Обзор последних достижений в области нанобиосенсоров на основе оксидов металлов / графена / УНТ

Аннотация

Нанобиосенсоры - это удобные, практичные и чувствительные анализаторы, которые обнаруживают химические и биологические агенты и преобразуют результаты в значимые данные между биологически активной молекулой и элементом распознавания, иммобилизованным на поверхности преобразователя сигнала с помощью физико-химического детектора. Благодаря своим быстрым, точным и надежным рабочим характеристикам, нанобиосенсоры широко используются в клинических и доклинических приложениях, при прикроватных испытаниях, в медицинской текстильной промышленности, в мониторинге окружающей среды, безопасности пищевых продуктов и т. Д. Они играют важную роль в таких критических приложениях. Следовательно, конструкция интерфейса биосенсора имеет важное значение для определения производительности нанобиосенсора. Уникальные химические и физические свойства наноматериалов открыли путь для новых и улучшенных сенсорных устройств в биосенсорах. Растущий спрос на устройства с улучшенными возможностями восприятия и селективности, коротким временем отклика, нижним пределом обнаружения и низкой стоимостью заставляет новые исследования нанобиоматериалов использовать в качестве каркасов биосенсоров. Среди всех других наноматериалов в последнее время привлекают внимание исследования по разработке нанобиосенсоров на основе наноструктур оксидов металлов, графена и его производных, углеродных нанотрубок, а также широкое использование этих наноматериалов в качестве гибридной структуры. Наногибридные структуры, созданные путем комбинирования этих наноструктур, будут напрямую удовлетворять потребности будущих биосенсоров с их высокой электрокаталитической активностью. В этом обзоре рассмотрены последние разработки этих наноматериалов и их производных, а также их использование в качестве биосенсорных каркасов. Мы рассмотрели 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 смешиваться с другими физико-химическими веществами [1]. Первый известный биосенсор был разработан Clark et al. [2] для обнаружения кислорода, а первый амперометрический ферментный электрод, разработанный Кларком и Лайонсом [3], представлял собой ферментный биосенсор глюкозы. За прошедшие годы были разработаны типы биосенсоров на основе ферментов, тканей, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), а также тепловые, оптические и электрохимические биосенсоры. Биосенсоры дают более стабильные и точные результаты, чем традиционные методы, в некоторых приложениях, таких как клиническая диагностика, биомедицинский сектор, производство продуктов питания и анализ [2, 4]. Более того, благодаря таким характеристикам, как специфичность, селективность и экономия средств за счет простоты эксплуатации, анализа в реальном времени и непрерывного использования, во второй половине столетия были быстро разработаны различные типы биосенсоров, которые стали широко использоваться в смежных медицинских областях. экологическая и криминалистическая области [5]. Их интенсивное использование в этих критических областях применения привело к появлению некоторых ожидаемых особенностей биосенсора, таких как высокая чувствительность, стабильность, высокая избирательность, длительный срок службы, повторяемость, простота и дешевизна, широкий диапазон измерений и быстрое время отклика [6]. P>

По данным Международного союза чистой и прикладной химии (IUPAC), биосенсоры содержат три основных компонента:элемент биологического распознавания, компонент датчика и электронную систему, которая часто сочетается с датчиком. Как интегрированные устройства рецептор-преобразователь, биосенсоры способны предоставлять выборочную количественную или полуколичественную аналитическую информацию с использованием элемента биологического распознавания [7] (рис. 1). В этом контексте нуклеиновые кислоты, ферменты, антитела, рецепторы, микроорганизмы, клетки, ткани и даже биомиметические структуры могут использоваться в качестве биорецепторов для биологического обнаружения.

Схематическое изображение биосенсоров

Конструкция биосенсора имеет большое значение для быстрого и удобного тестирования при любых обстоятельствах или любой позиции, в которой может появиться аналит. В рамках этой конструкции материалы компонентов преобразователя также оказывают значительное влияние на качество обнаружения. Физические преобразователи существенно различаются в зависимости от источника сигнала, поддающегося количественной оценке, и в основном используют оптические и электрохимические системы [5]. Физико-химические, электронные / оптические / электрохимические свойства материала, используемого в качестве физического преобразователя, напрямую влияют на работу биосенсоров. Кроме того, эффективность биосенсоров определяется матрицами, медиаторами и стабилизаторами, используемыми для иммобилизации ферментов. Следовательно, свойства материала, из которого изготовлен компонент физического преобразователя, играют решающую роль в получении таких характеристик, как высокая стабильность сигнала и повторяемость биосенсоров, а также в их селективности. Среди трех вышеупомянутых компонентов биосенсора этот обзор в основном посвящен недавним разработкам в области функционализации поверхности компонентов преобразователя с использованием наноматериалов.

