금속 산화물/그래핀/CNT 기반 나노바이오센서의 최근 발전에 대한 개요

초록

Nanobiosensors는 화학적 및 생물학적 작용제를 감지하고 그 결과를 생물학적 활성 분자와 이화학적 검출기에 의해 신호 변환기 표면에 고정된 인식 요소 사이의 의미 있는 데이터로 변환하는 편리하고 실용적이며 민감한 분석기입니다. 빠르고 정확하며 신뢰할 수 있는 작동 특성으로 인해 나노바이오센서는 임상 및 비임상 응용, 병상 시험, 의료 섬유 산업, 환경 모니터링, 식품 안전 등에 널리 사용됩니다. 이러한 중요한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 따라서 바이오센서 인터페이스의 설계는 나노바이오센서의 성능을 결정하는데 필수적이다. 나노 물질의 독특한 화학적 및 물리적 특성은 바이오 센서에서 새롭고 향상된 감지 장치를 위한 길을 열었습니다. 향상된 감지 및 선택성 기능, 짧은 응답 시간, 낮은 감지 한계 및 저렴한 비용을 가진 장치에 대한 수요 증가로 인해 바이오센서 스캐폴드로 사용되는 나노바이오재료에 대한 새로운 조사가 발생합니다. 다른 모든 나노물질 중에서 최근 금속산화물 나노구조, 그래핀 및 그 유도체, 탄소나노튜브를 기반으로 한 나노바이오센서 개발 및 이러한 나노물질을 하이브리드 구조로 널리 활용하는 연구가 주목받고 있다. 이러한 나노구조를 결합하여 생성된 나노하이브리드 구조는 높은 전기촉매 활성으로 미래 바이오센서의 요구를 직접 충족할 것입니다. 이 리뷰는 이러한 나노물질과 그 유도체에 대한 최근의 발전과 바이오센서 스캐폴드로서의 사용을 다루었습니다. 우리는 이러한 인기 있는 나노물질을 비교 연구, 표 및 차트로 평가하여 검토했습니다.

소개

바이오센서는 다른 물리화학적 물질에 휘말릴 수 있는 분석물의 정성적 및/또는 정량적 검출을 위해 생물학적 분석물의 신호를 측정 가능하고 구별 가능한 전기 신호로 변환하는 진단 장치입니다[1]. 최초의 알려진 바이오센서는 Clark et al.에 의해 개발되었습니다. [2] 산소 검출을 위한 것으로 Clark과 Lyons가 개발한 최초의 전류 측정 효소 전극[3]은 효소 기반 포도당 바이오센서였습니다. 수년에 걸쳐 효소 기반, 조직 기반, 디옥시리보핵산(DNA) 기반, 열, 광학, 전기화학적 바이오센서 유형이 개발되었습니다. 바이오 센서는 임상 진단, 생물 의학 분야, 식품 생산 및 분석과 같은 일부 응용 분야에서 기존 방법보다 더 안정적이고 정확한 결과를 제공합니다[2, 4]. 또한, 간단한 조작으로 특이성, 선택성, 비용절감, 실시간 분석, 지속적인 사용 등의 특징으로 다양한 형태의 바이오센서가 20세기 후반을 거치면서 급속하게 개발되어 관련 의료, 환경 및 법의학 분야 [5]. 이러한 중요한 응용 분야에서의 집중적인 사용은 높은 감도, 안정성, 높은 선택성, 긴 서비스 수명, 반복성, 단순성과 저렴함, 넓은 측정 범위 및 빠른 응답 시간과 같은 바이오센서의 몇 가지 예상되는 기능으로 나타났습니다[6].

IUPAC(International Union of Pure and Applied Chemistry)에 따르면 바이오센서에는 생물학적 인식 요소, 변환기 구성요소, 종종 변환기와 결합되는 전자 시스템의 세 가지 주요 구성요소가 포함됩니다. 통합 수용체-변환기 장치로서 바이오센서는 생물학적 인식 요소를 사용하여 선택적 정량적 또는 반정량적 분석 정보를 제공할 수 있습니다[7](그림 1). 이 프레임 내에서 핵산, 효소, 항체, 수용체, 미생물, 세포, 조직, 심지어 생체모방 구조까지도 생물학적 검출을 위한 생체수용체로 활용될 수 있습니다.

