Una descripción general del progreso reciente de los nanobiosensores basados en óxido metálico / grafeno / CNT

Resumen

Los nanobiosensores son analizadores convenientes, prácticos y sensibles que detectan agentes químicos y biológicos y convierten los resultados en datos significativos entre una molécula biológicamente activa y un elemento de reconocimiento inmovilizado en la superficie del transductor de señal por un detector fisicoquímico. Debido a sus características operativas rápidas, precisas y confiables, los nanobiosensores se usan ampliamente en aplicaciones clínicas y no clínicas, pruebas de cabecera, industria textil médica, monitoreo ambiental, seguridad alimentaria, etc. Desempeñan un papel importante en aplicaciones tan críticas. Por lo tanto, el diseño de la interfaz de biosensores es esencial para determinar el rendimiento del nanobiosensor. Las propiedades químicas y físicas únicas de los nanomateriales han allanado el camino para dispositivos de detección nuevos y mejorados en biosensores. La creciente demanda de dispositivos con capacidad de detección y selectividad mejorada, tiempo de respuesta corto, límite de detección más bajo y bajo costo hace que las investigaciones novedosas sobre nanobiomateriales se utilicen como andamios de biosensores. Entre todos los demás nanomateriales, los estudios sobre el desarrollo de nanobiosensores basados en nanoestructuras de óxidos metálicos, el grafeno y sus derivados, los nanotubos de carbono y el uso generalizado de estos nanomateriales como estructura híbrida han llamado la atención recientemente. Las estructuras nanohíbridas creadas mediante la combinación de estas nanoestructuras satisfarán directamente las necesidades de los futuros biosensores con sus altas actividades electrocatalíticas. Esta revisión abordó los desarrollos recientes sobre estos nanomateriales y sus derivados, y su uso como andamios de biosensores. Revisamos estos populares nanomateriales evaluándolos con estudios comparativos, tablas y gráficos.

Introducción

Un biosensor es un dispositivo de diagnóstico que convierte las señales de un analito biológico en una señal eléctrica medible y distinguible para una detección cualitativa y / o cuantitativa del analito que puede estar involucrado con otras sustancias fisicoquímicas [1]. El primer biosensor conocido fue desarrollado por Clark et al. [2] para la detección de oxígeno, y el primer electrodo enzimático amperométrico desarrollado por Clark y Lyons [3] fue un biosensor de glucosa basado en enzimas. A lo largo de los años, se han desarrollado tipos de biosensores electroquímicos, térmicos, ópticos, basados en ácido desoxirribonucleico (ADN), basados en tejidos, basados en enzimas. Los biosensores dan resultados más estables y precisos que los métodos tradicionales en algunas aplicaciones como el diagnóstico clínico, el sector biomédico, la producción de alimentos y el análisis [2, 4]. Además, con características tales como especificidad, selectividad y ahorro de costos con una operación simple, análisis en tiempo real y uso continuo, varios tipos de biosensores se desarrollaron rápidamente durante la segunda mitad del siglo y se han vuelto ampliamente utilizados en medicina relacionada, campos ambientales y forenses [5]. Su uso intensivo en estas áreas críticas de aplicación ha hecho surgir algunas características anticipadas de un biosensor como alta sensibilidad, estabilidad, alta selectividad, larga vida útil, repetibilidad, simplicidad y bajo costo, amplio rango de medición y tiempo de respuesta rápido [6].

Según la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC), los biosensores contienen tres componentes principales:elemento de reconocimiento biológico, componente transductor y sistema electrónico que a menudo se combina con un transductor. Como dispositivos receptores-transductores integrados, los biosensores pueden proporcionar información analítica cuantitativa o semicuantitativa selectiva utilizando un elemento de reconocimiento biológico [7] (Fig. 1). Dentro de este marco, los ácidos nucleicos, enzimas, anticuerpos, receptores, microorganismos, células, tejidos e incluso estructuras biomiméticas pueden utilizarse como biorreceptores para la detección biológica.