Преобразователи можно разделить в основном на четыре класса:электрохимические, биолюминесцентные, пьезоэлектрические, калориметрические и оптические. Поверхность преобразователя можно модифицировать, используя множество различных функциональных материалов, чтобы улучшить характеристики датчика. Таким же образом может помочь контроль структуры, морфологии и свойств этих материалов. Среди этих материалов наноразмерные материалы, называемые наноматериалами, имеют большой потенциал, чтобы иметь решающее значение для разработки новых, адаптивных и высокочувствительных биосенсоров для более широкой области применения с их уникальными свойствами, зависящими от размера, такими как большая площадь поверхности, улучшенные электрические характеристики. проводимость и высокая химическая активность. Принимая во внимание эти необычные свойства, наноматериалы были одними из предпочтительных кандидатов для удовлетворения желаемых требований для создания высокочувствительных биосенсоров [6].

Чтобы считаться наноматериалом, по крайней мере, в одном измерении размер наноматериала должен находиться в пределах от 1 до 100 нм [8]. Из-за своего очень маленького размера в наноматериалах большинство атомов существует близко к поверхности или присутствует на поверхности. Эти наночастицы (НЧ), должным образом приобретая замечательные особенности, такие как улучшенные физико-химические свойства, более высокая площадь поверхности, сокращенное расстояние между электронами, выявляют значительную разницу по сравнению с их аналогами большого размера. Таким образом, улучшенные характеристики будут поддерживаться в отношении оптических, тепловых, электрических и магнитных свойств этих наноразмерных материалов, чтобы быть высокоэффективными для использования в качестве компонента биосенсора. Более того, наноразмерные материалы с большей площадью поверхности обеспечивают подходящее пространство для иммобилизации достаточного количества биорецепторов на поверхности электродов. Поэтому исследователи недавно проявили большой интерес к производству, описанию и использованию наноматериалов для биосенсорных приложений [9, 10].

Среди всех наноматериалов МОН, графен и его производные, а также УНТ выделяются своими уникальными свойствами [11, 12]. MON обладают значительными каталитическими свойствами благодаря впечатляющему морфологическому разнообразию, нетоксичности и биосовместимости. Следует также отметить, что MON обеспечивают подходящую структуру для иммобилизации биомолекул.

Их кристаллическая решетка, позволяющая изменять параметры ячеек и электрохимические свойства из-за эффекта квантового ограничения, а также возможность управления шириной запрещенной зоны путем изменения их поверхностных свойств, влияющих на проводимость и химическую реакционную способность, сделали их весьма перспективными для использования в качестве биочувствительных элементов и дифференцировать моноактивные вещества из их объема. аналоги [12, 13]. Более того, для дальнейшего улучшения этих свойств путем формирования композитной структуры, MON недавно начали широко комбинировать с углеродными наноматериалами, такими как графен и УНТ, для образования наногибридной структуры. Это улучшает электрохимическую реактивность для обнаружения и диагностики, чтобы соответствовать будущим требованиям, таким как чувствительность и селективность биосенсора [14].