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바이오센서의 개략도

바이오 센서의 설계는 분석 물질이 나타날 수 있는 모든 상황이나 위치에서 빠르고 편리한 테스트를 위해 매우 중요합니다. 그 설계 내에서 변환기 구성 요소 재료도 감지 품질에 상당한 영향을 미칩니다. 물리적 변환기는 정량화 가능한 신호 소스에 따라 크게 달라지며 대부분 광학 및 전기화학 시스템을 사용합니다[5]. 물리적 변환기로 사용되는 물질의 물리화학적, 전자적/광학적/전기화학적 특성은 바이오센서의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 또한 바이오센서의 효율성과 효과는 효소 고정에 사용되는 매트릭스, 매개체 및 안정제에 의해 결정됩니다. 따라서 물리적 변환기 구성 요소가 생성되는 재료의 특성은 바이오센서의 높은 신호 안정성 및 반복성 및 선택성과 같은 특성을 얻는 데 중요한 역할을 합니다. 앞서 언급한 바이오센서의 3가지 구성요소 중 이 리뷰는 주로 나노물질을 이용한 트랜스듀서 구성요소의 표면 기능화에 대한 최근 개발에 초점을 맞추고 있습니다.

변환기는 주로 전기화학적, 생물발광, 압전, 열량계 및 광학의 4가지 클래스로 분류할 수 있습니다. 센서 성능을 향상시키기 위해 다양한 기능 재료를 사용하여 변환기의 표면을 수정할 수 있습니다. 이러한 재료의 구조, 형태 및 특성을 제어하는 것도 같은 방식으로 도움이 될 수 있습니다. 이들 재료 중 나노재료라고 하는 나노크기 재료는 넓은 표면적, 향상된 전기적 특성과 같은 고유한 크기 의존적 특성으로 더 넓은 적용 영역을 위한 새롭고 적응력이 높은 고감도 바이오센서의 개발에 중요한 잠재력을 가지고 있습니다. 전도성 및 높은 화학 반응성. 이러한 특별한 특성을 고려할 때 나노물질은 고감도 바이오센서 구축에 필요한 요구 사항을 충족하기 위해 선호되는 후보 중 하나입니다[6].

나노물질로 간주되기 위해서는 적어도 한 차원에서 나노물질의 크기는 1~100nm 사이여야 합니다[8]. 매우 미세한 크기로 인해 나노 물질에서 대부분의 원자는 표면 가까이에 존재하거나 표면에 존재합니다. 이러한 나노입자(NP)는 향상된 물리화학적 특성, 더 큰 표면적, 전자의 거리가 짧아져 벌크 크기의 나노 입자와 비교할 때 상당한 차이를 나타냅니다. 따라서 향상된 성능은 바이오센서 구성요소로 사용하기에 매우 효과적인 나노크기 물질의 광학적, 열적, 전기적 및 자기적 특성에서 유지될 것입니다. 더욱이, 더 높은 표면적을 갖는 나노크기 물질은 전극 표면에 충분한 수의 생체수용체를 고정화하기에 적합한 공간을 제공한다. 따라서 연구자들은 최근 바이오센서 응용을 위한 나노물질의 생산, 특성화 및 사용에 큰 관심을 보였다[9, 10].

모든 나노물질 중에서 MON, 그래핀 및 그 유도체, CNT는 고유한 특성으로 두드러진다[11, 12]. MON은 인상적인 형태학적 다양성, 무독성 및 생체 적합성으로 인해 상당한 촉매 특성을 나타냅니다. 또한 MON은 생체 분자의 고정에 적합한 구조를 제공한다는 점에 유의해야 합니다.

양자 구속 효과로 인해 세포 매개변수 및 전기화학적 특성을 수정할 수 있는 결정 격자와 전도성 및 화학 반응성에 영향을 미치는 표면 특성을 변경하여 밴드갭을 제어할 수 있어 생물 감지 요소로 사용하고 벌크에서 MON을 구별할 가능성이 높습니다. 대응물 [12, 13]. 또한, 복합 구조를 형성하여 이러한 특성을 더욱 향상시키기 위해 최근 MON이 그래핀 및 CNT와 같은 탄소 나노 물질과 광범위하게 결합되어 나노 하이브리드 구조를 형성하고 있다. 이렇게 하면 감지 및 진단을 위한 전기화학적 반응성이 향상되어 바이오 센서의 감도 및 선택성과 같은 미래 요구 사항을 충족할 수 있습니다[14].

