенсорах на основе графена и его производных. Общее представление и механизм графеновых биосенсоров показаны на Рис. 5. Здесь аналиты, взаимодействующие с функциональной группой (группами) на поверхности графена, и электрохимические, оптические или другие выходы могут быть получены на основе этого взаимодействия [96, 97, 103]. Например, Мани и др. [104] разработали тернарный нанобиокомпозит на основе наноленток rGO/МWУНТ/хитозан для чувствительного и селективного обнаружения H₂O₂ и NO₂⁻. Они изучили полезные свойства биосенсора в растворе для чистки контактных линз и образце мяса. Они сообщили, что для H₂O₂ нанобиокомпозитный сенсор имел чувствительность 0,616 мкА·мкМ⁻¹·см⁻², предел обнаружения 1 нМ и линейный диапазон 0,001–1625 мкМ, в то время как для NO₂⁻ эти значения составляли 0,643 мкА·мкМ⁻¹·см⁻², 10 нМ и 0,01–1350 мкМ соответственно. Таким образом, они доказали, что графеновый сенсор может быть эффективно использован в медицинских приложениях и безопасности пищевых продуктов [104]. Другой графеновый датчик H₂O₂ был приготовлен Инь и др. [105]. В своем исследовании Инь и коллеги синтезировали проводимые трехмерные (3D) аэрогели графена (GA), декорированные наночастицами Ni₃N, используя гидротермальный метод. В результате своей характеристики они показали, что полученные нанокомпозиты Ni₃N/GA могут применяться не только для H₂O₂, но и для определения глюкозы. Они сообщили, что электрод на основе Ni₃N/GA при определении H₂O₂ продемонстрировал высокую электрохимическую производительность с диапазоном обнаружения 5 мкМ–75,13 мМ, чувствительностью 101,9 мкА·мМ⁻¹·см⁻² и низким пределом обнаружения 1,80 мкМ. Кроме того, для определения глюкозы они подчеркнули, что спроектированный электрод имеет диапазон обнаружения 0,1–7645,3 мкМ, предел обнаружения 0,04 мкМ и чувствительность 905,6 мкА·мМ⁻¹·см⁻² [105].

Можно сказать, что в последнее время наблюдается интенсивный интерес к графеновым биосенсорам для практического обнаружения глюкозы (Таблица 3). Например, Дюрдич и др. [106] успешно синтезировали одноразовый биосенсор на основе нанолент GNR, декорированных Bi₂O₃, методом копреципитации. В результате своей характеристики они доказали, что полученный сенсор имел предел обнаружения 0,07 мМ, линейный диапазон 0,28–1,70 мМ и чувствительность 64,81 мкА/мМ·см². Таким образом, они предложили, что графеновый сенсор может воспроизводимо и стабильно обнаруживать глюкозу в образцах сыворотки крови и мочи [106]. В том же году полезный глюкозный биосенсор был успешно спроектирован одностакановой гидротермальной синтезом трехмерного азотистыдого пористого гидрогеля графена (NHGH) с наноколорами NiCo₂O₄ (NHGH/NiCo₂O₄) Лу и командой. Они модифицировали GCE нанокомпозитом, который получили, и оценили электрохимическую производительность модифицированного электрода в определении глюкозы. Во-первых, они получили CV в растворе 0,1 М NaOH со скоростью сканирования 50 мВ/с, чтобы изучить электро каталитическую производительность. Они сообщили, что NHGH/GCE имеет увеличенный пиковый ток окисления 0,5 В по сравнению с слабым анодным пиковым током чистого GCE. Более того, в их исследовании они наблюдаarono, что пара краснооксилительно-восстановительных пиков видна, что указывает на то, что электрохимическая активность NHGH/NiCo₂O₄/GCE является наивысшей по сравнению с другими электродами. Они приписали это улучшение расширенной площади поверхности графена, хорошей проводимости и краснооксилительно-восстановительным реакциям Co и Ni. Кроме того, они показали электро каталитические характеристики электродов при добавлении 5,0 мМ глюкозы. Они интерпретировали NHGH/NiCo₂O₄/GCE с наивысшим пиковым током при 0,5 В как четкое указание на то, что окисление глюкозы может быть лучше катализировано, чем на других электродах, благодаря двойному эффекту NiCo₂O₄ и NHGH. Они также сообщили, что пиковые токи увеличивались линейно с увеличением концентрации глюкозы, и глюкозный сенсор на основе NHGH/NiCo₂O₄ демонстрировал широкую линейную зависимость между пиковым током и концентрацией глюкозы в диапазонах 5 мкМ–2,6 мМ и 2,6 мМ–10,9 мМ соответственно. Также они подчеркнули, что NHGH/NiCo₂O₄/GCE имеет высокую чувствительность (2072 мкА·мМ⁻¹·см⁻²) и низкий предел обнаружения (0,39 мкМ). В результате они предложили использовать для точного определения глюкозы в реальных образцах крови [107].