Гибридизация этих углеродных наноматериалов с MON обеспечивает производство передовых биосенсоров с одной или несколькими функциями, оснащенными превосходными оптическими, магнитными и электрическими свойствами [14,15,16]. Графен и его производные могут быть легко интегрированы с другими наноматериалами для создания наногибридных материалов для получения желаемой электрохимической активности [13, 17, 18]. Например, во многих приложениях графен рассматривается как полезный инструмент, способствующий переносу электронов на окислительно-восстановительный ответ белков [19]. Однако физическая стабильность графена в биологической среде и оценка его токсичности для клеток до сих пор остаются спорными [20,21,22]. С другой стороны, УНТ, в отличие от графена, обладают различными оптическими характеристиками из-за их изменяющейся хиральности, что делает их более выгодными по сравнению с графеном в приложениях оптического биодатчика [23]. УНТ, обладающие выдающейся электрохимической способностью, легко поддаются химической модификации и имеют высокое отношение площади поверхности к объему, как графен [24]. Что касается свойств поверхности, то при воздействии окружающей среды, хотя графен экспонируется во всем объеме из-за его однослойной двумерной природы, это воздействие ограничено в случае одномерных (1D) УНТ [25]. Кроме того, в предыдущих исследованиях много раз сообщалось, что графен имеет более высокую селективность по отношению к помехам из-за его превосходного биомолекулярного восприятия и свойств отношения сигнал / шум по сравнению с УНТ. В основном это связано с безметалловыми графитовыми краями графена с большой площадью поверхности. Тем не менее, в биосенсорах на основе УНТ существуют проблемы в виде возмущения сигнала из-за присутствия остаточных металлических катализаторов [25]. Со всеми вышеупомянутыми аспектами наногибриды, образованные комбинацией структур графена и / или УНТ, могут играть жизненно важную роль в разработке современных биосенсоров, а компенсация недостатков обоих материалов путем формирования из них композитной структуры позволит преодолеть эти проблемы и обнаружение можно было бы максимизировать. Воспользовавшись преимуществами сотрудничества, созданного композитной структурой MON, графена и CNT, кажется необходимым обеспечить улучшенное усиление сигнала и подготовить передовые стратегии биоаффинности, что приведет к разработке улучшенных биосенсорных устройств для удовлетворения будущих требований. Следовательно, в рамках этого обзора он был сосредоточен на недавно реализованных МОН, биосенсорах на основе графена и УНТ. Более того, обсуждалась критическая роль использования этих наноматериалов, не по отдельности, а вместе, в производстве биосенсоров с превосходными свойствами, получаемыми их комбинацией. Оценивая будущие ожидания и проблемы, мы хотели бы предложить альтернативную перспективу для дальнейших исследований.

Биосенсоры на основе наноструктур на основе оксидов металлов

Оксиды металлов (МО) были важными кандидатами для сенсорных приложений с момента первых исследований биосенсоров в 1954 году [26, 27]. МО могут быть синтезированы в различных наноморфологиях, таких как наночастицы [28, 29], нановолокна [30], наносферы (NS) [31], наностержни [32], нанотрубки и нанопроволоки (NW) [33], нанолисты [34, 35] . Помимо морфологической универсальности, MON обладают некоторыми преимуществами:высоким соотношением поверхность / объем, нетоксичностью, хорошей биосовместимостью, химической стабильностью, отличной селективностью, ограничением электронов и фононов, высокой каталитической эффективностью и сильной адсорбционной способностью, физико-химическими особенностями интерфейса [36,37,38, 39,40]. Кроме того, MON могут быть произведены с помощью относительно простых и экономичных методов, таких как радиочастотное (RF) магнетронное распыление [41, 42, 43], термическое испарение [44, 45], химическое осаждение из паровой фазы (PECVD), усиленное плазмой [46]. , 47], молекулярно-лучевая эпитаксия [48] и метод зольгеля [49], процесс электрохимического осаждения [50] и гидротермальный метод [51]. Эти важные особенности сделали MONs одним из самых востребованных материалов для биомедицинских приложений и рынка биосенсоров. Публикации по МОН с 2010 по 2020 гг. Были проанализированы и представлены на рис. 2 с круговой диаграммой, представленной как распределение биомедицинских применений МОН.

Круговая диаграмма, показывающая распределение MON в биомедицинских приложениях

С другой стороны, преимущественно в последние годы, различные МОН, такие как ZnO, Fe ₃ О ₄ , CuO, NiO, TiO ₂ , MgO непрерывно производятся в качестве универсальных и функциональных биосенсоров в течение длительного времени [44, 52]. Среди МОН ZnO и Fe ₃ О ₄ , в связи с их широким применением, считаются важными участниками конструирования биосенсоров [53, 54].