이러한 탄소 나노물질과 MON의 혼성화는 우수한 광학적, 자기적, 전기적 특성을 갖춘 하나 이상의 기능을 가진 고급 바이오센서의 생산을 제공합니다[14,15,16]. 그래핀과 그 유도체는 원하는 전기화학적 활성을 얻기 위해 나노하이브리드 물질을 생성하기 위해 다른 나노물질과 쉽게 통합될 수 있다[13, 17, 18]. 예를 들어, 많은 응용 분야에서 그래핀은 단백질의 산화환원 반응으로의 전자 전달을 촉진하는 유용한 도구로 간주됩니다[19]. 그러나 생물학적 환경에서 그래핀의 물리적 안정성과 세포에 대한 독성 평가는 여전히 논란의 여지가 있다[20,21,22]. 한편, CNT는 그래핀과 달리 카이랄성(chirality)의 변화로 인해 다양한 광학적 특징을 가지고 있어 광학 바이오센싱 응용 분야에서 그래핀에 비해 유리하다[23]. 전기화학적 능력이 뛰어난 탄소나노튜브는 화학적으로 쉽게 변형될 수 있으며 그래핀과 같이 표면적 대 부피비가 높다[24]. 그래핀은 단층의 2차원 특성으로 인해 전체 부피로 노출되지만, 1차원(1D) CNT의 경우 이러한 노출이 제한적이다[25]. 또한, 그래핀은 CNT에 비해 우수한 생체 분자 감지 및 신호 대 잡음비 특성으로 인해 간섭에 대한 선택성이 더 높다는 이전 연구에서 여러 번 보고되었습니다. 이는 주로 높은 표면적을 가진 그래핀의 금속이 없는 흑연 가장자리 때문입니다. 그럼에도 불구하고 CNT 기반 바이오센서는 잔류 금속 촉매의 존재로 인해 신호 섭동(signal perturbation)과 같은 문제가 존재한다[25]. 앞서 언급한 모든 측면에서 그래핀 및/또는 CNT 구조의 조합으로 형성된 나노하이브리드는 고급 바이오센서 설계에서 중요한 역할을 할 수 있으며, 이들로부터 복합 구조를 형성함으로써 두 재료의 단점을 보완하면 이러한 문제를 극복하고 검출 극대화할 수 있었습니다. MON, 그래핀 및 CNT의 복합 구조에 의해 생성된 협력을 활용하여 개선된 신호 증폭을 제공하고 고급 생체친화성 전략을 준비하여 미래 요구 사항을 충족하기 위해 개선된 생체 감지 장치를 개발하는 것이 필수 불가결한 것 같습니다. 따라서 이 검토의 범위 내에서 최근에 구현된 MON, 그래핀 및 CNT 기반 바이오센서에 초점을 맞추었습니다. 또한, 이러한 나노 물질을 단독으로 사용하는 것이 아니라 함께 사용하여 결합하여 얻은 우수한 특성을 가진 바이오 센서를 생산하는 데 중요한 역할이 논의되었습니다. 미래의 기대와 도전을 평가함으로써 우리는 추가 연구를 위한 대안적 관점을 제시하고자 합니다.

