Aktuelle Fortschritte bei Metalloxid-Graphen-CNT-Nanobiosensoren

Zusammenfassung

Nanobiosensoren sind praktische, empfindliche Analysatoren, die chemische und biologische Wirkstoffe detektieren und die Ergebnisse in aussagekräftige Daten umwandeln. Dies geschieht durch die Interaktion zwischen einem biologisch aktiven Molekül und einem Erkennungselement, das auf der Oberfläche des Signalwandlers durch einen physikochemischen Detektor immobilisiert ist. Aufgrund ihrer schnellen, präzisen und zuverlässigen Betriebseigenschaften finden Nanobiosensoren breite Anwendung in klinischen und nicht-klinischen Bereichen, bei Betten-Seiten-Tests, in der medizinischen Textilindustrie, der Umweltüberwachung und der Lebensmittelsicherheit. Sie spielen in diesen kritischen Anwendungen eine entscheidende Rolle. Daher ist das Design der Biosensing-Schnittstelle maßgeblich für die Leistungsfähigkeit des Nanobiosensors.

Die einzigartigen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Nanomaterialien haben den Weg für neue und verbesserte Sensorgeräte in Biosensoren geebnet. Die wachsende Nachfrage nach Geräten mit verbesserter Sensitivität und Selektivät, kurzer Ansprechzeit, niedrigerer Nachweisgrenze und geringen Kosten treibt neuartige Untersuchungen an Nanobiomaterialien voran, die als Biosensor-Gerüste dienen sollen. Unter allen Nanomaterialien haben Studien zur Entwicklung von Nanobiosensoren auf Basis von Metalloxid-Nanostrukturen, Graphen und seinen Derivaten, Kohlenstoffnanoröhren sowie die weit verbreitete Nutzung dieser Nanomaterialien als Hybridstrukturen kürzlich große Aufmerksamkeit erregt. Nanohybridstrukturen, die durch die Kombination dieser Nanostrukturen entstehen, werden mit ihren hohen elektrokatalytischen Aktivitäten direkt den zukünftigen Anforderungen an Biosensoren gerecht.

Dieser Übersichtsartikel beleuchtet die jüngsten Entwicklungen bei diesen Nanomaterialien und ihren Derivaten sowie deren Einsatz als Biosensor-Gerüste. Wir bewerten diese populären Nanomaterialien anhand vergleichender Studien, Tabellen und Diagramme.

Einleitung

Ein Biosensor ist ein diagnostisches Gerät, das Signale eines biologischen Analyten in ein messbares und unterscheidbares elektrisches Signal umwandelt, um den Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu detektieren, der mit anderen physikochemischen Substanzen verunreinigt sein kann [1]. Der erste bekannte Biosensor wurde von Clark et al. [2] zur Detektion von Sauerstoff entwickelt, und der erste amperometrische Enzym-Elektrode, entwickelt von Clark und Lyons [3], war ein enzymbasierter Glukose-Biosensor. Im Laufe der Jahre wurden enzymbasierte, gewebe-basierte, DNS-basierte sowie thermische, optische und elektrochemische Biosensor-Typen entwickelt. Biosensoren liefern in einigen Anwendungen wie klinischer Diagnostik, Biomedizin, Lebensmittelproduktion und -analyse stabilere und präzisere Ergebnisse als traditionelle Methoden [2, 4]. Zudem haben sich aufgrund von Eigenschaften wie Spezifität, Selektivität, Kosteneinsparungen bei einfacher Handhabung, Echtzeit-Analyse und kontinuierlicher Nutzung verschiedene Biosensor-Typen in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts rasant entwickelt und sind in medizinischen, umwelttechnischen und forensischen Bereichen weit verbreitet [5]. Ihr intensiver Einsatz in diesen kritischen Anwendungsbereichen hat erwartete Merkmale an Biosensoren hervorgebracht: hohe Sensitivität, Stabilität, hohe Selektivität, lange Lebensdauer, Wiederholbarkeit, Einfachheit und Kostengünstigkeit, breiter Messbereich und schnelle Ansprechzeit [6].

Laut der Internationalen Union für Reine und Angewandte Chemie (IUPAC) bestehen Biosensoren aus drei Hauptkomponenten: biologisches Erkennungselement, Wandler-Komponente und elektronisches System, das oft mit dem Wandler kombiniert ist. Als integrierte Rezeptor-Wandler-Geräte können Biosensoren selektive quantitative oder semi-quantitative analytische Informationen mithilfe eines biologischen Erkennungselements liefern [7] (Abb. 1). Innerhalb dieses Rahmens können Nukleinsäuren, Enzyme, Antikörper, Rezeptoren, Mikroorganismen, Zellen, Gewebe und sogar biomimetische Strukturen als Biorezeptoren für die biologische Detektion dienen.

Das Design eines Biosensors ist von großer Bedeutung für schnelle und bequeme Tests unter allen Umständen und Positionen, in denen der Analyt auftreten kann. Dabei haben auch die Materialien der Wandler-Komponente einen signifikanten Einfluss auf die Detektionsqualität. Physikalische Wandler variieren erheblich je nach quantifizierbarer Signalquelle und nutzen überwiegend optische und elektrochemische Systeme [5]. Die physikochemischen, elektronischen/optischen/elektrochemischen Eigenschaften des als physikalischer Wandler verwendeten Materials beeinflussen direkt die Leistung von Biosensoren. Darüber hinaus werden die Effizienz und Wirksamkeit von Biosensoren durch die Matrices, Mediatoren und Stabilisatoren bestimmt, die für die Enzymimmobilisierung verwendet werden. Daher spielen die Eigenschaften des Materials, aus dem die physikalische Wandler-Komponente hergestellt wird, eine entscheidende Rolle für Merkmale wie hohe Signalstabilität, Wiederholbarkeit und Selektivität von Biosensoren. Unter den drei genannten Komponenten eines Biosensors konzentriert sich dieser Übersichtsartikel hauptsächlich auf jüngste Entwicklungen bei der Oberflächenfunktionalisierung von Wandler-Komponenten mittels Nanomaterialien.

Wandler lassen sich hauptsächlich in vier Klassen einteilen: elektrochemisch, biolumineszent, piezoelektrisch, kalorimetrisch und optisch. Die Wandler-Oberfläche kann durch viele verschiedene Funktionsmaterialien modifiziert werden, um die Sensorleistung zu verbessern. Auch die Kontrolle von Struktur, Morphologie und Eigenschaften dieser Materialien kann hierbei helfen. Unter diesen Materialien haben nanoskalige Materialien, als Nanomaterialien bezeichnet, aufgrund ihrer einzigartigen größenabhängigen Eigenschaften wie großer Oberfläche, verbesserter elektrischer Leitfähigkeit und hoher chemischer Reaktivität großes Potenzial, für die Entwicklung neuartiger, adaptiver und hochsensitiver Biosensoren für breitere Anwendungsbereiche entscheidend zu sein. Angesichts dieser außergewöhnlichen Eigenschaften zählen Nanomaterialien zu den bevorzugten Kandidaten, um die gewünschten Anforderungen für den Aufbau hochsensitiver Biosensoren zu erfüllen [6].