Как видно в Таблице 3, графен и его производные стали незаменимым строительным блоком для приложений биосенсоров благодаря своим отличным свойствам. Учитывая недавние исследования (Таблица 3), замечательно, что графен и его производные используются в гибридных наноструктурах с НСОМ для улучшения чувствительности и воспроизводимости биосенсоров. Кроме того, синергия НСОМ/графен должна быть оценена для получения многофункциональных биосенсоров и достижения высокой электро каталитической активности. Кроме того, графен может быть легко комбинирован с другими наноуглеродными материалами, такими как УНТ. Таким образом, можно получить богатую краевую плотность и высокополезные краевые дефекты для создания ферментных биосенсоров.

Биосенсоры на основе углеродных нанотрубок

УНТ, открытые Иижимой в 1991 году, можно представить как образование графенового слоя в цилиндр. УНТ можно в общем классифицировать на два типа: однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT) (Рис. 6a) и многослойные углеродные нанотрубки (MWCNT) (Рис. 6b) [125]. Диаметр и угол скручивания определяют физические свойства УНТ хиральностью и индексом (n, m) [126,127,128]. Согласно индексу (n,m), УНТ могут демонстрировать металлическое или полупроводниковое поведение [129,130,131,132], в зависимости от хиральности, SWCNT могут быть классифицированы тремя разными способами: (1) m = n — кресло-кресло нанотрубка (Рис. 6c), (2) n > m и если m = 0 — хиральная нанотрубка (Рис. 6d), и m = 0 — зигзагообразная нанотрубка (Рис. 6e). УНТ по своей природе демонстрируют полупроводниковое поведение, но для данного (n, m) SWNT, когда (2n + m)/3 является целым числом, УНТ будут металлическими. Таким образом, можно утверждать, что все кресло-кресло нанотрубки металлические [130]. Поэтому способность контролировать хиральность во время производства означает контроль электронных свойств УНТ, что обеспечивает большое преимущество в приложениях биосенсоров. В последние годы предложено несколько различных методов синтеза УНТ. Однако существует три основные техники синтеза (дуговая разрядка, лазерная абляция и CVD для производства УНТ [133]. По сравнению с методами дуговой разрядки и лазерной абляции, CVD является наиболее эффективным методом для простого и экономичного контроля хиральности УНТ [133, 134].

Концы и боковые стенки УНТ могут быть легко модифицированы путем добавления практически любых желаемых химических видов. УНТ могут быть отличными преобразователями в наноразмерных сенсорах благодаря своей значительной чувствительности. Кроме того, УНТ имеют очень благоприятные свойства для передачи электрических сигналов, генерируемых при распознавании цели, и поэтому играют важную роль в финальной разработке ферментных биосенсоров [135]. Более того, УНТ с малым размером, быстрыми временами отклика и отличными электрохимическими свойствами равны или превосходят большинство других электродов по ионам, метаболитам и белковым биомаркерам [136]. В результате их уникальных трубчатых наноструктур с обширными отношениями длины к диаметру, УНТ являются желательными материалами в применении электрохимических биосенсоров благодаря своей отличной электрохимической стабильности, великой механической гибкости, быстрому переносу электронов и уникальной теплопроводности [137, 133]. УНТ также широко используются в тканевой инженерии и системах доставки лекарств для улучшения электрических и механических свойств после функционализации для обеспечения их биосовместимости и конъюгации с органическими соединениями или металлическими наночастицами [138]. Исследования по УНТ с 2010 по 2020 год были проанализированы и представлены на Рис. 7 в виде круговой диаграммы, показывающей распределение биомедицинских приложений УНТ.