금속 산화물 나노구조 기반 바이오센서

금속 산화물(MO)은 1954년 초기 바이오센서 연구 이후 센서 응용 분야의 필수 후보였습니다[26, 27]. MO는 NP[28, 29], 나노섬유[30], 나노구(NS)[31], 나노로드[32], 나노튜브 및 나노와이어(NW)[33], 나노시트[34, 35]와 같은 다양한 나노형태로 합성될 수 있습니다. . 형태학적 다양성 외에도 MON은 다음과 같은 몇 가지 이점을 제공합니다. 높은 표면/부피 비율, 무독성, 우수한 생체 적합성, 화학적 안정성, 우수한 선택성, 전자 및 포논 제한, 높은 촉매 효율, 강력한 흡착 능력, 물리화학적 인터페이스 기능 [36,37,38, 39,40]. 또한 MON은 무선 주파수(RF) 마그네트론 스퍼터링[41,42,43], 열 증발[44, 45], 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)[46]과 같은 비교적 쉽고 비용 효율적인 방법을 통해 생산할 수 있습니다. , 47], 분자빔 에피택시[48], 졸겔 기술[49], 전기화학적 증착 공정[50], 열수법[51]. 이러한 중요한 기능으로 인해 MON은 생물의학 애플리케이션 및 바이오센서 시장에서 가장 원하는 재료 중 하나가 되었습니다. 2010년부터 2020년까지 MONs에 대한 간행물이 분석되었으며 그림 2에 MONs의 생물의학 응용 분포로 표시되는 파이 차트가 표시됩니다.

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생물의학 애플리케이션에서 MON의 분포를 보여주는 파이 차트

한편, 최근에는 주로 ZnO, Fe₃와 같은 다양한 MON이 O₄ , CuO, NiO, TiO₂ , MgO는 오랫동안 다목적 및 기능성 바이오센서로 지속적으로 생산되어 왔다[44, 52]. MON 중 ZnO 및 Fe₃ O₄ , 광범위한 적용으로 인해 바이오센서 구성에서 저명한 구성원으로 간주됩니다[53, 54].

ZnO 나노구조

ZnO 나노구조는 높은 등전점(IEP ~ 9,5)[55], 넓은 밴드갭, 유용한 전자 통신 기능, 높은 화학적 안정성, 우수한 생체 적합성, 압전. 특히, 높은 등전점은 ZnO가 바이오 센싱 기술에 가장 널리 사용되는 금속 산화물인 이유를 명확하게 설명합니다. 또한, ZnO는 환경 친화적이고 안전한 물질이기 때문에 모든 임상 또는 비임상 응용 분야에 활용될 수 있습니다[53, 54, 56]. 예를 들어, Akhtar et al. [57] 더 넓은 표면적을 갖는 꽃 모양의 ZnO 나노구조체를 활용하여 알츠하이머병 및 인슐린 의존성 II형 당뇨병과 같은 신경퇴행성 질환의 진단에서 아밀로이드 검출을 위한 형광증강 메커니즘 기반의 시약 없는 광학 바이오센서를 개발했다. . 게다가, ZnO 나노플라워는 더 빠르고 비용 효율적인 아밀로이드 바이오센서를 제공하는 우수한 성능 향상 물질로 보고되었습니다[57]. 또한, 당뇨병 환자를 위한 웨어러블 연속 혈당 모니터링 응용과 관련된 ZnO 나노로드 기반 전계 효과 트랜지스터(FET)를 사용하는 포도당 바이오센서는 Zong과 Zhu[54]에 의해 열수 방법을 통해 제작되었습니다. 1.6mA/µM cm² 의 고감도로 고성능 바이오센서를 구현했습니다. 180 µm² 의 작은 감지 영역 ZnO 나노로드의 큰 표면 대 부피 비율에 따른 1μM의 검출 한계[54]. Sahyar et al. [58]은 육류 부패를 조기에 감지하기 위해 새로운 Ag 도핑된 ZnO 나노입자 기반 바이오센서를 개발했습니다. 효소 xanthine oxidase(XO) 변형 전극(nanoAg-ZnO/polypyrrole(PPy)/연필 흑연 전극)으로 분석한 결과, 얻은 효소 바이오센서가 0.03μA/mM 감도로 높은 선택성을 보였고, 0.07μM 낮은 검출 한계[58].