Um als Nanomaterial zu gelten, sollte mindestens in einer Dimension die Größe zwischen 1 und 100 nm liegen [8]. Aufgrund ihrer winzigen Größe befinden sich in Nanomaterialien die meisten Atome nahe der Oberfläche oder auf der Oberfläche. Diese Nanopartikel (NPs), die durch bemerkenswerte Eigenschaften wie verbesserte physikochemische Eigenschaften, größere Oberfläche und verkürzte Elektronendistanzen gekennzeichnet sind, zeigen einen signifikanten Unterschied zu ihren makroskopischen Pendants. Dadurch werden gesteigerte Leistungen in optischen, thermischen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften dieser nanoskaligen Materialien aufrechterhalten, was sie hochwirksam für den Einsatz als Biosensor-Komponenten macht. Zudem bieten nanoskalige Materialien mit größerer Oberfläche geeigneten Raum für die Immobilisierung einer ausreichenden Anzahl von Biorezeptoren auf der Elektrodenoberfläche. Daher zeigen Forscher مؤخرes großes Interesse an der Herstellung, Charakterisierung und Nutzung von Nanomaterialien für Biosensor-Anwendungen [9, 10].

Unter allen Nanomaterialien stechen Metalloxid-Nanostrukturen (MONs), Graphen und seine Derivate sowie CNTs aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften hervor [11, 12]. MONs weisen aufgrund ihrer beeindruckenden morphologischen Vielfalt, Ungiftigkeit und Biokompatibilität signifikante katalytische Eigenschaften auf. Es sei auch angemerkt, dass MONs eine geeignete Struktur für die Immobilisierung von Biomolekülen bieten.

Ihr Kristallgitter, das eine Modifikation der Zellparameter und elektrochemischen Eigenschaften durch den Quantengrößen-Effekt ermöglicht, sowie die Steuerbarkeit des Bandabstands durch Veränderung ihrer Oberflächeneigenschaften, die Leitfähigkeit und chemische Reaktivität beeinflussen, machen sie hochpotenzial für den Einsatz als Biosensing-Elemente und unterscheiden MONs von ihren Volumen-Pendants [12, 13]. Darüber hinaus wurden MONs in jüngster Zeit umfangreich mit Kohlenstoff-Nanomaterialien wie Graphen und CNTs kombiniert, um Nanohybridstrukturen zu bilden und diese Eigenschaften weiter zu verbessern. Dies erhöht die elektrokatalytische Reaktivität für Detektion und Diagnostik, um zukünftige Anforderungen wie Sensitivität und Selektivität eines Biosensors zu erfüllen [14].

Die Hybridisierung dieser Kohlenstoff-Nanomaterialien mit MONs ermöglicht die Herstellung fortschrittlicher Biosensoren mit einer oder mehreren Funktionen, ausgestattet mit überlegenen optischen, magnetischen und elektrischen Eigenschaften [14,15,16]. Graphen und seine Derivate lassen sich leicht mit anderen Nanomaterialien integrieren, um Nanohybridmaterialien mit gewünschter elektrochemischer Aktivität zu schaffen [13, 17, 18]. So wird Graphen in vielen Anwendungen als nützliches Werkzeug angesehen, um den Elektronentransfer zur Redox-Reaktion von Proteinen zu fördern [19]. Allerdings sind die physikalische Stabilität von Graphen in biologischer Umgebung und seine Toxizitätsbewertung für Zellen weiterhin umstritten [20,21,22]. Im Gegensatz dazu weisen CNTs aufgrund ihrer sich ändernden Chiralität variable optische Eigenschaften auf, was sie in optischen Biosensing-Anwendungen gegenüber Graphen vorteilhaft macht [23]. CNTs verfügen über herausragende elektrochemische Fähigkeiten, sind leicht chemisch modifizierbar und besitzen wie Graphen ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen [24]. Hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften ist Graphen aufgrund seiner einlagigen zweidimensionalen Natur bei Umgebungsbedingungen mit seinem gesamten Volumen exponiert, während diese Exposition bei eindimensionalen (1D) CNTs begrenzt ist [25]. Zudem wurde in vielen Vorstudien berichtet, dass Graphen aufgrund seiner hervorragenden biomolekularen Sensoreigenschaften und Signal-Rausch-Verhältnisses eine höhere Selektivität gegen Interferenzen aufweist als CNTs. Dies ist hauptsächlich auf die metallfreien graphitischen Kanten von Graphen mit großer Oberfläche zurückzuführen. Dennoch bestehen bei CNTs-basierten Biosensoren Probleme wie Signalstörungen aufgrund der Anwesenheit von Restmetallkatalysatoren [25]. Angesichts all dieser Aspekte könnten Nanohybride, die durch die Kombination von Graphen- und/oder CNTs-Strukturen entstehen, eine entscheidende Rolle im Design fortschrittlicher Biosensoren spielen, und die Kompensation der Nachteile beider Materialien durch die Bildung einer Kompositstruktur würde diese Probleme überwinden und die Detektion maximieren. Die Nutzung der Kooperation, die durch die Kompositstruktur von MONs, Graphen und CNTs entsteht, scheint unverzichtbar, um eine verbesserte Signalverstärkung bereitzustellen und fortschrittliche Bioaffinitätsstrategien vorzubereiten, was zur Entwicklung verbesserter Biosensing-Geräte führt, die zukünftigen Anforderungen gerecht werden. Daher liegt der Fokus dieses Reviews auf kürzlich realisierten MONs-, Graphen- und CNTs-basierten Biosensoren. Zudem wird die kritische Rolle der Verwendung dieser Nanomaterialien nicht nur einzeln, sondern auch in Kombination bei der Herstellung von Biosensoren mit überlegenen Eigenschaften, die durch ihre Kombination erzielt werden, diskutiert. Durch die Bewertung zukünftiger Erwartungen und Herausforderungen möchten wir eine alternative Perspektive für weitere Studien aufzeigen.