УНТ, как и графен и его производные, также делают важный вклад в развитие биосенсоров с более высокой чувствительностью и селективностью путем гибридизации с НСОМ. Исследователи в последнее время сфокусировались на производстве и характеристике новых нанобиосенсоров, которые могут комбинировать уникальные свойства УНТ с превосходными свойствами металлических наночастиц. Например, Рахман и др. [139] спроектировали биосензор 3-метоксифенила (3-МП) на основе Fe₃O₄-декорированных УНТ для приложений защиты окружающей среды. Нанокомпозиты Fe₃O₄/УНТ были синтезированы методом влажного химического осаждения и нанокомпозит был покрыт на поверхности GCE в виде тонкого слоя. Затем они оценили электрохимическую производительность модифицированных электродов I-V характеристикой и сообщили, что электрод на основе Fe₃O₄/УНТ показал широкий диапазон обнаружения (90,0 пМ–90,0 мМ), низкий предел обнаружения (1,0 пМ) и высокую чувствительность (9×10⁻⁴ мкА·мкМ⁻¹·см⁻²) при обнаружении опасного фенола [139]. Аналогично, для защиты окружающей среды биосензор на основе MWCNT/TiO₂/хитозан был разработан Фотухи и др. [140] для обнаружения изомеров дигидроксибензена, выделяемых в окружающую среду из химической и фармацевтической промышленности. Фотухи и др. сообщили, что они выполнили одновременное определение гидрохинона (HQ), катехола (CC) и резорцина (RS), вызывающих загрязнение в реальных водных образцах, сенсором на основе МWУНТ. Кроме того, они указали пределы обнаружения (S/N = 3) HQ, CC и RS как 0,06 мкмоль·дм⁻³, 0,07 мкмоль·дм⁻³ и 0,52 мкмоль·дм⁻³, а линейные диапазоны отклика находятся между 0,4–276,0 мкмоль·дм⁻³, 0,4–159,0 мкмоль·дм⁻³ и 3,0–657 мкмоль·дм⁻³ соответственно [140].

Помимо защиты окружающей среды, проектирование биосенсоров УНТ для клинических приложений в последнее время стало чрезвычайно интересным (Таблица 4). Например, Чжу и др. [141] получили баккейпер, содержащий два слоя: очищенные SWCNT и SWCNT, декорированные NiO, методом гелиевой дуговой разрядки. Позже, в результате своего анализа для оценки электрохимической производительности, они показали, что глюкозный биосенсор имеет широкий линейный диапазон (0,1–9 мМ), высокую чувствительность (2701 мкА·мМ⁻¹·см⁻²) и быстрое время отклика (< 2,5 с) [141]. Бартхвал и Сингх [142] спроектировали нанокомпозитный биосензор ZnO/MWCNT для обнаружения мочевины в своем исследовании. Они указали, что сенсор на основе ZnO/MWCNT имеет наивысшие характеристики обнаружения по сравнению с сенсорами на основе ZnO и MWCNT. Также они подчеркнули, что чувствительность нанокомпозита, содержащего 2% MWCNT, составляет менее 10 с, а предел обнаружения — 10 ppm [142]. В том же году Гуань и др. успешно разработали гибридный нанокомпозит на основе УНТ как электрохимический биосенсор для одновременного высокочувствительного обнаружения DA и UA. В своем исследовании они сообщили, что самый обширный (ΔEp = 144 мВ) и наивысший окислительный ток был замечен в электроде, модифицированном наногибридом на основе УНТ. Кроме того, они исследовали одновременное обнаружение DA и UA в наногибрид-модифицированном GCE с помощью дифференциальной импульсной вольтамметрии (DPV). Они показали, что анодный пиковый ток отклика наногибрид/GCE увеличивался линейно из-за увеличения концентрации DA. Также они получили аналогичное наблюдение для концентрации UA. Они подчеркнули, что диапазон концентраций для обоих целевых аналитов составляет 2–150 мкМ. В результате они сообщили, что пределы обнаружения DA и UA составляли 0,37 мкМ и 0,61 мкМ соответственно [143].

Исследования по повышению эффективности биосенсоров на основе УНТ в различных областях приложений путем гибридизации с НСОМ, графеном и производными графена и улучшению их свойств представляют большой интерес (Таблица 4). Более высокая электрохимическая активность и более высокая проводимость наногибридных структур, спроектированных с электрохимическими сенсорами на основе УНТ, могут быть рассмотрены как результат присущих свойств УНТ. С другой стороны, одной из особенностей, ограничивающих использование УНТ в приложениях биосенсоров, является то, что они не растворяются в большинстве растворителей. Также у них низкая биосовместимость и в некоторых случаях токсичность. Для преодоления этих проблем комбинирование различных функциональных групп на поверхности и торцах УНТ с НСОМ и применение поверхностных модификаций могут рассматриваться как решение.

Кроме того, благодаря интеграции УНТ с графеном и его производными становится возможным создание более активных мест для биомолекул благодаря сильным связующим взаимодействиям. Еще одно преимущество гибридной структуры УНТ/графен заключается в том, что она позволяет биосенсорам отвечать за более короткое время благодаря их более высокой скорости переноса электронов. Таким образом, в следующем поколении биосенсоров, которые будут разработаны в будущем, кажется неизбежным достижение высокой чувствительности и селективности, одновременного обнаружения целевых биомолекул за счет двойного эффекта УНТ с НСОМ или другими наноуглеродными материалами, такими как графен и его производные.