다른 연구에서 Yue et al. [59], Au NPs-ZnO 나노콘 어레이/그래핀 폼 전극에 기반한 이상적인 도파민(DA) 바이오센서를 성공적으로 개발했습니다. 특성화에서 그들은 수정한 전극이 높은 감도(4.36μA μM⁻¹ ) 및 DA 검출 시 낮은 검출 한계(0.04μM, S/N =3). 또한, ZnO 나노콘 기반 전극이 요산(UA) 간섭 하에서 우수한 선택성, 우수한 재현성 및 안정성을 나타냈다고 보고했습니다. 그들은 또한 전극이 의학 및 건강 관리에서 엄청난 잠재력을 가지고 있음을 강조했습니다[59]. 같은 해에 Qian et al. ZnO 나노입자를 이용한 전기화학적 포도당 검출기를 개발했습니다. 센서는 CeO₂로 구성됩니다. ZnO NP로 장식된 nanowhisker는 ZnO/CeO₂ 나노복합체 구조는 넓은 표면적, 무독성 및 높은 전기촉매 활성을 갖는다. 나노복합체는 0.5~300μM의 선형 범위와 0.224μM(40ppb)의 검출 한계(LOD)로 포도당을 감지하는 데 탁월한 성능을 보였습니다. 그들은 또한 나노복합체 센서가 전류 신호 강도와 포도당 농도(R ² =0.99944) [60]. 또 다른 포도당 바이오센서는 Rafiee et al.에 의해 개발되었습니다. 높은 전도성과 화학적 안정성으로 알려진 그래핀 나노혈소판(GNP)과 포도당에 민감한 것으로 알려진 ZnO NW를 결합함으로써. 그들의 연구에서 그들은 GNP1, GNP2, GNP3로 정의되는 3가지 농도(0.5, 1, 2mg)의 GNP 박막에 ZnO NW를 합성하여 포도당 바이오센서와 같은 장치의 구조를 수정했습니다. 이 시스템은 ZnO NW와 GNP의 이중 효과가 효율적인 포도당 바이오센서를 위한 완벽한 개선으로 이어진다는 것을 보여주었습니다. 예를 들어, 낮은 포도당 농도의 경우 용액 내 그래핀의 양이 증가함에 따라 장치의 응답이 증가하고 GNP의 수가 증가함에 따라 센서 응답 시간이 감소한다는 점에 주목했습니다. 또한 이상적인 바이오센서의 중요한 기준인 농도 관계에 대한 일관된 내성이라는 장기간 안정성이 30일 동안 30mg/dL 포도당에 노출된 후 GNP로 변형된 샘플에서 관찰되었다고 보고했습니다. 결과적으로 그들은 5초의 응답 시간, 0.003–30,000mg/dL의 감지 범위, 장기간의 전기적 안정성과 같은 유용한 기능을 갖춘 이상적인 포도당 바이오센서를 제시했습니다[61]. 이러한 연구 외에도 다양한 효소의 검출을 위해 서로 다른 ZnO 나노구조를 사용한 최근 연구들이 표 1에 나와 있습니다.

표 1에 나타난 현재 연구를 고려할 때 다양한 형태의 다양한 방법을 통해 ZnO 구조가 생성되었다고 표현할 수 있으며, 복합 구조로의 통합이 용이하여 계속해서 널리 사용되고 있다. 다른 나노물질, 특히 탄소 나노구조를 사용하여 나노복합체 및 나노하이브리드 구조를 형성할 뿐만 아니라 생산 대안 및 형태학적 다양성은 이상적인 바이오센서에서 최대 효율로 예상되는 특성을 충족한다는 점에서 ZnO 구조에 놀라운 잠재력을 제공합니다.