Наноструктуры ZnO

Наноструктуры ZnO играют значительную роль в создании новых наноструктурированных биосенсоров благодаря своим уникальным свойствам, включая высокую изоэлектрическую точку (IEP ~ 9,5) [55], широкую запрещенную зону, полезную функцию электронной связи, высокую химическую стабильность, хорошую биосовместимость, и пьезоэлектричество. В частности, его высокая изоэлектрическая точка ясно объясняет, почему ZnO является наиболее распространенным оксидом металла, используемым в технологиях биочувствительности. Кроме того, ZnO можно использовать во всех клинических и доклинических приложениях, поскольку это экологически чистый и безопасный материал [53, 54, 56]. Например, Akhtar et al. [57] разработали безреагентный оптический биосенсор, основанный на механизме усиления флуоресценции, для обнаружения амилоида при диагностике нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и инсулинозависимый диабет II типа, с использованием наноструктур ZnO, похожих на цветы, с большей площадью поверхности. . Кроме того, сообщалось, что наноцветок ZnO является хорошим улучшающим качество материалом, который обеспечивает более быстрый и экономичный амилоидный биосенсор [57]. Кроме того, биосенсор глюкозы с использованием полевого транзистора (FET) на основе наностержней ZnO, относящийся к носимому приложению непрерывного мониторинга глюкозы для людей с диабетом, был изготовлен Zong и Zhu [54] с помощью гидротермального метода. Они достигли высокопроизводительного биосенсора с высокой чувствительностью 1,6 мА / мкМ см ² с крошечной зоной чувствительности 180 мкм ² и предел обнаружения 1 мкМ в пользу большого отношения поверхности к объему наностержней ZnO [54]. Сахьяр и др. [58] разработали новый биосенсор на основе НЧ ZnO с добавкой серебра для раннего обнаружения порчи мяса. В результате их анализа с использованием электрода, модифицированного ферментом ксантиноксидазой (XO) (наноAg-ZnO / полипиррол (PPy) / графитового электрода), они заявили, что полученный ими ферментный биосенсор показал высокую селективность с чувствительностью 0,03 мкА / мМ и 0,07 мкМ нижний предел обнаружения [58].

В другом исследовании Yue et al. [59], успешно разработали идеальный биосенсор дофамина (DA) на основе массивов наноконусов Au NPs-ZnO / электродов из пены графена. В своих характеристиках они доказали, что модифицированный ими электрод имеет высокую чувствительность (4,36 мкА мкМ ⁻¹ ) и низкий предел обнаружения (0,04 мкМ, S / N =3) при обнаружении DA. Кроме того, они сообщили, что электрод на основе наноконуса ZnO продемонстрировал превосходную селективность, хорошую воспроизводимость и стабильность при воздействии мочевой кислоты (UA). Они также подчеркнули, что электрод имеет огромный потенциал в медицине и здравоохранении [59]. В том же году Qian et al. разработали электрохимический детектор глюкозы с использованием НЧ ZnO. Датчик состоит из CeO ₂ нановискер, украшенный НЧ ZnO, и они заявили, что ZnO / CeO ₂ Структура нанокомпозита имеет большую площадь поверхности, нетоксичность и высокую электрокаталитическую активность. Нанокомпозит показал исключительную производительность для обнаружения глюкозы с линейным диапазоном 0,5–300 мкМ и пределом обнаружения (LOD) 0,224 мкМ (40 частей на миллиард). Они также подчеркнули, что нанокомпозитный сенсор показал отличную линейную зависимость между интенсивностью сигнала тока и концентрацией глюкозы ( R ² =0,99944) [60]. Другой биосенсор глюкозы был разработан Rafiee et al. [61] путем комбинирования графеновых нанопластинок (НЧЗ), известных своей высокой проводимостью и химической стабильностью, и ННК ZnO, которые, как известно, чувствительны к глюкозе. В своем исследовании они изменили структуру устройства, такого как биосенсор глюкозы, синтезируя ННК ZnO на тонких пленках ЗНЧ в трех различных концентрациях (0,5, 1 и 2 мг), определяемых как GNP1, GNP2 и GNP3. Система показала, что двойное действие ZnO NW и GNP привело к идеальному усовершенствованию эффективного биосенсора глюкозы. Например, они отметили, что для низких концентраций глюкозы реакция устройства увеличивалась по мере увеличения количества графена в растворе, а время отклика сенсора уменьшалось с увеличением количества ЗНЧ. Более того, они сообщили, что долговременная стабильность, а именно постоянная зависимость устойчивости от концентрации, важный критерий идеального биосенсора, наблюдалась в образцах, модифицированных ЗНЧ после воздействия 30 мг / дл глюкозы в течение 30 дней. Следовательно, они представили идеальный биосенсор глюкозы с полезными характеристиками:время отклика 5 с, диапазон обнаружения 0,003–30 000 мг / дл и долговременная электрическая стабильность [61]. В дополнение к этим исследованиям в таблице 1 приведены некоторые другие недавние исследования с использованием различных наноструктур ZnO для обнаружения различных ферментов.