Representación esquemática de biosensores

El diseño de un biosensor es de gran importancia para una prueba rápida y conveniente bajo cualquier circunstancia o posición en la que pueda surgir el analito. Dentro de ese diseño, los materiales de los componentes del transductor también tienen un efecto significativo en la calidad de detección. Los transductores físicos varían significativamente con la fuente de señal cuantificable y utilizan principalmente sistemas ópticos y electroquímicos [5]. Las características fisicoquímicas, electrónicas / ópticas / electroquímicas del material utilizado como transductor físico afectan directamente el rendimiento de los biosensores. Además, la eficiencia y la eficacia de los biosensores están determinadas por las matrices, mediadores y estabilizadores utilizados para la inmovilización de enzimas. Por lo tanto, las propiedades del material a partir del cual se produce el componente transductor físico juegan un papel crítico en la obtención de características tales como alta estabilidad de señal y repetibilidad de biosensores y en su selectividad. Entre los tres componentes de un biosensor antes mencionados, esta revisión se centra principalmente en el desarrollo reciente sobre la funcionalización de la superficie de los componentes del transductor utilizando nanomateriales.

Los transductores se pueden clasificar principalmente en cuatro clases:electroquímicos, bioluminiscentes, piezoeléctricos, calorimétricos y ópticos. La superficie del transductor se puede modificar utilizando muchos materiales funcionales diferentes para mejorar el rendimiento del sensor. Controlar la estructura, morfología y propiedades de estos materiales también puede ayudar de la misma manera. Entre estos materiales, los materiales nanométricos, denominados nanomateriales, tienen un gran potencial para ser cruciales para el desarrollo de biosensores novedosos, adaptables y altamente sensibles para un área de aplicación más amplia con sus propiedades únicas que dependen del tamaño, como una gran superficie, mejoras eléctricas. conductividad y alta reactividad química. Teniendo en cuenta estas propiedades extraordinarias, los nanomateriales han sido uno de los candidatos preferidos para cumplir con los requisitos deseados para la construcción de biosensores altamente sensibles [6].

Para ser considerado un nanomaterial, al menos en una dimensión, el tamaño de un nanomaterial debe estar entre 1 y 100 nm [8]. Debido a su tamaño extremadamente diminuto, en los nanomateriales la mayoría de los átomos existen cerca de la superficie o están presentes en la superficie. Estas nanopartículas (NP), que obtienen características notables como propiedades fisicoquímicas mejoradas, mayor área de superficie, distancia acortada de electrones, resaltan una diferencia significativa en comparación con sus contrapartes de tamaño masivo. Por lo tanto, se mantendrían los rendimientos mejorados en las propiedades ópticas, térmicas, eléctricas y magnéticas de esos materiales a nanoescala para que sean altamente efectivos para su uso como componente biosensor. Además, los materiales nanométricos que tienen un área superficial mayor proporcionan un espacio adecuado para la inmovilización de un número suficiente de biorreceptores en la superficie de los electrodos. Por lo tanto, los investigadores han mostrado recientemente un gran interés en la producción, caracterización y uso de nanomateriales para aplicaciones de biosensores [9, 10].

Entre todos los nanomateriales, los MON, el grafeno y sus derivados y los CNT se han destacado por sus características únicas [11, 12]. Los MON exhiben propiedades catalíticas significativas debido a su impresionante diversidad morfológica, no toxicidad y biocompatibilidad. También debe tenerse en cuenta que los MON proporcionan una estructura adecuada para la inmovilización de biomoléculas.

Su red cristalina que permite la modificación de los parámetros de la celda y las propiedades electroquímicas debido al efecto de confinamiento cuántico, y la capacidad de control de la banda prohibida al alterar sus propiedades superficiales que afectan la conductividad y la reactividad química los hizo altamente potenciales para ser utilizados como elementos biosensores y diferenciar los MON de su masa. homólogos [12, 13]. Además, para mejorar aún más estas propiedades mediante la formación de una estructura compuesta, los MON se han combinado recientemente de manera extensa con nanomateriales de carbono como el grafeno y los CNT para formar una estructura nanohíbrida. Al hacerlo, se mejora la reactividad electroquímica para la detección y el diagnóstico para cumplir con los requisitos futuros, como la sensibilidad y selectividad de un biosensor [14].

