Biosensor Glukosa Bebas Enzim Berdasarkan Nanokomposit MoS2

Abstrak

Biosensor glukosa berkinerja tinggi sangat diinginkan untuk perawatan kesehatan. Untuk memenuhi tuntutan ini, biosensor glukosa, khususnya biosensor glukosa bebas enzim, telah mendapat banyak perhatian. Bahan dua dimensi, misalnya, graphene, dengan luas permukaan yang tinggi, sifat listrik yang sangat baik, dan biokompatibilitas yang baik, telah menjadi fokus utama penelitian biosensor dalam dekade terakhir. Ulasan ini menyajikan kemajuan terbaru yang dibuat dalam biosensor glukosa bebas enzim berdasarkan MoS₂ nanokomposit. Dua teknik yang berbeda untuk deteksi glukosa diperkenalkan, dengan penekanan pada biosensor glukosa elektrokimia. Tantangan dan perspektif masa depan MoS₂ biosensor glukosa nanokomposit juga dibahas.

Pengantar

Konsentrasi glukosa dalam darah manusia merupakan indikator kesehatan yang penting. Misalnya, orang sehat biasanya memiliki kadar glukosa darah sekitar 3,9–6,1 mM (1 mM =18 mg/dL), dan konsentrasi glukosa di luar kisaran ini dapat mengindikasikan disfungsi ginjal, diabetes, dll. [1]. Didorong oleh permintaan yang terus meningkat untuk perawatan kesehatan, banyak upaya telah dikhususkan untuk biosensor glukosa enzimatik berdasarkan glukosa oksidase (GO_x ) sejak laporan elektroda enzim oleh Updike dan Hicks pada tahun 1967 [2]. Terlepas dari kesederhanaan, efisiensi, sensitivitas tinggi, dan selektivitas biosensor glukosa enzimatik, dua tantangan utama, yaitu, biaya tinggi dan ketidakstabilan, masih belum dapat diatasi dengan memuaskan. Ini karena sensor glukosa enzimatik menggunakan enzim, seperti GO_x untuk mendeteksi glukosa secara tidak langsung, yang sering kali melibatkan katalis yang mahal dan konstruksi perangkat yang rumit, sehingga memerlukan biaya yang relatif tinggi [3, 4]. Selain itu, enzim seperti GO_x rentan terhadap suhu, kelembaban, pH, dan bahan kimia nonfisiologis karena ketidakstabilan termal dan kimia intrinsiknya [5, 6]. Imobilisasi GO_x pada permukaan elektroda sering menambahkan lapisan kesulitan lain dalam membuat sensor glukosa enzimatik dengan stabilitas dan reproduktifitas yang baik [7, 8].

Berkat perkembangan Internet of Things, sensor berbiaya rendah dan keandalan tinggi semakin menarik perhatian. Dalam mengejar sensor glukosa yang memenuhi tuntutan ini, biosensor elektrokimia bebas enzim telah mendapatkan popularitas karena sejumlah keunggulan, termasuk kesederhanaan, sensitivitas tinggi, dan stabilitas [9,10,11,12]. Biosensor elektrokimia bebas enzim secara langsung mendeteksi glukosa melalui oksidasi elektrokatalitik, yang menghindari penggunaan enzim yang mahal serta meningkatkan stabilitas dalam kondisi sekitar. Biosensor tersebut diharapkan dapat membuka peluang baru untuk digabungkan dengan perangkat portabel dan deteksi glukosa secara real-time [13]. Kunci untuk mewujudkan sensor glukosa bebas enzim yang praktis adalah katalis yang murah, andal, biokompatibel, dan berlimpah. Untuk tujuan ini, nanokomposit, misalnya, komposit bahan dua dimensi dan nanopartikel, telah banyak diadopsi sebagai bahan elektroda biosensor [14]. Secara khusus, bioelektronika berdasarkan bahan dua dimensi (2D) menjadi bidang interdisipliner baru yang menarik, karena banyak sifat fisik dan kimia yang unik dari bahan 2D, termasuk luas permukaan spesifik yang besar, konduktivitas yang sangat baik, dan sintesis yang mudah. Misalnya, area permukaan spesifik yang besar dari material 2D memungkinkan fungsionalitas permukaan yang mudah melalui hibridisasi. Konduktivitas yang tinggi memungkinkan transfer dan pengumpulan muatan yang efisien dalam material 2D. Di antara berbagai bahan 2D, graphene dan turunannya tidak diragukan lagi merupakan bahan yang paling banyak dipelajari dalam biosensor [15]. Jenis lain dari bahan 2D yang telah banyak dieksplorasi dalam elektronik dan optoelektronika juga menunjukkan manfaat menjadi bahan bioelektronika. Dichalcogenides logam transisi (TMDs), terutama molibdenum disulfida (MoS₂ ), memiliki keunggulan yang serupa dari luas permukaan spesifik yang besar, kelembaman kimia, dan fungsionalitas permukaan. Interkalasi ion atau molekul asing ke dalam nanosheet TMD dapat dengan mudah dicapai mengingat struktur atomnya yang unik [16]. Properti penting yang membuat MoS₂ menonjol dari bahan 2D lainnya adalah aktivitas katalitiknya yang tinggi muncul dari tepi yang terbuka [13]. Namun, kelemahan dari MoS₂ juga cukup jelas. Dibandingkan dengan graphene, 2D MoS₂ lembaran memiliki konduktivitas listrik yang jauh lebih rendah. Penumpukan ulang MoS₂ nanosheet semakin membatasi transfer muatan serta situs reaksi aktif.