Metalloxid-Nanostruktur-basierte Biosensoren

Metalloxide (MOs) sind seit den ersten Biosensor-Studien 1954 wesentliche Kandidaten für Sensoranwendungen [26, 27]. MOs können in verschiedenen Nanomorphologien synthetisiert werden, wie NPs [28, 29], Nanofasern [30], Nanosphären (NSs) [31], Nanostäbe [32], Nanoröhren und Nanodrähte (NWs) [33], Nanosheets [34, 35]. Neben der morphologischen Vielseitigkeit bieten MONs Vorteile: hohes Oberflächen-/Volumenverhältnis, Ungiftigkeit, gute Biokompatibilität, chemische Stabilität, ausgezeichnete Selektivität, Elektronen- und Phononenbegrenzung, hohe katalytische Effizienz und starke Adsorptionsfähigkeit, physikochemische Grenzflächeneigenschaften [36,37,38,39,40]. Zudem können MONs über relativ einfache und kosteneffektive Methoden hergestellt werden, wie Radiofrequenz (RF) Magnetron-Sputtern [41,42,43], thermische Verdampfung [44, 45], plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) [46, 47], Molekularstrahlepitaxie [48], Sol-Gel-Technik [49], elektrochemisches Abscheidungsverfahren [50] und hydrothermale Methode [51]. Diese signifikanten Eigenschaften haben MONs zu einem der begehrtesten Materialien für biomedizinische Anwendungen und den Biosensor-Markt gemacht. Publikationen zu MONs von 2010 bis 2020 wurden analysiert und in Abb. 2 als Kreisdiagramm dargestellt, das die Verteilung biomedizinischer Anwendungen von MONs zeigt.

In den letzten Jahren wurden vorwiegend verschiedene MONs wie ZnO, Fe₃O₄, CuO, NiO, TiO₂, MgO kontinuierlich als vielseitige und funktionale Biosensoren über einen langen Zeitraum hergestellt [44, 52]. Unter den MONs gelten ZnO und Fe₃O₄ aufgrund ihrer weit verbreiteten Anwendungen als prominente Mitglieder im Biosensor-Aufbau [53, 54].

ZnO-Nanostrukturen

ZnO-Nanostrukturen spielen eine umfangreiche Rolle bei der Herstellung neuartiger nanostrukturierter Biosensoren aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften, darunter hoher isoelektrischer Punkt (IEP ~ 9,5) [55], breite Bandlücke, nützliche Elektronenkommunikationseigenschaft, hohe chemische Stabilität, gute Biokompatibilität und Piezoelektrizität. Insbesondere erklärt der hohe isoelektrische Punkt deutlich, warum ZnO das am häufigsten eingesetzte Metalloxid für Biosensing-Technologien ist. Zudem kann ZnO in allen klinischen oder nicht-klinischen Anwendungen eingesetzt werden, da es ein umweltfreundliches und sicheres Material ist [53, 54, 56]. So entwickelten Akhtar et al. [57] einen reagentfreien optischen Biosensor basierend auf dem Mechanismus der Fluoreszenzverstärkung für die Amyloid-Detektion bei der Diagnose neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer und insulinabhängigem Typ-II-Diabetes, indem sie blütenartige ZnO-Nanostrukturen mit größerer Oberfläche nutzten. Außerdem wurde berichtet, dass ZnO-Nanoblüten ein gutes leistungssteigerndes Material darstellen, das einen schnelleren und kosteneffektiveren Amyloid-Biosensor ermöglicht [57]. Weiterhin wurde ein Glukose-Biosensor auf Basis eines ZnO-Nanostab-Feldeffekttransistors (FET) für die tragbare kontinuierliche Glukoseüberwachung bei Diabetikern von Zong und Zhu [54] mittels hydrothermaler Methode hergestellt. Sie erreichten einen hochleistungsfähigen Biosensor mit einer hohen Sensitivität von 1,6 mA/µM cm² bei einer winzigen Sensierfläche von 180 µm² und einer Nachweisgrenze von 1 µM, begünstigt durch das große Oberflächen-/Volumenverhältnis der ZnO-Nanostäbe [54]. Sahyar et al. [58] entwickelten einen neuen Ag-dotierten ZnO-NP-basierten Biosensor für die Früherkennung von Fleischverderb. Als Ergebnis ihrer Analyse mit einer Xanthinoxidase (XO)-modifizierten Elektrode (nanoAg-ZnO/Polypyrrol (PPy)/Bleistift-Graphitelektrode) stellten sie fest, dass der erhaltene Enzymbiosensor eine hohe Selektivität mit 0,03 µA/mM Sensitivität und 0,07 µM niedriger Nachweisgrenze aufwies [58].

In einer weiteren Studie entwickelten Yue et al. [59] erfolgreich einen idealen Dopamin (DA)-Biosensor basierend auf Au-NP-ZnO-Nanokegel-Arrays/Graphen-Schaum-Elektroden. In ihren Charakterisierungen wiesen sie nach, dass die modifizierte Elektrode eine hohe Sensitivität (4,36 µA µM⁻¹) und eine niedrige Nachweisgrenze (0,04 µM, S/N = 3) bei der DA-Detektion aufweist. Darüber hinaus berichteten sie, dass die ZnO-Nanokegel-basierte Elektrode eine ausgezeichnete Selektivität, gute Reproduzierbarkeit und Stabilität unter Harnsäure (UA)-Interferenz zeigte. Sie betonten auch, dass die Elektrode großes Potenzial in Medizin und Gesundheitswesen besitzt [59]. Im selben Jahr entwickelte Qian et al. einen elektrochemischen Glukose-Detektor باستخدام ZnO-NPs. Der Sensor besteht aus einem CeO₂-Nanoborsten, dekoriert mit ZnO-NPs, und sie stellten fest, dass die ZnO/CeO₂-Nanokompositstruktur eine umfangreiche Oberfläche, Ungiftigkeit und hohe elektrokatalytische Aktivität aufweist. Das Nanokomposit zeigte eine außergewöhnliche Leistung bei der Glukosedetektion mit einem linearen Bereich von 0,5–300 µM und einer Nachweisgrenze (LOD) von 0,224 µM (40 ppb). Sie betonten auch, dass der Nanokomposit-Sensor eine ausgezeichnete lineare Beziehung zwischen Stromsignalintensität und Glukosekonzentration aufwies (R² = 0,99944) [60]. Ein weiterer Glukose-Biosensor wurde von Rafiee et al. [61] entwickelt, indem Graphen-Nanoplatelets (GNPs), bekannt für ihre hohe Leitfähigkeit und chemische Stabilität, und ZnO-Nanodrähte (NWs), bekannt für ihre Glukoseempfindlichkeit, kombiniert wurden. In ihrer Studie modifizierten sie die Gerätestruktur wie einen Glukose-Biosensor, indem sie ZnO-Nanodrähte auf Dünnschichten von GNPs in drei verschiedenen Konzentrationen (0,5, 1 und 2 mg) synthetisierten, definiert als GNP1, GNP2 und GNP3. Das System zeigte, dass der Dualeffekt von ZnO-Nanodrähten und GNPs zu einer perfekten Verbesserung für einen effizienten Glukose-Biosensor führte. So stellten sie fest, dass bei niedrigen Glukosekonzentrationen die Geräteantwort mit zunehmender Graphenmenge in der Lösung anstieg und die Sensoransprechzeit mit steigender Anzahl an GNPs abnahm. Zudem berichteten sie, dass Langzeitstabilität, nämlich ein konsistenter Widerstand-Konzentrationsbezug, ein wichtiges Kriterium für einen idealen Biosensor, in mit GNPs modifizierten Proben nach Exposition gegenüber 30 mg/dL Glukose über 30 Tage beobachtet wurde. Folglich präsentierten sie einen idealen Glukose-Biosensor mit nützlichen Eigenschaften: Ansprechzeit von 5 s, Detektionsbereich von 0,003–30.000 mg/dL und langfristiger elektrischer Stabilität [61]. Neben diesen Studien sind in Tabelle 1 einige weitere aktuelle Studien aufgeführt, die verschiedene ZnO-Nanostrukturen für die Detektion verschiedener Enzyme verwenden.