La hibridación de estos nanomateriales de carbono con MON proporciona la producción de biosensores avanzados con una o más funciones equipadas con propiedades ópticas, magnéticas y eléctricas superiores [14, 15, 16]. El grafeno y sus derivados se pueden integrar fácilmente con otros nanomateriales para crear materiales nanohíbridos para obtener la actividad electroquímica deseada [13, 17, 18]. Por ejemplo, en muchas aplicaciones, el grafeno se considera una herramienta útil para promover la transferencia de electrones a la respuesta redox de las proteínas [19]. Sin embargo, la estabilidad física del grafeno en el entorno biológico y su evaluación de la toxicidad para las células sigue siendo controvertida [20, 21, 22]. Por otro lado, los CNT, a diferencia del grafeno, tienen características ópticas variantes debido a su quiralidad cambiante, lo que los hace ventajosos en comparación con el grafeno en aplicaciones de biosensores ópticos [23]. Los CNT, que tienen una capacidad electroquímica excepcional, son fácilmente modificables químicamente y tienen una alta relación de superficie a volumen, como el grafeno [24]. En términos de propiedades de la superficie, cuando se expone a un ambiente, aunque el grafeno está expuesto en todo su volumen debido a su naturaleza monocapa bidimensional, esta exposición es limitada en el caso de los NTC unidimensionales (1D) [25]. Además, se ha informado muchas veces en estudios anteriores que el grafeno tiene una mayor selectividad contra las interferencias debido a sus excelentes propiedades de detección biomolecular y relación señal / ruido en comparación con las de los CNT. Se debe principalmente a los bordes grafíticos libres de metales del grafeno con una gran superficie. No obstante, existen problemas como la perturbación de la señal en los biosensores basados en CNT debido a la presencia de catalizadores metálicos residuales [25]. Con todos los aspectos antes mencionados, los nanohíbridos formados por la combinación de estructuras de grafeno y / o CNTs podrían jugar un papel vital en el diseño de biosensores avanzados, y la compensación de las desventajas de ambos materiales al formar una estructura compuesta a partir de ellos superaría estos problemas y la detección podría maximizarse. Aprovechando la cooperación creada por la estructura compuesta de MON, grafeno y CNT, parece indispensable proporcionar una amplificación de señal mejorada y preparar estrategias avanzadas de bioafinidad, lo que da como resultado el desarrollo de dispositivos de biosensores mejorados para cumplir con los requisitos futuros. Por lo tanto, dentro del alcance de esta revisión, se ha centrado en biosensores basados en MON, grafeno y CNT de reciente realización. Además, se ha discutido el papel crítico del uso de estos nanomateriales, no solos, sino también juntos, en la producción de biosensores con propiedades superiores obtenidas por su combinación. Al evaluar las expectativas y los desafíos futuros, nos gustaría presentar una perspectiva alternativa para futuros estudios.

Biosensores basados en nanoestructuras de óxidos metálicos

Los óxidos metálicos (MO) han sido candidatos esenciales para las aplicaciones de sensores desde los estudios iniciales de biosensores en 1954 [26, 27]. Los MO se pueden sintetizar en varias nanomorfologías, como NP [28, 29], nanofibras [30], nanoesferas (NS) [31], nanobarras [32], nanotubos y nanocables (NW) [33], nanohojas [34, 35] . Además de la versatilidad morfológica, los MON ofrecen algunas ventajas:alta relación superficie / volumen, no toxicidad, buena biocompatibilidad, estabilidad química, excelente selectividad, limitación de electrones y fonones, alta eficiencia catalítica y fuerte capacidad de adsorción, características de interfaz fisicoquímica [36,37,38, 39,40]. Además, los MON se pueden producir a través de métodos relativamente fáciles y rentables, como la pulverización catódica con magnetrones por radiofrecuencia (RF) [41,42,43], la evaporación térmica [44, 45], la deposición química en fase de vapor mejorada con plasma (PECVD) [46 , 47], epitaxia de haz molecular [48] y técnica de solgel [49], proceso de deposición electroquímica [50] y método hidrotermal [51]. Estas importantes características han convertido a los MONs en uno de los materiales más deseados para las aplicaciones biomédicas y el mercado de biosensores. Se analizaron las publicaciones sobre MON de 2010 a 2020 y se presentan en la Figura 2 con un gráfico circular presentado como la distribución de aplicaciones biomédicas de MON.