Fe₃ O₄ 나노구조

최근 몇 년 동안 Fe₃ O₄ 나노구조는 우수한 생체적합성, 낮은 독성, 초상자성, 촉매 활성, 제조 및 변형 공정의 용이성과 같은 우수한 특성 덕분에 바이오센서, 약물 전달, 세포 분리 및 약학을 포함한 많은 유망한 응용 분야에서 많은 관심을 불러일으켰습니다. 자기 Fe₃ O₄ 나노입자는 자성 특성에 의해 배지로부터 간단한 분리 능력으로 인해 효소[73,74,75,76]와 같은 원하는 생체 분자의 고정화에 적합합니다[77]. Fe₃ O₄ 자성 나노입자 및 그 유도체는 바이오센서 기술에서 광범위하게 사용되어 왔으며 다양한 매력적인 연구가 문헌에서 논의되었다[75, 78]. 이러한 맥락에서 Sanaefar et al. [75]는 포도당 검출을 위한 새로운 전기화학 바이오센서를 설계했습니다. Fe₃를 분산시켜 제조한 나노복합체의 전기화학적 성능을 평가했습니다. O₄ 폴리비닐알코올(PVA)의 공침법을 통해 생성된 자성 나노입자. 그들은 Fe₃ O₄ 고정화된 포도당 산화효소에 대해 우수한 촉매 특성을 갖는 PVA 매트릭스의 NP는 효소와 전극 표면 사이의 전자 전달 속도를 증가시켰다. 준비된 생체전극은 5 \(\times \hspace{0.17em}\)10⁻³ 범위의 포도당을 측정할 수 있었습니다. 9.36μA mM⁻¹ 감도로 30mM까지 8µM 미만의 검출 한계를 표시했습니다[75]. Donget al. [79] Ag/Fe₃ 개발 O₄ 환경 보호를 위한 히드라진 검출에 사용되는 간단한 solvothermal 접근을 통해 생성된 core-shell NSs 기반 센서. 그들은 고성능 히드라진 센서의 응답 시간이 2초, 선형 범위가 0.25–3400 µm, 감도가 270 µA mM^{− 1} 이라고 보고했습니다. cm^{− 2} , 그리고 0.06μM의 검출 한계. 수치를 비교하면 문헌에서 개발된 다른 센서보다 훨씬 우수한 히드라진 센서가 개발되었습니다[79].

다른 연구에서 Sriram et al. [80] Fe₃ 개발 O₄ NSs/reduced graphene oxide(rGO) 나노복합체는 소변 및 혈청 샘플에서 UA를 감지합니다. 전기화학적 분석 결과 Fe₃ O₄ 높은 안정성과 반복성을 가진 NSs/reduced graphene oxide(rGO) 나노복합체는 우수한 전기화학적 환원 피크를 보였다. 또한 그들은 개발한 UA 센서의 선형 범위가 0.02~783.6μM이고 LOD가 0.12nM임을 강조했습니다[80]. 마찬가지로, 산화 그래핀(GO)과 Fe₃를 결합하여 DA 검출을 위한 새로운 바이오센서 O₄ Cai et al.에 의해 개발되었습니다. [81]. 그들의 연구에서 그들은 Fe₃를 성공적으로 합성했습니다. O₄ 분산 및 공침법에 의한 /GO/원래 그래핀(PG) 삼원 복합물. 나중에, 그들은 나노복합체를 작업 전극인 유리질 탄소 전극(GCE) 위에 적하 기술로 증착했습니다. 최고 피크 전류는 Fe₃에 대해 기록됩니다. O₄ 순환 전압전류도(CV)의 /GO/PG 구조. 유사하게, 그들은 DA 존재에서 가장 높은 피크 전류가 Fe₃에 속한다고 보고했습니다. O₄ /GO/PG/GCE 샘플. 그들은 또한 Fe₃에 대한 피크 전류의 증가를 강조했습니다. O₄ 증가된 DA 농도로 인한 /GO/PG/GCE 샘플. 마지막으로 Cai et al. 전기화학적 센서가 DA 검출에 효과적으로 사용될 수 있다고 언급[81]. Fe₃에 대한 몇 가지 대표적인 연구 O₄ 바이오센서 구성요소로서의 나노구조는 표 2와 같다.

우수한 특성에도 불구하고 자성 Fe₃ O₄ 나노구조는 바이오센서 및 생물학적 응용에서 제한적인 문제를 가지고 있다. 높은 표면 에너지, 화학 반응성 및 강한 자기 상호 작용으로 인해 매우 쉽게 덩어리져 Fe₃ 안정화에 어려움을 일으키기 쉽습니다. O₄ 자기 나노구조. 이 문제를 극복하기 위해 Fe₃의 표면 O₄ 나노구조는 폴리머 층으로 코팅된다[95]. 그러나 고분자로 표면을 코팅하는 것은 전기화학적 바이오센서 적용 측면에서 효율성을 감소시킬 수 있다. 따라서 안정자성 Fe₃ O₄ 나노구조체, 유전자, 세포, 효소, 단백질과 같은 생체분자 및 기타 필수 나노구조체(그래핀, CNT, 양자점, 나노입자 등)가 사용될 수 있다. 따라서 자성 Fe₃ 기반의 복잡한 나노하이브리드 및 나노복합체 시스템을 예측할 수 있습니다. O₄ 나노구조는 미래에 차세대 바이오센서 생산에 하나의 현상이 될 것입니다.