Angesichts der aktuellen Studien in Tabelle 1 lässt sich feststellen, dass ZnO-Strukturen durch zahlreiche Methoden mit variierenden Morphologien hergestellt werden und aufgrund ihrer einfachen Integration in Kompositstrukturen weiterhin weit verbreitet sind. Herstellungsalternativen und morphologische Vielseitigkeit sowie die Bildung von Nanokomposit- und Nanohybridstrukturen mit anderen Nanomaterialien, insbesondere mit Kohlenstoff-Nanostrukturen, bieten ZnO-Strukturen ein außerordentliches Potenzial, die erwarteten Eigenschaften eines idealen Biosensors mit voller Effizienz zu erfüllen.

Fe₃O₄-Nanostrukturen

In den letzten Jahren hat die Fe₃O₄-Nanostruktur großes Interesse in vielen vielversprechenden Anwendungen geweckt, darunter Biosensoren, Arzneimittelabgabe, Zelltrennung und Pharmazie, dank ihrer überlegenen Eigenschaften wie guter Biokompatibilität, niedriger Toxizität, Superparamagnetismus, katalytischer Aktivität und einfacher Herstellungs- und Modifikationsprozesse. Magnetische Fe₃O₄-NPs eignen sich aufgrund ihrer einfachen Trennbarkeit aus dem Medium durch ihre magnetische Natur für die Immobilisierung gewünschter Biomoleküle wie Enzyme [73,74,75,76]. Fe₃O₄-magnetische NPs und ihre Derivate wurden in der Biosensor-Technologie umfangreich eingesetzt, und verschiedene attraktive Studien wurden in der Literatur diskutiert [75, 78]. In diesem Kontext entwarfen Sanaeifar et al. [75] einen neuen elektrochemischen Biosensor für die Glukosedetektion. Sie bewerteten die elektrochemische Leistung des Nanokomposits, das durch Dispergieren von Fe₃O₄-magnetischen NPs, hergestellt via Co-Fällungsmethode in Polyvinylalkohol (PVA), hergestellt wurde. Sie berichteten, dass Fe₃O₄-NPs in der PVA-Matrix mit ausgezeichneten katalytischen Eigenschaften gegen immobilisierte Glukoseoxidase die Elektronentransferraten zwischen Enzym und Elektrodenoberfläche erhöhten. Die hergestellte Bioelektrode konnte Glukose im Bereich von 5 × 10⁻³ bis 30 mM mit einer Sensitivität von 9,36 µA mM⁻¹ messen und zeigte eine Nachweisgrenze von weniger als 8 µM [75]. Dong et al. [79] entwickelten Ag/Fe₃O₄-Kern-Schale-NSs-basierte Sensoren, hergestellt via einfachem solvothermalem Ansatz, für die Detektion von Hydrazin zum Umweltschutz. Sie berichteten, dass der hochleistungsfähige Hydrazin-Sensor eine Ansprechzeit von 2 s, einen linearen Bereich von 0,25–3400 µm, eine Sensitivität von 270 µA mM⁻¹ cm⁻² und eine Nachweisgrenze von 0,06 µM aufweist. Ein Vergleich der Werte zeigt, dass ein weit überlegener Hydrazin-Sensor im Vergleich zu anderen Sensoren in der Literatur entwickelt wurde [79].

In einer weiteren Studie entwickelten Sriram et al. [80] ein Fe₃O₄-NSs/reduziertes Graphenoxid (rGO)-Nanokomposit zur Detektion von UA in Urin- und Blutserumproben. Als Ergebnis ihrer elektrochemischen Analyse zeigten Fe₃O₄-NSs/reduziertes Graphenoxid (rGO)-Nanokomposite mit hoher Stabilität und Wiederholbarkeit einen ausgezeichneten elektrochemischen Reduktionspeak. Zudem betonten sie, dass der lineare Bereich des von ihnen entwickelten UA-Sensors zwischen 0,02 und 783,6 µM lag und die LOD 0,12 nM betrug [80]. Ebenso wurde ein neuer Biosensor für die DA-Detektion durch Kombination von Graphenoxid (GO) und Fe₃O₄ von Cai et al. [81] entwickelt. In ihrer Studie synthetisierten sie erfolgreich ein Fe₃O₄/GO/pristines Graphen (PG) ternäres Komposit durch Dispergieren und Co-Fällungsmethoden. Später deponierten sie das Nanokomposit mittels Tropftechnik auf die Arbeitselektrode, eine Glaskohleelektrode (GCE). Der höchste Peakstrom wurde in zyklischen Voltammogrammen (CVs) für Fe₃O₄/GO/PG-Strukturen aufgezeichnet. Ebenso gehörte der höchste Peakstrom in Gegenwart von DA zur Fe₃O₄/GO/PG/GCE-Probe. Sie hoben auch eine Zunahme des Peakstroms für die Fe₃O₄/GO/PG/GCE-Probe aufgrund erhöhter DA-Konzentration hervor. Schließlich stellten Cai et al. fest, dass der elektrochemische Sensor effektiv für die DA-Detektion eingesetzt werden kann [81]. Einige repräsentative Studien zu Fe₃O₄-Nanostrukturen als Biosensor-Komponente sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Trotz ihrer überlegenen Eigenschaften haben magnetische Fe₃O₄-Nanostrukturen einschränkende Probleme in Biosensor- und biologischen Anwendungen. Aufgrund ihrer hohen Oberflächenenergie, chemischen Reaktivität und starker magnetischer Wechselwirkungen neigen sie extrem zur Agglomeration, was Schwierigkeiten bei der Stabilisierung magnetischer Fe₃O₄-Nanostrukturen schafft. Um dieses Problem zu überwinden, wird die Oberfläche von Fe₃O₄-Nanostrukturen mit Polymerschichten beschichtet [95]. Allerdings kann die Beschichtung der Oberfläche mit Polymer die Effizienz in elektrochemischen Biosensor-Anwendungen verringern. Daher können bei der Stabilisierung magnetischer Fe₃O₄-Nanostrukturen Biomoleküle wie Gene, Zellen, Enzyme, Proteine und andere wesentliche Nanostrukturen (Graphen, CNTs, Quantenpunkte, NPs etc.) verwendet werden. Daher lässt sich vorhersagen, dass komplexe Nanohybrid- und Nanokompositsysteme auf Basis magnetischer Fe₃O₄-Nanostrukturen in Zukunft ein Phänomen bei der Herstellung neuer Generationen von Biosensoren werden.