Gráfico circular que muestra la distribución de MON en aplicaciones biomédicas

Por otro lado, predominantemente en los últimos años, varios MON como ZnO, Fe ₃ O ₄ , CuO, NiO, TiO ₂ , El MgO se ha producido continuamente como biosensores versátiles y funcionales durante mucho tiempo [44, 52]. Entre los MON, ZnO y Fe ₃ O ₄ , debido a sus aplicaciones generalizadas, se consideran miembros destacados en la construcción de biosensores [53, 54].

Nanoestructuras de ZnO

Las nanoestructuras de ZnO desempeñan un papel importante en la fabricación de nuevos biosensores nanoestructurados debido a sus propiedades únicas, que incluyen un alto punto isoeléctrico (IEP ~ 9,5) [55], banda prohibida amplia, función de comunicación electrónica útil, alta estabilidad química, buena biocompatibilidad, y piezoelectricidad. Especialmente, su alto punto isoeléctrico explica claramente por qué el ZnO es el óxido metálico más utilizado para las tecnologías de biodetección. Además, el ZnO se puede utilizar en todas las aplicaciones clínicas o no clínicas, ya que es un material seguro y respetuoso con el medio ambiente [53, 54, 56]. Por ejemplo, Akhtar et al. [57] desarrolló un biosensor óptico sin reactivo basado en el mecanismo de mejora de la fluorescencia para la detección de amiloide en el diagnóstico de enfermedades neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer y la diabetes tipo II insulinodependiente mediante el uso de nanoestructuras de ZnO similares a flores que tienen una mayor superficie . Además, se ha informado que la nanoflor de ZnO es un buen material que mejora el rendimiento y proporciona un biosensor de amiloide más rápido y rentable [57]. Además, Zong y Zhu [54] fabricaron mediante un método hidrotermal un biosensor de glucosa que utiliza un transistor de efecto de campo (FET) basado en nanovarillas de ZnO relacionado con una aplicación de monitorización continua de glucosa portátil para personas con diabetes [54]. Lograron un biosensor de alto rendimiento con una alta sensibilidad de 1,6 mA / µM cm ² con una pequeña área de detección de 180 µm ² y un límite de detección de 1 µM a favor de la gran relación superficie-volumen de las nanovarillas de ZnO [54]. Sahyar y col. [58] desarrolló un nuevo biosensor basado en NP de ZnO dopado con Ag para la detección temprana del deterioro de la carne. Como resultado de su análisis con un electrodo modificado con enzima xantina oxidasa (XO) (electrodo nanoAg-ZnO / polipirrol (PPy) / grafito lápiz), afirmaron que el biosensor enzimático que obtuvieron mostró una alta selectividad con una sensibilidad de 0.03μA / mM y Límite de detección bajo de 0,07 μM [58].