Принимая во внимание текущие исследования, показанные в Таблице 1, можно сказать, что структуры ZnO, полученные множеством методов с различной морфологией, продолжают широко использоваться из-за простоты интеграции в композитные структуры. Альтернативы производства и морфологическая универсальность, а также формирование нанокомпозитных и наногибридных структур с другими наноматериалами, особенно с углеродными наноструктурами, открывают необычный потенциал для структур ZnO с точки зрения достижения ожидаемых свойств с полной эффективностью в идеальном биосенсоре.

Fe ₃ О ₄ Наноструктуры

В последние годы Fe ₃ О ₄ Наноструктура вызвала большой интерес во многих многообещающих приложениях, включая биосенсоры, доставку лекарств, разделение клеток и фармацевтику, благодаря своим превосходным свойствам, таким как хорошая биосовместимость, низкая токсичность, суперпарамагнетизм, каталитическая активность и простота процесса приготовления и модификации. Магнитное Fe ₃ О ₄ НЧ подходят для иммобилизации желаемых биомолекул, таких как ферменты [73,74,75,76], благодаря простой способности отделения от среды благодаря ее магнитной природе [77]. Fe ₃ О ₄ магнитные НЧ и их производные широко используются в биосенсорной технологии, и в литературе обсуждаются различные интересные исследования [75, 78]. В этом контексте Sanaeifar et al. [75] разработали новый электрохимический биосенсор для определения глюкозы. Они оценили электрохимические характеристики нанокомпозита, полученного диспергированием Fe ₃ О ₄ магнитные НЧ, полученные методом соосаждения в поливиниловом спирте (ПВС). Они сообщили, что Fe ₃ О ₄ НЧ в матрице ПВС, обладая превосходными каталитическими свойствами против иммобилизованной глюкозооксидазы, увеличивают скорость переноса электронов между ферментом и поверхностью электрода. Подготовленный биоэлектрод может измерять глюкозу в диапазоне 5 \ (\ times \ hspace {0.17em} \) 10 ⁻³ до 30 мМ с чувствительностью 9,36 мкА мМ ⁻¹ и показал предел обнаружения менее 8 мкМ [75]. Донг и др. [79] разработали Ag / Fe ₃. О ₄ Датчики на основе НС ядро-оболочка, изготовленные с помощью простого сольвотермического подхода, будут использоваться для обнаружения гидразина в целях защиты окружающей среды. Они сообщили, что высокопроизводительный датчик гидразина 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, можно сказать, что датчик гидразина, который намного превосходит другие датчики в литературе, был разработан [79].

В другом исследовании Sriram et al. [80] разработано Fe ₃ О ₄ Нанокомпозит НП / восстановленный оксид графена (rGO) для обнаружения УК в образцах мочи и сыворотки крови. В результате их электрохимического анализа Fe ₃ О ₄ Нанокомпозиты NS / восстановленный оксид графена (rGO) с высокой стабильностью и воспроизводимостью показали превосходный пик электрохимического восстановления. Более того, они подчеркнули, что линейный диапазон разработанного ими сенсора UA составляет от 0,02 до 783,6 мкМ, а LOD составляет 0,12 нМ [80]. Аналогичным образом, новый биосенсор для обнаружения DA путем объединения оксида графена (GO) и Fe ₃ О ₄ был разработан Cai et al. [81]. В своем исследовании они успешно синтезировали Fe ₃ О ₄ / GO / Тройной композит первичного графена (PG) методами диспергирования и соосаждения. Позже они нанесли нанокомпозит на рабочий электрод, стеклоуглеродный электрод (GCE), методом капания. Самый высокий пиковый ток зарегистрирован для Fe ₃ О ₄ / GO / PG-структуры на циклических вольтамперограммах (ЦВА). Точно так же они сообщили, что самый высокий пиковый ток в присутствии DA принадлежит Fe ₃ О ₄ / GO / PG / GCE образец. Они также отметили увеличение пикового тока для Fe ₃ О ₄ / GO / PG / GCE из-за повышенной концентрации DA. Наконец, Cai et al. заявили, что электрохимический сенсор может эффективно использоваться для обнаружения ДА [81]. Некоторые репрезентативные исследования Fe ₃ О ₄ наноструктуры как компонент биосенсора приведены в таблице 2.