Letztlich präsentieren MO-basierte Biosensoren, die verschiedene Nanostrukturen einbeziehen, einzigartige und neuartige Funktionen in praktischen und industriellen Anwendungen. Nanostrukturen von MOs beeinflussen die Entwicklung hochsensitiver, schneller und stabiler Biosensoren stark aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften. Zudem besitzt jede Art von Nanostrukturen und Metalloxiden ihre eigenen Vorteile. Daher sind neue Fortschritte bei Sensorgeräten in der Biotechnologie wahrscheinlich. Außerdem ist zu erkennen, dass Nanokohlenstoffstrukturen in jüngsten Studien viel Raum erhalten haben und MOs gemeinsam mit ihnen eingesetzt werden. Daher wird sich der zweite Teil dieser Arbeit auf die beiden am häufigsten verwendeten Nanokohlenstoffe (Graphen und CNTs) in Biosensoren konzentrieren.

Graphen und seine Derivate-basierte Biosensoren

Graphen ist eines der beliebtesten Allotrope von Kohlenstoff, genau wie Graphit, CNTs, Fulleren, Diamant. Es ist eine zweidimensionale Schicht aus sp²-hybridisierten Kohlenstoffatomen. Nach der Entdeckung von Graphen durch Geim und Novoselov hat es weltweit in verschiedenen Disziplinen wie transparente Elektroden, Energiespeicherung, Arzneimittelabgabe, Biosensoren, Superkondensatoren, Batterien und Katalyse große Aufmerksamkeit erregt [96, 97]. Graphen kann wie viele andere Nanomaterialien durch Top-Down-Methoden (mechanische Exfoliation, chemische Exfoliation, chemische Synthese) und Bottom-Up-Methoden (Pyrolyse, epitaktisches Wachstum, chemische Gasphasenabscheidung (CVD)) synthetisiert werden [97]. Unterschiedliche Herstellungsmethoden führen zum Vorhandensein zahlreicher graphenähnlicher Materialien wie Graphen, GQDs, GO, rGO, Graphen-Nanobänder (GNRs), Nanogitter, Nanosheets [98]. Die häufig verwendeten Derivate sind in Abb. 3 dargestellt.

Graphen besitzt gute thermische Leitfähigkeit (5000 W/mK), hohe Elektronenbeweglichkeit bei Raumtemperatur (250.000 cm²/V s), große Oberfläche (2630 m²/g), hohen Elastizitätsmodul (21 T Pa) und gute elektrische Leitfähigkeit [99]. Darüber hinaus machen die atomare Dicke der Graphen-Schichten und ihre große Oberfläche das Material empfindlich gegenüber Änderungen der Bedingungen. Somit machen Graphens Oberflächeneigenschaften, bei denen jedes Atom direkt kontaktiert werden kann, es umgebungsempfindlich. Daher ist es im Vergleich zu anderen Materialien ein hervorragender Kandidat für Sensoranwendungen [4, 100, 101]. Die Studien des letzten Jahrzehnts zu Graphen und seinen Derivaten wurden analysiert und in Abb. 4 als Kreisdiagramm dargestellt, das die Verteilung biomedizinischer Anwendungen von Graphen zeigt. Es lässt sich feststellen, dass Forscher sich aufgrund der oben genannten Eigenschaften von Graphen hauptsächlich auf den Bereich Biosensoren konzentrieren.

Wie im ersten Abschnitt erwähnt, werden einige Biosensoren durch Kombination von Graphen und Graphen-Derivaten mit MONs hergestellt. In diesem Teil des Reviews konzentrieren wir uns auf Biosensoren basierend auf Graphen und seinen Derivaten. Eine allgemeine Darstellung und der Mechanismus von Graphen-basierten Biosensoren sind in Abb. 5 dargestellt. Hier interagieren Analyten mit der/den Funktionsgruppe(n) auf der Graphen-Oberfläche, und elektrochemische, optische oder andere Ausgänge können basierend auf dieser Interaktion gewonnen werden [96, 97, 103]. So entwickelten Mani et al. [104] ein ternäres Nanobiokomposit basierend auf rGO-Nanobändern/MWCNTs/Chitosan für die sensitive und selektive Detektion von H₂O₂ und NO₂⁻. Sie untersuchten die vorteilhaften Eigenschaften des Biosensors in Kontaktlinsen-Reinigungslösung und Fleischproben. Sie berichteten, dass für H₂O₂ der Nanobiokomposit-basierte Sensor eine Sensitivität von 0,616 µA µM⁻¹ cm⁻², eine Nachweisgrenze von 1 nM und einen linearen Bereich von 0,001–1625 µM aufwies, während diese Werte für NO₂⁻ bei 0,643 µA µM⁻¹ cm⁻², 10 nM und 0,01–1350 µM lagen. Damit bewiesen sie, dass der Graphen-basierte Sensor effektiv in medizinischen Anwendungen und Lebensmittelsicherheit eingesetzt werden kann [104]. Ein weiterer Graphen-basierter H₂O₂-Sensor wurde von Yin et al. [105] hergestellt. In ihrer Studie synthetisierten Yin und Kollegen leitfähige dreidimensionale (3D) Graphen-Aerogele (GA), dekoriert mit Ni₃N-NPs, mittels hydrothermaler Methode. Als Ergebnis ihrer Charakterisierung zeigten sie, dass die erhaltenen Ni₃N/GA-Komposite nicht nur für H₂O₂, sondern auch für die Glukosebestimmung angewendet werden konnten. Sie berichteten, dass die Ni₃N/GA-basierte Elektrode bei der Bestimmung von H₂O₂ eine hohe elektrochemische Leistung mit einem Detektionsbereich von 5 µM–75,13 mM, einer Sensitivität von 101,9 µA mM⁻¹ cm⁻² und einer niedrigen Nachweisgrenze von 1,80 µM demonstrierte. Für die Glukosebestimmung betonten sie, dass die entworfene Elektrode einen Detektionsbereich von 0,1–7645,3 µM, eine Nachweisgrenze von 0,04 µM und eine Sensitivität von 905,6 µA mM⁻¹ cm⁻² aufweist [105].