En otro estudio, Yue et al. [59], desarrolló con éxito un biosensor de dopamina (DA) ideal basado en conjuntos de nanoconas de Au NPs-ZnO / electrodos de espuma de grafeno. En sus caracterizaciones, demostraron que el electrodo que modificaron tiene una alta sensibilidad (4,36 μA μM ⁻¹ ) y un límite de detección bajo (0.04 μM, S / N =3) en la detección de DA. Además, informaron que el electrodo basado en nanoconas de ZnO exhibía una excelente selectividad, buena reproducibilidad y estabilidad bajo interferencia de ácido úrico (UA). También enfatizaron que el electrodo tiene un tremendo potencial en medicina y atención médica [59]. En el mismo año, Qian et al. desarrolló un detector de glucosa electroquímico utilizando NP de ZnO. El sensor consta de un CeO ₂ nanowhisker decorado con ZnO NP, y afirmaron que el ZnO / CeO ₂ La estructura de nanocompuestos tiene una superficie extensa, no es tóxica y tiene una alta actividad electrocatalítica. El nanocompuesto mostró un rendimiento extraordinario para detectar glucosa con un rango lineal de 0,5 a 300 μM y un límite de detección (LOD) de 0,224 μM (40 ppb). También enfatizaron que el sensor nanocompuesto mostró una excelente relación lineal entre la intensidad de la señal actual y la concentración de glucosa ( R ² =0,99944) [60]. Otro biosensor de glucosa fue desarrollado por Rafiee et al. [61] mediante la combinación de nanoplaquetas de grafeno (GNP), conocidas por su alta conductividad y estabilidad química, y ZnO NW, conocidas por ser sensibles a la glucosa. En su estudio, modificaron la estructura del dispositivo como un biosensor de glucosa al sintetizar ZnO NW en películas delgadas de GNP en tres concentraciones diferentes (0,5, 1 y 2 mg), definidas como GNP1, GNP2 y GNP3. El sistema mostró que el efecto dual de ZnO NW y GNP condujo a la mejora perfecta para un biosensor de glucosa eficiente. Por ejemplo, notaron que para concentraciones bajas de glucosa, la respuesta del dispositivo aumentaba a medida que aumentaba la cantidad de grafeno en la solución y el tiempo de respuesta del sensor disminuía con un aumento en el número de GNP. Además, informaron que se observó estabilidad a largo plazo, es decir, resistencia constante a la relación de concentración, un criterio importante para un biosensor ideal, en muestras modificadas con GNP después de la exposición a 30 mg / dL de glucosa durante 30 días. En consecuencia, presentaron un biosensor de glucosa ideal con características útiles:tiempo de respuesta de 5 s, un rango de detección de 0,003 a 30 000 mg / dl y estabilidad eléctrica a largo plazo [61]. Además de estos estudios, en la Tabla 1 se dan algunos otros estudios recientes que utilizan diferentes nanoestructuras de ZnO para la detección de varias enzimas.

Teniendo en cuenta los estudios actuales que se muestran en la Tabla 1, se puede expresar que las estructuras de ZnO se producen a través de numerosos métodos con morfologías variables, y continúa siendo ampliamente utilizado debido a su facilidad de integración en estructuras compuestas. Las alternativas de producción y versatilidad morfológica, así como la formación de estructuras nanocompuestas y nanohíbridas con otros nanomateriales, especialmente con nanoestructuras de carbono, ofrecen un potencial extraordinario a las estructuras de ZnO en términos de cumplir con las propiedades esperadas con total eficiencia en un biosensor ideal.

Fe ₃ O ₄ Nanoestructuras

En los últimos años, Fe ₃ O ₄ La nanoestructura ha despertado mucho interés en muchas aplicaciones prometedoras, incluidos biosensores, administración de fármacos, separación celular y farmacia, gracias a sus propiedades superiores como buena biocompatibilidad, baja toxicidad, superparamagnetismo, actividad catalítica y la facilidad de preparación y proceso de modificación. Fe magnético ₃ O ₄ Los NP son apropiados para la inmovilización de biomoléculas deseadas como las enzimas [73,74,75,76] debido a su simple capacidad de separación del medio por su naturaleza magnética [77]. Fe ₃ O ₄ Las NP magnéticas y sus derivados se han utilizado ampliamente en la tecnología de biosensores, y en la literatura se han discutido varios estudios atractivos [75, 78]. En este contexto, Sanaeifar et al. [75] diseñó un nuevo biosensor electroquímico para la detección de glucosa. Evaluaron el rendimiento electroquímico del nanocompuesto preparado mediante la dispersión de Fe ₃ O ₄ NP magnéticas, que se produjeron mediante el método de coprecipitación en alcohol polivinílico (PVA). Informaron que Fe ₃ O ₄ Los NP en la matriz de PVA, que tienen excelentes propiedades catalíticas contra la glucosa oxidasa inmovilizada, aumentaron las velocidades de transferencia de electrones entre la enzima y la superficie del electrodo. El bioelectrodo que se preparó pudo medir la glucosa en el rango de 5 \ (\ times \ hspace {0.17em} \) 10 ⁻³ a 30 mM con una sensibilidad de 9,36 µA mM ⁻¹ y mostró un límite de detección de menos de 8 µM [75]. Dong y col. [79] desarrolló Ag / Fe ₃ O ₄ sensores basados en NSs core-shell, producidos mediante un enfoque solvotermal simple, para ser utilizados en la detección de hidracina para la protección del medio ambiente. Informaron que el sensor de hidracina de alto rendimiento tiene un tiempo de respuesta de 2 s, un rango lineal de 0,25 a 3400 µm, una sensibilidad de 270 µA mM ^{- 1} cm ^{- 2} y un límite de detección de 0,06 μM. Comparando las cifras, se desarrolló un sensor de hidracina que es muy superior a otros sensores en la literatura [79].