결국 다양한 나노구조를 통합한 MOs 기반 바이오센서는 실용적이고 산업적인 응용 분야에서 독특하고 새로운 기능을 제공합니다. MO의 나노 구조는 비할 데 없는 특성으로 인해 매우 민감하고 빠르고 안정적인 바이오 센서를 고안하는 데 큰 영향을 미칩니다. 또한, 금속의 나노구조와 산화물은 각각의 장점이 있습니다. 따라서 감지 장치의 새로운 발전은 생명 공학에서 일어날 가능성이 있습니다. 또한, 최근 연구에서 나노카본 구조에 많은 공간이 주어졌으며, MO도 함께 사용되는 것으로 나타났다. 따라서 이 작업의 두 번째 부분은 바이오센서에서 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 나노카본(그래핀 및 CNT)에 초점을 맞출 것입니다.

그래핀과 그 파생물 기반 바이오센서

그래핀은 흑연, CNT, 풀러렌, 다이아몬드와 마찬가지로 가장 널리 사용되는 탄소 동소체 중 하나입니다. sp² 의 2차원 레이어입니다. -혼성화된 탄소 원자. Geim과 Novoselov의 그래핀 발견 이후 투명전극, 에너지저장, 약물전달, 바이오센서, 슈퍼커패시터, 배터리, 촉매 등 다양한 분야에서 전 세계적으로 큰 주목을 받고 있다[96, 97]. 다른 많은 나노 물질과 마찬가지로 그래핀은 하향식(기계적 박리, 화학적 박리 및 화학적 합성) 및 상향식 방법(열분해, 에피택시 성장, 화학 기상 증착(CVD))에 의해 합성될 수 있습니다[97]. 다양한 생산 방법으로 인해 그래핀, GQD, GO, rGO, 그래핀 나노리본(GNR), 나노메쉬, 나노시트와 같은 수많은 그래핀 유사 물질이 존재합니다[98]. 자주 사용되는 파생상품은 그림 3과 같다.

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가장 인기 있는 그래핀 기반 재료의 구조

그래핀은 우수한 열전도율(5000W/mK), 실온에서 높은 전자 이동도(250,000cm² )를 가지고 있습니다. /V s), 넓은 표면적(2630m² ) /g), 높은 탄성 계수(21 T Pa), 우수한 전기 전도성 [99]. 또한, 그래핀 시트의 원자 두께와 높은 표면적은 조건 변화에 대한 재료 감도를 제공합니다. 따라서 모든 원자가 직접 접촉할 수 있는 그래핀의 표면 특징은 환경에 민감하게 만듭니다. 따라서 다른 재료[, , 4, 100, 101]에 비해 센서 응용 분야에 탁월한 후보입니다. 그래핀 및 그 유도체와 관련된 지난 10년간의 연구가 분석되었으며 그래핀의 생물의학적 응용 분포를 나타내는 파이 차트가 그림 102에 나와 있습니다. 위에서 언급한 그래핀의 특성 때문에 연구자들은 주로 바이오센서 분야에 집중하고 있다고 할 수 있다.

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생물 의학 응용 분야에서 그래핀의 분포를 보여주는 파이 차트