Man kann sagen, dass recently großes Interesse an Graphen-basierten Biosensoren für die praktische Detektion von Glukose besteht (Tabelle 3). So synthetisierten Đurđić et al. [106] erfolgreich einen Einweg-Biosensor basierend auf Bi₂O₃-dekorierten GNRs durch Co-Fällung. Als Ergebnis ihrer Charakterisierung bewiesen sie, dass der erhaltene Sensor eine Nachweisgrenze von 0,07 mM, einen linearen Bereich von 0,28–1,70 mM und eine Sensitivität von 64,81 µA/mMcm² aufwies. Damit schlugen sie vor, dass der Graphen-basierte Sensor Glukose in Blutserum- und Urinproben reproduzierbar und stabil detektieren könne [106]. Im selben Jahr wurde ein nützlicher Glukose-Biosensor erfolgreich durch die Eintopf-hydrothermale Synthese eines 3D stickstoffdotierten porösen Graphen-Hydrogels (NHGH) mit NiCo₂O₄-Nanoblüten (NHGH/NiCo₂O₄) von Lu und Team entworfen. Sie modifizierten die GCE mit dem erhaltenen Nanokomposit und bewerteten die elektrochemische Leistung der modifizierten Elektrode bei der Glukosebestimmung. Zunächst erhielten sie CVs in 0,1 M NaOH-Lösung mit einer Scanrate von 50 mV s⁻¹, um die elektrochemisch katalytische Leistung zu untersuchen. Sie berichteten, dass NHGH/GCE einen erhöhten Oxidationspeakstrom von 0,5 V im Vergleich zum schwachen anodischen Peakstrom der blanken GCE aufwies. Zudem beobachteten sie in ihrer Studie, dass das Redox-Peak-Paar sichtbar ist, was darauf hinweist, dass die elektrochemische Aktivität von NHGH/NiCo₂O₄/GCE im Vergleich zu anderen Elektroden am höchsten ist. Dies schrieben sie der erweiterten Oberfläche von Graphen, guter Leitfähigkeit und den Redox-Reaktionen von Co und Ni zu. Darüber hinaus zeigten sie die elektrochemisch katalytischen Leistungen der Elektroden bei der Zugabe von 5,0 mM Glukose. Sie interpretierten NHGH/NiCo₂O₄/GCE mit dem höchsten Peakstrom bei 0,5 V als klaren Hinweis darauf, dass Glukoseoxidation besser katalysiert werden konnte als an anderen Elektroden aufgrund des Dualeffekts von NiCo₂O₄ und NHGH. Sie berichteten auch, dass die Peakströme linear mit steigender Glukosekonzentration zunahmen und der NHGH/NiCo₂O₄-basierte Glukosesensor eine breite lineare Beziehung zwischen Peakstrom und Glukosekonzentration in den Bereichen 5 µM–2,6 mM und 2,6 mM–10,9 mM aufwies. Zudem betonten sie, dass NHGH/NiCo₂O₄/GCE eine hohe Sensitivität (2072 µA mM⁻¹ cm⁻²) und eine niedrige Nachweisgrenze (0,39 µM) besitzt. Als Ergebnis schlugen sie die Verwendung für eine präzise Glukosebestimmung in echten Blutproben vor [107].

Wie in Tabelle 3 zu sehen, sind Graphen und seine Derivate aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften zu einem unverzichtbaren Baustein für Biosensor-Anwendungen geworden. Betrachtet man die kürzlich durchgeführten Studien (Tabelle 3), ist es bemerkenswert, dass Graphen und seine Derivate in hybriden Nanostrukturen mit MONs eingesetzt werden, um die Sensitivität und Reproduzierbarkeit von Biosensoren zu verbessern. Zudem sollte die MONs/Graphen-Synergie bewertet werden, um multifunktionale Biosensoren zu erhalten und hohe elektrokatalytische Aktivität zu erreichen. Darüber hinaus kann Graphen leicht mit anderen Nanokohlenstoffen wie CNTs kombiniert werden. Dadurch können reiche Kantendichte und hochvorteilhafte Kantendefekte für die Erstellung enzymatischer Biosensoren erzielt werden.

Kohlenstoffnanoröhren-basierte Biosensoren

CNTs, 1991 von Iijima entdeckt, können als die Bildung einer Graphen-Schicht zu einem Zylinder aufgefasst werden. CNTs lassen sich allgemein in zwei Typen unterteilen: Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs) Abb. 6a und MWCNTs Abb. 6b [125]. Der Durchmesser und der Wickelwinkel bestimmen die physikalischen Eigenschaften der CNTs durch Chiralität und den (n, m)-Index [126,127,128]. Je nach (n,m)-Index können CNTs metallisches oder halbleitendes Verhalten zeigen [129,130,131,132]. Abhängig von der Chiralität können SWCNTs in drei verschiedene Arten klassifiziert werden: (1) m = n ist der Armchair-Nanotube Abb. 6c, (2) n > m und wenn m = 0 ist der chirale Nanotube Abb. 6d, und m = 0 ist der Zigzag-Nanotube Abb. 6e. CNTs zeigen in ihrer Natur halbleitendes Verhalten, aber für ein gegebenes (n, m) SWNT, wenn (2n + m)/3 eine ganze Zahl ist, werden die CNTs metallisch. Daher kann behauptet werden, dass alle Armchair-Nanotubes metallisch sind [130]. Die Fähigkeit, die Chiralität während der Produktion zu kontrollieren, bedeutet also, die elektronischen Eigenschaften der CNTs zu kontrollieren, was einen großen Vorteil in Biosensor-Anwendungen bietet. In jüngster Zeit wurden verschiedene Methoden zur Synthese von CNTs vorgeschlagen. Es gibt jedoch drei Hauptsynthesetechniken: Lichtbogenentladung, Laserablation und CVD für die CNT-Produktion [133]. Im Vergleich zu Lichtbogenentladungs- und Laserablationsmethoden ist CVD die effektivste Methode für die einfache und kosteneffektive Kontrolle der Chiralität von CNTs [133, 134].