Upaya marginal telah dilakukan pada sensor glukosa bebas enzim berdasarkan 2D MoS₂ sampai tahun-tahun belakangan ini. Performa buruk dari MoS₂ perangkat elektrokimia berbasis telah diatasi dengan baik dengan menggunakan sejumlah metode yang berhasil memecahkan konduktivitas intrinsik yang rendah. Beberapa MoS₂ biosensor glukosa elektrokimia berbasis telah dilaporkan dengan kinerja melebihi rekan-rekan graphene-nya [17]. Selain biosensor elektrokimia, metode non-elektrokimia berbiaya rendah juga baru-baru ini dipelajari untuk 2D MoS₂ , dengan memanfaatkan kemajuan MoS₂ dibuat dalam elektronik dan optoelektronik [18]. Dalam ulasan ini, kami merangkum kemajuan terbaru dalam MoS₂ biosensor glukosa berbasis. Perhatian khusus diberikan kepada MoS₂ biosensor glukosa elektrokimia berbasis, yang dijelaskan dalam “MoS Berbasis Biosensor Glukosa Elektrokimia₂ bagian nanokomposit. Dalam “Deteksi Glukosa Sensitivitas Tinggi Menggunakan MoS₂ Bagian Transistor Efek Medan”, MoS₂ transistor efek medan untuk deteksi glukosa glukosa diperkenalkan secara singkat. Akhirnya, kesimpulan dan perspektif masa depan dari MoS₂ biosensor glukosa nanokomposit disajikan.

MoS Berbasis Biosensor Glukosa Elektrokimia₂ Nanokomposit

Selama beberapa dekade, logam atau paduan telah menjadi pilihan katalis utama untuk oksidasi elektrokatalitik langsung glukosa [19]. Dalam dekade terakhir, material dua dimensi dengan luas permukaan yang besar serta sifat kimia dan fisik yang unik membuka peluang baru untuk banyak bidang termasuk penginderaan elektrokimia, penyimpanan energi, dan elektronik [20]. Dalam hal biosensing elektrokimia, nanokomposit dari bahan dan katalis 2D yang berbeda menunjukkan keunggulan yang jelas dibandingkan katalis tradisional. Kopling sinergis antara bahan-bahan ini, yaitu efek sinergis, dapat menyebabkan peningkatan yang berbeda dalam aktivitas katalitik [21]. Sejumlah besar nanokomposit tersebut, terutama yang didasarkan pada turunan graphene atau graphene, telah dikembangkan dan diterapkan pada sensor glukosa bebas enzim. MoS berlapis₂ diharapkan memiliki keunggulan yang sama karena memiliki sifat material graphene. Khususnya, lapisan MoS₂ nanosheets memiliki sejumlah besar tepi, yang mirip dengan lembaran graphene yang difungsikan, bertindak sebagai situs aktif untuk reaksi katalitik [22, 23].