En otro estudio, Sriram et al. [80] desarrolló Fe ₃ O ₄ Nanocompuesto NS / óxido de grafeno reducido (rGO) para detectar UA en muestras de orina y suero sanguíneo. Como resultado de su análisis electroquímico, Fe ₃ O ₄ Los nanocompuestos NS / óxido de grafeno reducido (rGO), con alta estabilidad y repetibilidad, mostraron un excelente pico de reducción electroquímica. Además, enfatizaron que el rango lineal del sensor UA que desarrollaron estaba entre 0.02 y 783.6 µM, y el LOD fue 0.12 nM [80]. Asimismo, un nuevo biosensor para la detección de DA mediante la combinación de óxido de grafeno (GO) y Fe ₃ O ₄ fue desarrollado por Cai et al. [81]. En su estudio, sintetizaron con éxito Fe ₃ O ₄ / GO / compuesto ternario de grafeno prístino (PG) mediante métodos de dispersión y coprecipitación. Posteriormente, depositaron el nanocompuesto en el electrodo de trabajo, electrodo de carbono vítreo (GCE), mediante la técnica de caída. La corriente pico más alta se registra para Fe ₃ O ₄ Estructuras / GO / PG en voltamogramas cíclicos (CV). De manera similar, informaron que el pico de corriente más alto en presencia de DA pertenece a Fe ₃ O ₄ / GO / PG / GCE muestra. También destacaron un aumento en la corriente máxima para el Fe ₃ O ₄ Muestra de / GO / PG / GCE debido al aumento de la concentración de DA. Finalmente Cai et al. declaró que el sensor electroquímico podría utilizarse eficazmente en la detección de DA [81]. Algunos estudios representativos sobre Fe ₃ O ₄ nanoestructuras como componente biosensor se dan en la Tabla 2.

A pesar de sus propiedades superiores, el Fe ₃ magnético O ₄ Las nanoestructuras tienen problemas restrictivos en aplicaciones biológicas y de biosensores. Debido a su alta energía superficial, reactividad química y fuertes interacciones magnéticas, son increíblemente propensos a la aglomeración, creando dificultades para estabilizar el Fe ₃ O ₄ nanoestructuras magnéticas. Para superar este problema, la superficie de Fe ₃ O ₄ nanoestructuras está recubierto con capas de polímero [95]. Sin embargo, revestir la superficie con el polímero puede disminuir la eficiencia en términos de aplicaciones de biosensores electroquímicos. Por lo tanto, al estabilizar el Fe ₃ magnético O ₄ Se pueden utilizar nanoestructuras, biomoléculas como genes, células, enzimas, proteínas y otras nanoestructuras esenciales (grafeno, CNT, puntos cuánticos, NP, etc.). Por lo tanto, se puede predecir que los sistemas nanohíbridos y nanocompuestos complejos basados en Fe ₃ magnético O ₄ Las nanoestructuras se convertirán en un fenómeno en la producción de biosensores de nueva generación en el futuro.

Después de todo, los biosensores basados en MO que incorporan diversas nanoestructuras presentan funciones únicas y novedosas en aplicaciones prácticas e industriales. Las nanoestructuras de los OM impactan fuertemente en el diseño de biosensores altamente sensibles, rápidos y estables debido a sus propiedades incomparables. Además, cada tipo de nanoestructuras y óxidos de metales tienen sus ventajas. Por lo tanto, es probable que se produzcan nuevos avances en los dispositivos de detección en biotecnología. Además, se ve que a las estructuras de nanocarbono se les ha dado mucho espacio en estudios recientes, y los MO se utilizan junto con ellos. Por tanto, la segunda parte de este trabajo se centrará en los dos nanocarbonos más utilizados (grafeno y CNT) en biosensores.