첫 번째 섹션에서 언급했듯이 일부 바이오 센서는 그래핀 및 그래핀 유도체를 MON과 결합하여 준비됩니다. 검토의 이 부분에서 우리는 그래핀과 그 파생물을 기반으로 하는 바이오센서에 초점을 맞춥니다. 그래핀 기반 바이오센서의 일반적인 표현과 메커니즘은 그림 5에 나와 있습니다. 여기에서 분석물은 그래핀 표면의 작용기와 상호 작용하고 전기 화학적, 광학적 또는 기타 출력은 이러한 상호 작용을 기반으로 얻을 수 있습니다. , 97, 103]. 예를 들어, Mani et al. [104]는 H₂의 민감하고 선택적인 검출을 위해 rGO 나노리본/MWCNT/키토산을 기반으로 하는 삼원 나노바이오복합체를 개발했습니다. O₂ 및 NO₂ ^- . 그들은 콘택트렌즈 세척액과 육류 샘플에서 바이오센서의 유익한 특성을 탐구했습니다. 그들은 H₂에 대해 보고했습니다. O₂ , nanobiocomposite 기반 센서의 감도는 0.616 µAµM⁻¹ cm⁻² , 검출 한계 1nm, 선형 범위 0.001–1625 µM, NO₂에 대한 이러한 값 ^- , 0.643µAµM⁻¹ cm⁻² , 10 nm 및 0.01–1350 µM입니다. 따라서 그들은 그래 핀 기반 센서가 의료 응용 및 식품 안전에 효과적으로 사용될 수 있음을 증명했습니다 [104]. 또 다른 그래핀 기반 H₂ O₂ 센서는 Yin et al.에 의해 준비되었습니다. [105]. 그들의 연구에서 Yin과 동료들은 Ni₃로 장식된 전도성 3차원(3D) 그래핀 에어로겔(GA)을 합성했습니다. 열수 방법을 사용하는 N NP. 특성화 결과 Ni₃ 그들이 얻은 N/GA 합성물은 H₂뿐만 아니라 적용될 수 있습니다. O₂ 뿐만 아니라 포도당 측정. 그들은 Ni₃ N/GA 기반 전극, H₂ 측정 시 O₂ , 5μM–75.13mM의 감지 범위, 101.9μAmM⁻¹ 감도로 높은 전기화학적 성능을 보여주었습니다. cm⁻² , 1.80 µM의 낮은 검출 한계. 또한 포도당 측정을 위해 설계된 전극의 검출 범위는 0.1–7645.3μM, 검출 한계는 0.04μM, 감도는 905.6μA mM⁻¹ 임을 강조했습니다. cm⁻² [105].

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그래핀 기반 바이오센서 및 그 메커니즘의 표현

최근에는 실제 포도당 검출을 위한 그래핀 기반 바이오센서에 대한 관심이 뜨겁다고 할 수 있다. 예를 들어, Đurđić et al. [106] Bi₂ 기반 일회용 바이오센서 합성 성공 O₃ - 공동 침전으로 GNR을 장식했습니다. 특성화 결과, 그들은 획득한 센서의 감지 한계가 0.07mM, 선형 범위가 0.28~1.70mM, 감도가 64.81μA/mMcm² 임을 입증했습니다. . 따라서 그들은 그래핀 기반 센서가 재현 가능하고 안정적인 혈청 및 소변 샘플의 포도당을 감지할 수 있다고 제안했습니다[106]. 같은 해에 NiCo₂가 포함된 3D 질소 도핑된 다공성 그래핀 하이드로겔(NHGH)의 단일 포트 열수 합성에 의해 유용한 포도당 바이오센서가 성공적으로 설계되었습니다. O₄ 나노플라워(NHGH/NiCo₂ O₄ ) Lu와 팀. 그들은 얻은 나노복합체로 GCE를 수정하고 수정된 전극의 포도당 측정 시 전기화학적 성능을 평가했습니다. 먼저, 50mV s⁻¹ 스캔 속도의 0.1M NaOH 용액에서 CV를 받았습니다. , 전기화학적 촉매 성능을 조사합니다. 그들은 NHGH/GCE가 베어 GCE의 약한 양극 피크 전류보다 0.5V의 증가된 산화 피크 전류를 가지고 있다고 보고했습니다. 더욱이 그들의 연구에서 그들은 산화환원 피크 쌍이 보이는 것을 관찰했는데, 이는 NHGH/NiCo₂의 전기화학적 활성이 O₄ /GCE는 다른 전극에 비해 가장 높습니다. 그들은 이러한 개선을 그래핀의 확장된 표면적에 기인합니다, 우수한 전도성, Co 및 Ni의 산화 환원 반응. 또한, 그들은 5.0mM 포도당 첨가에서 전극의 전기화학적 촉매 성능을 보여주었습니다. NHGH/NiCo₂를 해석했습니다. 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 , 나 ) 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.

결론 및 전망

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.