Несмотря на свои превосходные свойства, магнитный Fe ₃ О ₄ наноструктуры имеют ограничительные проблемы в биосенсорных и биологических приложениях. Из-за их высокой поверхностной энергии, химической реакционной способности и сильного магнитного взаимодействия они невероятно склонны к агломерации, что затрудняет стабилизацию Fe ₃ О ₄ магнитные наноструктуры. Чтобы преодолеть эту проблему, поверхность Fe ₃ О ₄ наноструктуры покрыты полимерными слоями [95]. Однако покрытие поверхности полимером может снизить эффективность применения электрохимических биосенсоров. Таким образом, при стабилизации магнитного Fe ₃ О ₄ могут использоваться наноструктуры, биомолекулы, такие как гены, клетки, ферменты, белки и другие важные наноструктуры (графен, УНТ, квантовые точки, НЧ и т. д.). Следовательно, можно предсказать, что сложные наногибридные и нанокомпозитные системы на основе магнитного Fe ₃ О ₄ наноструктуры станут явлением в производстве биосенсоров нового поколения.

В конце концов, биосенсоры на основе МО, включающие в себя различные наноструктуры, представляют уникальные и новые функции в практических и промышленных приложениях. Наноструктуры МО сильно влияют на создание высокочувствительных, быстрых и стабильных биосенсоров благодаря своим непревзойденным свойствам. Кроме того, каждый вид наноструктур и оксидов металлов имеет свои преимущества. Следовательно, новые достижения в области сенсорных устройств, вероятно, будут иметь место в биотехнологии. Кроме того, видно, что наноуглеродным структурам в недавних исследованиях было уделено много внимания, и вместе с ними используются МО. Поэтому вторая часть этой работы будет посвящена двум наиболее часто используемым наноуглеродам (графену и УНТ) в биосенсорах.

Графен и биосенсоры на основе его производных

Графен - один из самых популярных аллотропов углерода, как и графит, УНТ, фуллерен, алмаз. Это двухмерный слой sp ² -гибридизированные атомы углерода. После открытия графена Геймом и Новоселовым он привлек огромное внимание во всем мире в различных областях, таких как прозрачные электроды, накопление энергии, доставка лекарств, биосенсоры, суперконденсаторы, батареи и катализ [96, 97]. Графен, как и многие другие наноматериалы, можно синтезировать сверху вниз (механическое расслоение, химическое расслоение и химический синтез) и снизу вверх (пиролиз, эпитаксиальный рост, химическое осаждение из паровой фазы (CVD)) [97]. Различные методы производства приводят к наличию множества подобных графену материалов, таких как графен, GQD, GO, rGO, графеновые наноленты (GNR), наноши, нанолисты [98]. Часто используемые производные показаны на рис. 3.

Структура наиболее популярных материалов на основе графена

Графен обладает хорошей теплопроводностью (5000 Вт / мК), высокой подвижностью электронов при комнатной температуре (250 000 см ² / В с), большая площадь поверхности (2630 м ² / г), высоким модулем упругости (21 Тл Па) и хорошей электропроводностью [99]. Кроме того, атомная толщина листов графена и их большая площадь поверхности обеспечивают чувствительность материала к изменениям условий. Таким образом, особенности поверхности графена, на которых можно напрямую контактировать с каждым атомом, делают его чувствительным к окружающей среде. Следовательно, это отличный кандидат 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 с круговой диаграммой, которая представляет распределение биомедицинских применений графена. Можно сказать, что исследователи в основном сосредоточены на области биосенсоров из-за свойств графена, упомянутых выше.