Grafeno y sus biosensores basados en derivados

El grafeno es uno de los alótropos de carbono más populares, al igual que el grafito, los CNT, el fullereno y el diamante. Es una capa bidimensional de sp ² -atomos de carbono hibridados. Después del descubrimiento del grafeno por Geim y Novoselov, ha atraído una gran atención en todo el mundo en diversas disciplinas, como electrodos transparentes, almacenamiento de energía, administración de fármacos, biosensores, supercondensadores, baterías y catálisis [96, 97]. El grafeno, al igual que muchos otros nanomateriales, puede sintetizarse mediante métodos de arriba hacia abajo (exfoliación mecánica, exfoliación química y síntesis química) y de abajo hacia arriba (pirólisis, crecimiento epitaxial, deposición química de vapor (CVD)) [97]. Los diferentes métodos de producción conducen a la presencia de numerosos materiales similares al grafeno, como el grafeno, GQD, GO, rGO, nanocintas de grafeno (GNR), nanomadas, nanoláminas [98]. Las derivadas de uso frecuente se muestran en la Fig. 3.

Estructura de los materiales basados en grafeno más populares

El grafeno tiene buena conductividad térmica (5000 W / mK), alta movilidad de electrones a temperatura ambiente (250.000 cm ² / V s), gran superficie (2630 m ² / g), alto módulo de elasticidad (21 T Pa) y buena conductividad eléctrica [99]. Además, el grosor atómico de las láminas de grafeno y su gran superficie proporciona al material una sensibilidad frente a los cambios de condiciones. Por lo tanto, las características de la superficie del grafeno, en las que se puede contactar directamente con cada átomo, lo hacen sensible al medio ambiente. Por lo tanto, es un candidato excelente para aplicaciones de sensores en comparación con otros materiales [,, 4, 100, 101]. Se analizaron los estudios de la última década relacionados con el grafeno y sus derivados y se presentan en la Fig.102 con un gráfico circular que presenta la distribución de las aplicaciones biomédicas del grafeno. Se puede afirmar que los investigadores se centran principalmente en el campo de los biosensores debido a las características del grafeno mencionadas anteriormente.

Gráfico circular que muestra la distribución del grafeno en aplicaciones biomédicas

Como se mencionó en la primera sección, algunos biosensores se preparan combinando grafeno y derivados del grafeno con MON. En esta parte de la revisión, nos enfocamos en biosensores basados en grafeno y sus derivados. En la Fig. 5 se muestra una representación general y el mecanismo de los biosensores basados en grafeno. Aquí, los analitos que interactúan con el (los) grupo (s) funcional (es) en la superficie del grafeno, y las salidas electroquímicas, ópticas u otras se pueden obtener basándose en esta interacción [96 , 97, 103]. Por ejemplo, Mani et al. [104] desarrolló un nanobiocompuesto ternario basado en nanocintas rGO / MWCNT / quitosano para la detección sensible y selectiva de H ₂ O ₂ y NO ₂ ^- . Exploraron las propiedades beneficiosas del biosensor en la solución limpiadora de lentes de contacto y la muestra de carne. Informaron que para H ₂ O ₂ , el sensor basado en nanobiocompuestos tenía una sensibilidad de 0,616 µAµM ⁻¹ cm ⁻² , el límite de detección de 1 nm y un rango lineal de 0,001-1625 µM, mientras que estos valores para NO ₂ ^- , 0,643 µAµM ⁻¹ cm ⁻² , 10 nm y 0,01-1350 µM, respectivamente. Por lo tanto, demostraron que el sensor basado en grafeno podría utilizarse de forma eficaz en aplicaciones médicas y en la seguridad alimentaria [104]. Otro H ₂ basado en grafeno O ₂ El sensor fue preparado por Yin et al. [105]. En su estudio, Yin y sus colegas sintetizaron aerogeles de grafeno (GA) conductores tridimensionales (3D) decorados con Ni ₃ N NP mediante el método hidrotermal. Como resultado de su caracterización, mostraron que el Ni ₃ Los compuestos N / GA que obtuvieron podrían aplicarse no solo para H ₂ O ₂ sino también para la determinación de glucosa. Informaron que el Ni ₃ Electrodo basado en N / GA, en la determinación de H ₂ O ₂ , demostró un alto rendimiento electroquímico como el rango de detección de 5 µM – 75,13 mM, la sensibilidad de 101,9 µAmM ⁻¹ cm ⁻² y un límite de detección bajo de 1,80 µM. Además, para la determinación de glucosa, enfatizaron que el electrodo diseñado tiene un rango de detección de 0,1 a 7645,3 µM, un límite de detección de 0,04 µM y una sensibilidad de 905,6 µA mM ⁻¹ cm ⁻² [105].