Die Enden und Seitenwände der CNTs können durch die Zugabe praktisch jeder gewünschten chemischen Spezies leicht modifiziert werden. CNTs können aufgrund ihrer signifikanten Sensitivität exzellente Wandler in nanoskaligen Sensoren sein. Zudem besitzen CNTs sehr günstige Eigenschaften für die Übertragung elektrischer Signale, die bei der Erkennung eines Ziels generiert werden, und spielen daher eine wesentliche Rolle in der endgültigen Entwicklung enzymbasierter Biosensoren [135]. Außerdem sind CNTs mit kleiner Größe, schneller Ansprechzeit und ausgezeichneten elektrochemischen Eigenschaften den meisten anderen Elektroden bei Ionen, Metaboliten und Protein-Biomarkern gleichwertig oder überlegen [136]. Als Ergebnis ihrer einzigartigen röhrenförmigen Nanostrukturen mit umfangreichen Längen- und Durchmesserverhältnissen sind CNTs begehrte Materialien für die Anwendung elektrochemischer Biosensoren aufgrund ihrer ausgezeichneten elektrochemischen Stabilität, großer mechanischer Flexibilität, schnellem Elektronentransport und einzigartiger thermischer Leitfähigkeit [137, 133]. CNTs werden auch breit in der Gewebetechnik und Arzneimittelabgabesystemen eingesetzt, um elektrische und mechanische Eigenschaften nach Funktionalisierung zur Sicherstellung ihrer Biokompatibilität und Konjugation mit organischen Verbindungen oder metallischen NPs zu verbessern [138]. Studien zu CNTs von 2010 bis 2020 wurden analysiert und in Abb. 7 als Kreisdiagramm dargestellt, das die Verteilung biomedizinischer Anwendungen von CNTs zeigt.

CNTs tragen, wie Graphen und seine Derivate, auch wesentlich zur Entwicklung von Biosensoren mit höherer Sensitivität und Selektivität bei, indem sie mit MONs hybridisiert werden. Forscher haben sich kürzlich auf die Herstellung und Charakterisierung neuer Nanobiosensoren konzentriert, die die einzigartigen Eigenschaften von CNTs mit den überlegenen Eigenschaften von Metall-NPs kombinieren können. So entwarfen Rahman et al. [139] einen Fe₃O₄-dekorierten CNTs-basierten 3-Methoxyphenyl (3-MP) Biosensor für Umweltschutzanwendungen. Fe₃O₄/CNTs-Nanokomposite wurden durch Nasschemie synthetisiert und das Nanokomposit als dünne Schicht auf die GCE-Oberfläche aufgebracht. Anschließend bewerteten sie die elektrochemische Leistung der modifizierten Elektroden durch I-V-Charakterisierung und berichteten, dass die Fe₃O₄/CNT-basierte Elektrode einen weiten Detektionsbereich (90,0 pM–90,0 mM), eine niedrige Nachweisgrenze (1,0 pM) und eine hohe Sensitivität (9 × 10⁻⁴ µA µM⁻¹ cm⁻²) bei der Detektion von gefährlichem Phenol aufwies [139]. Ähnlich für den Umweltschutz wurde ein MWCNT/TiO₂/Chitosan-basierter Biosensor von Fotouhi et al. [140] zur Detektion von Dihydroxybenzol-Isomeren entwickelt, die aus chemischen und pharmazeutischen Industrien in die Umwelt freigesetzt werden. Fotouhi et al. berichteten, dass sie die simultane Bestimmung von Hydrochinon (HQ), Catechol (CC) und Resorcinol (RS), die in echten Wasserproben Verschmutzung verursachen, durch den MWCNTs-basierten Sensor durchführten. Zudem gaben sie die Nachweisgrenzen (S/N = 3) von HQ, CC und RS als 0,06 µmol d m⁻³, 0,07 µmol d m⁻³ und 0,52 µmol d m⁻³ an, und die linearen Ansprechbereiche lagen zwischen 0,4–276,0 µmol d m⁻³, 0,4–159,0 µmol d m⁻³ und 3,0–657 µmol d m⁻³ [140].

Neben dem Umweltschutz sind Biosensor-Designs von CNTs für klinische Anwendungen in jüngster Zeit extrem interessant geworden (Tabelle 4). So erhielten Zhu et al. [141] Buckypaper mit zwei Schichten: gereinigte SWCNTs und SWCNTs, dekoriert mit NiO, durch Helium-Lichtbogenentladungsmethode. Später wiesen sie als Ergebnis ihrer Analyse zur Bewertung der elektrochemischen Leistung nach, dass der Glukose-Biosensor einen breiten linearen Bereich (0,1–9 mM), hohe Sensitivität (2701 µA mM⁻¹ cm⁻²) und schnelle Ansprechzeit (< 2,5 s) aufwies [141]. Barthwal und Singh [142] entwarfen in ihrer Studie ein ZnO/MWCNTs-Nanokomposit zur Detektion von Harnstoff. Sie wiesen darauf hin, dass der ZnO/MWCNTs-basierte Sensor die höchsten Detektionsmerkmale im Vergleich zu ZnO- und MWCNTs-basierten Sensoren aufwies. Zudem betonten sie, dass die Sensitivität des Nanokomposits mit 2% MWCNTs unter 10 s liegt und die Nachweisgrenze 10 ppm beträgt [142]. Im selben Jahr entwickelten Guan et al. erfolgreich ein CNTs-basiertes hybrides Nanokomposit als elektrochemischen Biosensor für die simultane hochsensitive Detektion von DA und UA. In ihrer Studie berichteten sie, dass der umfangreichste (ΔEₚ = 144 mV) und höchste Oxidationsstrom an der mit CNTs-basiertem Nanohybrid modifizierten Elektrode beobachtet wurde. Zusätzlich untersuchten sie die simultane Detektion von DA und UA in nanohybrid-modifiziertem GCE via Differentialpulsvoltammetrie (DPV). Sie zeigten, dass der anodische Peakstrom des Nanohybrid/GCE linear aufgrund der Zunahme der DA-Konzentration anstieg. Auch erhielten sie eine ähnliche Beobachtung für die UA-Konzentration. Sie betonten, dass der Konzentrationsbereich für beide Zielanalyten 2–150 µM beträgt. Als Ergebnis berichteten sie, dass die Nachweisgrenzen für DA und UA 0,37 µM bzw. 0,61 µM betrugen [143].

Studien zur Steigerung der Effizienz von CNTs-basierten Biosensoren in verschiedenen Anwendungsbereichen durch Hybridisierung mit MONs und Graphen und Graphen-Derivaten und Verbesserung ihrer Eigenschaften sind von großem Interesse (Tabelle 4). Die höhere elektrochemische Aktivität und höhere Leitfähigkeit von Nanohybridstrukturen, die mit CNTs-basierten elektrochemischen Sensoren entworfen wurden, können als Ergebnis der inhärenten Eigenschaften von CNTs betrachtet werden. Andererseits ist eines der Merkmale, die den Einsatz von CNTs in Biosensor-Anwendungen limitieren, dass sie in den meisten Lösungsmitteln nicht löslich sind. Auch weisen sie eine niedrige Biokompatibilität und in einigen Fällen Toxizität auf. Um diese Probleme zu überwinden, kann die Kombination verschiedener Funktionsgruppen an der Oberfläche und den Endkappen von CNTs mit MONs und die Anwendung von Oberflächenmodifikationen als Lösung angesehen werden.