Круговая диаграмма, показывающая распределение графена в биомедицинских приложениях

Как упоминалось в первом разделе, некоторые биосенсоры получают путем комбинирования графена и производных графена с MON. В этой части обзора мы сосредоточимся на биосенсорах на основе графена и его производных. Общее представление и механизм биосенсоров на основе графена показаны на рис. 5. Здесь аналиты, взаимодействующие с функциональной группой (ами) на поверхности графена, и электрохимические, оптические или другие выходы могут быть получены на основе этого взаимодействия [96 , 97, 103]. Например, Mani et al. [104] разработали тройной нанобиокомпозит на основе нанолент rGO / MWCNT / хитозана для чувствительного и селективного обнаружения H ₂. О ₂ и НЕТ ₂ ^- . Они исследовали полезные свойства биосенсора в растворе для очистки контактных линз и образцах мяса. Они сообщили, что для H ₂ О ₂ сенсор на основе нанобиокомпозита имел чувствительность 0,616 мкАмкМ ^-1 см ⁻² , предел обнаружения 1 нм и линейный диапазон 0,001–1625 мкМ, в то время как эти значения для NO ₂ ^- , 0,643 мкАмкМ ⁻¹ см ⁻² , 10 нм и 0,01–1350 мкМ соответственно. Таким образом, они доказали, что сенсор на основе графена может быть эффективно использован в медицине и безопасности пищевых продуктов [104]. Другой H ₂ на основе графена О ₂ датчик был подготовлен Yin et al. [105]. В своем исследовании Инь и его коллеги синтезировали проводящие трехмерные (3D) графеновые аэрогели (ГА), украшенные Ni ₃ N НЧ гидротермальным методом. В результате их характеристики они показали, что Ni ₃ Полученные ими композиты N / GA могут применяться не только для H ₂ О ₂ но также и для определения глюкозы. Они сообщили, что Ni ₃ Электрод на основе N / GA для определения H ₂ О ₂ , продемонстрировал высокие электрохимические характеристики:диапазон обнаружения 5–75,13 мМ, чувствительность 101,9 мкАмМ ^-1 см ⁻² и низкий предел обнаружения 1,80 мкМ. Более того, для определения глюкозы они подчеркнули, что разработанный электрод имеет диапазон обнаружения 0,1–7645,3 мкМ, предел обнаружения 0,04 мкМ и чувствительность 905,6 мкА мМ ⁻¹ см ⁻² [105].

Представление биосенсоров на основе графена и их механизма

Можно сказать, что в последнее время наблюдается повышенный интерес к биосенсорам на основе графена для практического обнаружения глюкозы. Таблица 3. Например, urić et al. [106] успешно синтезировали одноразовый биосенсор на основе Bi ₂. О ₃ -декорированные ЗНЛ соосаждением. В результате характеризации они доказали, что полученный ими датчик имеет предел обнаружения 0,07 мМ, линейный диапазон 0,28–1,70 мМ и чувствительность 64,81 мкА / мм · см ² . Таким образом, они предположили, что сенсор на основе графена может определять глюкозу в сыворотке крови и образцах мочи, воспроизводимых и стабильных [106]. В том же году был успешно разработан полезный биосенсор глюкозы путем гидротермального синтеза трехмерного пористого графенового гидрогеля, легированного азотом (NHGH) с NiCo ₂. О ₄ наноцветки (NHGH / NiCo ₂ О ₄ ) Лу и его командой. Они модифицировали GCE с помощью полученного нанокомпозита и оценили электрохимические характеристики модифицированного электрода при определении глюкозы. Во-первых, они получили CV в 0,1 М растворе NaOH со скоростью сканирования 50 мВ с ^-1 . , чтобы изучить электрохимические каталитические характеристики. Они сообщили, что NHGH / GCE имеет повышенный пиковый ток окисления на 0,5 В, чем слабый анодный пиковый ток чистого GCE. Более того, в своем исследовании они заметили, что пара пиков окислительно-восстановительного потенциала видна, что указывает на электрохимическую активность NHGH / NiCo ₂ О ₄ / GCE самый высокий по сравнению с другими электродами. Они объяснили это улучшение увеличенной площадью поверхности графена , хорошая проводимость и окислительно-восстановительные реакции Co и Ni. Кроме того, они показали электрохимические каталитические характеристики электродов при добавлении 5,0 мМ глюкозы. Они интерпретировали NHGH / NiCo ₂ О ₄ /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 О ₄ and NHGH. They also reported that the peak currents increased linearly with increasing glucose concentration and the NHGH/NiCo₂ О ₄ -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 О ₄ /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 , м ) 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 О ₄ -decorated CNTs based 3-methoxyphenyl (3-MP) biosensor for environmental protection applications. Fe ₃ О ₄ /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 О ₄ /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 см ⁻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 см ⁻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.

Заключение и прогноз

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.