Representación de biosensores basados en grafeno y su mecanismo

Se puede decir que recientemente ha habido un gran interés en los biosensores basados en grafeno para la detección práctica de glucosa. Tabla 3. Por ejemplo, Đurđić et al. [106] sintetizó con éxito un biosensor de un solo uso basado en Bi ₂ O ₃ -GNRs decorados por co-precipitación. Como resultado de su caracterización, demostraron que el sensor que obtuvieron tenía un límite de detección de 0.07 mM, un rango lineal de 0.28-1.70 mM y una sensibilidad de 64.81 μA / mMcm ² . Por lo tanto, propusieron que el sensor basado en grafeno podría detectar glucosa en suero sanguíneo y muestras de orina reproducibles y estables [106]. Ese mismo año, se diseñó con éxito un biosensor de glucosa útil mediante la síntesis hidrotermal en un solo recipiente de un hidrogel de grafeno poroso (NHGH) dopado con nitrógeno 3D con NiCo ₂ O ₄ nanoflores (NHGH / NiCo ₂ O ₄ ) por Lu y su equipo. Modificaron el GCE con el nanocompuesto que obtuvieron y evaluaron el rendimiento electroquímico del electrodo modificado para determinar la glucosa. En primer lugar, recibieron CV en una solución de NaOH 0,1 M, con una velocidad de exploración de 50 mV s ⁻¹ , para examinar el rendimiento catalítico electroquímico. Informaron que el NHGH / GCE tiene una corriente pico de oxidación aumentada de 0,5 V que la corriente pico anódica débil del GCE desnudo. Además, en su estudio, observaron que el par de picos redox es visible, lo que indica que la actividad electroquímica de NHGH / NiCo ₂ O ₄ / GCE es más alto en comparación con otros electrodos. Atribuyeron esta mejora a la superficie ampliada del grafeno , buena conductividad y reacciones redox de Co y Ni. Además, mostraron el comportamiento catalítico electroquímico de los electrodos en la adición de glucosa 5,0 mM. Interpretaron NHGH / NiCo ₂ O 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 O ₄ and NHGH. They also reported that the peak currents increased linearly with increasing glucose concentration and the NHGH/NiCo₂ O 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 O 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 , m ) SWNT, when (2n + m )/3 is an integer, the CNTs will be metallic. Thus, it can be claimed that all armchair nanotubes are metallic [130]. Therefore, the ability to control chirality during production means to control the electronic features of CNTs, which provides a great advantage in biosensor applications. Several different methods have been proposed to synthesize CNTs in recent years. However, there are three main synthesis techniques (arc discharge, laser ablation, and CVD for CNTs production [133]. Compared to arc-discharge and laser ablation methods, CVD is the most effective method for simple and cost-effective controlling the chirality of CNTs [133, 134].

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

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

Pie chart showing the distribution of CNTs in biomedical applications

CNTs, as with graphene and its derivatives, also make important contributions to the development of biosensors with higher sensitivity and selectivity by hybridizing with MONs. Researchers have recently focused on the production and characterization of new nanobiosensors that can combine the unique properties of CNTs with the superior properties of metal NPs. For instance, Rahman et al. [139] designed the Fe₃ O ₄ -decorated CNTs based 3-methoxyphenyl (3-MP) biosensor for environmental protection applications. Fe ₃ O 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 O 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 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.

Conclusión y Outlook

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

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