Заключение и перспективы

Биосенсоры и биоэлектроды играют решающую роль в экологическом мониторинге, безопасности пищевых продуктов, медицинской текстильной промышленности, открытии и анализе лекарств, клинических и неклинических приложениях. С недавней пандемией COVID-19 быстро реагирующие, многоразовые, дешевые и высокоселективные биосенсоры стали критически важными для борьбы с инфекционными заболеваниями, чтобы взять их под контроль. Для проектирования биосенсора материал, используемый в компоненте преобразователя и для функционализации поверхностей преобразователей, имеет явное влияние на результаты с вышеупомянутыми свойствами, получаемыми от биосенсора. В этом контексте, для улучшения свойств этих устройств, наноматериалы широко использовались, и их расширенная площадь поверхности, способность адаптироваться к поверхностным модификациям для использования любого типа аналита, и такие выдающиеся наноразмерно-зависимые свойства поставили их на один шаг впереди беспрецедентно в производстве идеального биосенсора.

С этой мотивацией данная статья представляет обзор недавних разработок в гибридных наносистемах, созданных комбинированным использованием НСОМ, графена и УНТ. Было сделано множество усилий для создания биосенсоров с улучшенной чувствительностью и селективностью для обнаружения биомолекул с помощью этих наноструктур. Очевидно, что помимо уникальных характеристик каждого из этих материалов, множественный эффект гибридного дизайна их является ключевым моментом в получении биосенсора с более высокой производительностью. Комбинирование этих наноструктур для создания гибридного дизайна улучшает электро каталитическую активность биосенсора, его скорость переноса электронов и позволяет больше активных мест для одновременного обнаружения двух или более биомолекул. Он также удовлетворяет другие желаемые функции, ожидаемые от идеального биосенсора, такие как стабильность, долгий срок хранения, воспроизводимость, широкий диапазон измерений, быстрое время отклика для приложений биосенсоров следующего поколения. Однако существуют убедительные факторы в комбинировании этих трех трендовых наноматериалов, такие как контроль склонности к агломерации, цитотоксичность, выбор правильной концентрации и обширная оптимизация условий для улучшения чистоты и лучшей интеграции этих материалов друг с другом. Поэтому все еще есть открытые возможности для улучшений в подготовке наноматериалов и их композитных структур. Кроме того, для локальной диагностики аналита, имеющей большое влияние на биосенсоры для медицинских приложений, важно иметь быстрый и надежный результат экономичным способом. Для этой цели наноматериалы, используемые в биосенсорах, могут быть модифицированы для облегчения диагностики с более деликатным сенсированием, особенно для биомаркеров некоторых заболеваний с очень минимальной концентрацией на их ранних стадиях. Для получения и улучшения таких свойств графен, УНТ и НСОМ должны производиться с минимальными примесями катализаторов, высокой кристалличностью и в больших количествах экономичным способом. Они также должны быть инженерированы для их плотности состояний и структуры связей для настройки лучших свойств переноса электронов. В рамках этого обзора была предложена комбинация наноструктур, помогающая разработать точный механизм «будущего биосенсора», и ожидания, такие как чувствительность, превосходная селективность, низкий предел обнаружения, сенсирование в реальном времени со многофункциональными свойствами, были обобщены.

Доступность данных и материалов

Не применимо.

Аббревиатуры

1D:

Одномерный

3D:

Трехмерный

CD:

Циклодекстрин

CVD:

Химическое осаждение из газовой фазы

CVs:

Циклические вольтаммограммы

DA:

Дофамин

DNA:

Дезоксирибонуклеиновая кислота

DPV:

Дифференциальная импульсная вольтамметрия

FET:

Полевой транзистор

GCE:

Стекловистый углеродный электрод

GelMA:

Желатин метакрилоил

GNPs:

Графеновые нанопластинки

GNRs:

Графеновые наноленты

GO:

Оксид графена

GQDs:

Графеновые квантовые точки

LOD:

Предел обнаружения

MIP:

Молекулярно-импринтированный полимер

MOFs:

Металло-органические каркасы

MOs:

Оксиды металлов

MWCNTs:

Многослойные углеродные нанотрубки

NHGH:

Азотистый пористый гидрогель графена

NPs:

Наночастицы

NRs:

Наножилы

NSs:

Наносферы

NWs:

Нанопроволока

PANI:

Полианилин

PDADMAC:

Поли(диаллил диметил аммоний хлорид)

PDPA:

Поли дифениламин

PECVD:

Плазмоусиленное химическое осаждение из газовой фазы

PEDOT:

Поли(3,4-этилендиокситиофери)

PG:

Первозданный графен

PPy:

Полипиррол

PTA:

Фосфовольфрамовая кислота

PVA:

Поливиниловый спирт

RF:

Радиочастота

rGO:

Редуцированный оксид графена

SERS:

Поверхностно-усиленное Рамановское рассеяние

SWCNTs:

Однослойные углеродные нанотрубки

UA:

Мочевая кислота

XO:

Ксантиновая оксидаза