Zusätzlich ermöglicht die Integration von CNTs mit Graphen und seinen Derivaten die Schaffung weiterer aktiver Stellen für Biomoleküle aufgrund starker Bindungswechselwirkungen. Ein weiterer Vorteil der CNTs/Graphen-Hybridstruktur ist, dass sie Biosensoren ermöglicht, in kürzerer Zeit zu antworten aufgrund ihrer höheren Elektronentransferrate. Daher scheint es in der nächsten Generation von Biosensoren, die in Zukunft entwickelt werden, unvermeidlich, hohe Sensitivität und Selektivität, simultane Detektion von Zielbiomolekülen durch Nutzung des Dualeffekts von CNTs mit MONs oder anderen Nanokohlenstoffen wie Graphen und seinen Derivaten zu erreichen.

Fazit und Ausblick

Biosensoren und Bioelektroden spielen eine entscheidende Rolle in der Umweltüberwachung, Lebensmittelsicherheit, medizinischen Textilindustrie, Arzneimittelforschung und -analyse, klinischen und nicht-klinischen Anwendungen. Mit der jüngsten COVID-19-Pandemie wurden schnell ansprechende, wiederverwendbare, kostengünstige und hochselektive Biosensoren entscheidend für den Kampf gegen Infektionskrankheiten, um sie unter Kontrolle zu bringen. Für das Design eines Biosensors hat das Material, das in der Wandler-Komponente verwendet wird und zur Funktionalisierung der Wandler-Oberflächen dient, einen expliziten Einfluss auf die Ergebnisse mit den oben genannten Eigenschaften, die von einem Biosensor erzielt werden. In diesem Rahmen wurden Nanomaterialien zur Verbesserung der Eigenschaften dieser Geräte umfangreich eingesetzt, und ihre erweiterte Oberfläche, die Fähigkeit, sich an Oberflächenmodifikationen für die Verwendung jedes Analyten-Typs anzupassen, und solche außergewöhnlichen nanoskaligen größenabhängigen Eigenschaften brachten sie beispiellos einen Schritt voran in der Produktion eines idealen Biosensors.

Mit dieser Motivation präsentiert dieser Artikel einen Überblick über jüngste Entwicklungen in hybriden Nanosystemen, die durch die kombinierte Nutzung von MONs, Graphen und CNTs entstehen. Zahlreiche Anstrengungen wurden unternommen, um Biosensoren mit verbesserter Sensitivität und Selektivität zur Detektion von Biomolekülen mithilfe dieser Nanostrukturen zu schaffen. Offensichtlich ist der Mehrfacheffekt des Hybriddesigns dieser Materialien neben den einzigartigen Eigenschaften jedes einzelnen Materials ein Schlüsselfaktor für die Erzielung eines leistungsstärkeren Biosensors. Die Kombination dieser Nanostrukturen zu einem Hybriddesign verbessert die elektrokatalytische Aktivität des Biosensors, seine Elektronentransferrate und ermöglicht mehr aktive Stellen, um zwei oder mehr Biomoleküle simultan zu detektieren. Es erfüllt auch andere gewünschte Funktionen, die von einem idealen Biosensor erwartet werden, wie Stabilität, lange Haltbarkeit, Wiederholbarkeit, breiter Messbereich, schnelle Ansprechzeit für Anwendungen der nächsten Generation. Allerdings gibt es zwingende Faktoren bei der Kombination dieser drei trendigen Nanomaterialien, wie die Kontrolle der Agglomerationstendenz, Zytotoxizität, die Wahl der richtigen Konzentration und die umfangreiche Optimierung der Bedingungen zur Verbesserung der Reinheit und besseren Integration dieser Materialien untereinander. Daher besteht noch Spielraum für Verbesserungen bei der Herstellung von Nanomaterialien und ihren Kompositstrukturen. Darüber hinaus ist für eine Vor-Ort-Diagnose eines Analyten, die einen großen Einfluss auf Biosensoren für medizinische Anwendungen hat, wichtig, ein schnelles und zuverlässiges Ergebnis auf kosteneffektive Weise zu erhalten. Zu diesem Zweck könnten Nanomaterialien, die in Biosensoren verwendet werden, modifiziert werden, um die Diagnose mit feinerer Sensitivität zu erleichtern, insbesondere für Biomarker einiger Erkrankungen mit sehr geringer Konzentration in ihren frühen Stadien. Um solche Eigenschaften zu erlangen und zu verbessern, sollten Graphen, CNTs und MONs mit minimalen Katalysatorverunreinigungen, hoher Kristallinität und in großen Mengen kosteneffektiv hergestellt werden. Sie sollten auch für ihre Zustandsdichte und Bindungsstruktur konstruiert werden, um bessere Elektronentransporteigenschaften zu erzielen. Innerhalb dieses Reviews wurde eine Kombination von Nanostrukturen vorgeschlagen, die helfen, einen präzisen „zukünftigen Biosensor“-Mechanismus zu entwickeln, und Erwartungen wie Sensitivität, überlegene Selektivität, niedrige Nachweisgrenze, Echtzeit-Sensing mit multifunktionalen Eigenschaften wurden zusammengefasst.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Nicht anwendbar.

Abkürzungen

1D:

Eindimensional

3D:

Dreidimensional

CD:

Cyclodextrin

CVD:

Chemische Gasphasenabscheidung

CVs:

Zyklische Voltammogramme

DA:

Dopamin

DNA:

Desoxyribonukleinsäure

DPV:

Differentialpulsvoltammetrie

FET:

Feldeffekttransistor

GCE:

Glaskohleelektrode

GelMA:

Gelatinmethacryloyl

GNPs:

Graphen-Nanoplatelets

GNRs:

Graphen-Nanobänder

GO:

Graphenoxid

GQDs:

Graphen-Quantenpunkte

LOD:

Nachweisgrenze

MIP:

Molekular geprägtes Polymer

MOFs:

Metall-organische Gerüste

MOs:

Metalloxide

MWCNTs:

Multi-Walled Carbon Nanotubes

NHGH:

Stickstoffdotiertes poröses Graphen-Hydrogel

NPs:

Nanopartikel

NRs:

Nanostäbe

NSs:

Nanosphären

NWs:

Nanodrähte

PANI:

Polyanilin

PDADMAC:

Poly(diallyldimethylammoniumchlorid)

PDPA:

Polydiphenylamin

PECVD:

Plasmaverstärkte chemische Gasphasenabscheidung

PEDOT:

Poly(3,4-ethylendioxythiophen)

PG:

Pristines Graphen

PPy:

Polypyrrol

PTA:

Phosphotungstensäure

PVA:

Polyvinylalkohol

RF:

Radiofrequenz

rGO:

Reduziertes Graphenoxid

SERS:

Oberflächenverstärkte Raman-Streuung

SWCNTs:

Single-Walled Carbon Nanotubes

UA:

Harnsäure

XO:

Xanthinoxidase