Memang, Huang et al. MoS yang disintesis₂ nanoflowers dengan metode hidrotermal [24]. Elektroda karbon kaca yang dimodifikasi dengan MoS₂ nanoflowers dan komposit nanopartikel kitosan/Au menunjukkan reduksi overpotential yang berbeda untuk oksidasi bisphenol A. Sensor nanokomposit menunjukkan oksidasi elektrokatalitik bisphenol A yang efisien sebagaimana dibuktikan oleh arus yang meningkat secara signifikan dalam voltamogram siklik. Rentang deteksi linier yang baik dari 0,05 hingga 100 M diperoleh untuk penginderaan bisphenol A. Juga, batas deteksi 5 nM diperkirakan. Karya ini dengan jelas menunjukkan aktivitas elektrokatalitik yang sangat baik dan efek sinergis Au/MoS₂ nanokomposit. Demikian pula, MoS₂ nanokomposit berbasis telah digunakan untuk deteksi glukosa bebas enzim. MoS₂ bunga dengan luas permukaan yang besar disintesis dengan metode hidrotermal menggunakan cetyltrimethylammonium bromide (CTAB) sebagai surfaktan [25]. Morfologi bunga mikro dapat dikontrol oleh pH larutan reaksi, konsentrasi surfaktan CTAB, dan suhu annealing. MoS₂ bunga mikro yang diperoleh pada suhu anil 500 °C menunjukkan kualitas kristal yang baik dan karenanya meningkatkan transfer muatan. Menariknya, tes penginderaan glukosa bebas enzim elektrokimia menunjukkan bahwa MoS₂ elektroda microflower tanpa fungsi apa pun dapat menawarkan sensitivitas tinggi sebesar 570,71 A mM⁻¹ cm⁻² . Selain itu, sensor menunjukkan rentang deteksi linier yang luas hingga 30 mM.

Efek sinergis dari MoS₂ katalis yang didoping atau dihibridisasi oleh logam asing, seperti Cu, Ni, Co, dan Fe, juga berlaku untuk peningkatan katalisis elektrokimia glukosa. Huang dkk. berhasil menggabungkan keuntungan dari aktivitas elektrokatalitik tembaga yang kuat untuk oksidasi glukosa dan area permukaan yang besar serta situs tepi aktif MoS₂ nanosheet [26]. Nanopartikel Cu menghiasi MoS₂ nanosheets menunjukkan aktivitas elektrokatalitik terhadap oksidasi glukosa. Sensitivitas tinggi 1055 A mM⁻² cm⁻² dan rentang deteksi linier hingga 4 mM telah dilaporkan untuk Cu/MoS₂ sensor glukosa nanokomposit. Sensitivitas hampir dua kali lipat nilai yang diukur dari MoS₂ elektroda bunga mikro. Sensor juga menunjukkan selektivitas yang baik dalam mendeteksi glukosa terhadap asam urat, asam askorbat, dan dopamin. Arus interferensi yang disebabkan oleh bahan kimia ini hanya sekitar 2,1–5,2% dari glukosa, dan tingkat arus interferensi yang sedemikian rendah dapat dianggap diabaikan pada konsentrasi fisiologis.

Kandidat lain yang menarik adalah nikel (Ni), yang telah dipelajari secara ekstensif untuk hibrida Ni/graphene. Mirip dengan Cu, Ni juga merupakan logam yang melimpah di bumi. Pasangan redoks Ni³⁺ /Ni²⁺ menawarkan aktivitas katalitik yang mengesankan dalam media alkali. Oleh karena itu, Huang dkk. menggunakan MoS₂ nanosheet sebagai pendukung katalis untuk melumpuhkan nanopartikel Ni [27]. MoS₂ nanosheet disintesis dari MoS₂ bubuk dalam pelarut campuran etanol / air melalui pengelupasan cair. Ni nanopartikel berkurang pada MoS₂ nanosheet dengan memanaskan MoS₂ larutan nanosheet–etilena glikol pada 60 °C selama 1 jam setelah penambahan NiCl₂ ·6H₂ O prekursor dan N₂ H₄ ·H₂ larutan O dan NaOH. Elektroda sensor glukosa disiapkan dengan mendepositkan Ni-MoS₂ hibrid pada elektroda karbon kaca. Voltammogram siklik dari Ni/MoS₂ elektroda hibrida yang dimodifikasi dengan jelas mengungkapkan oksidasi glukosa dengan arus yang lebih tinggi daripada elektroda referensi yang dimodifikasi Ni. Peningkatan aktivitas elektrokatalitik dikaitkan dengan situs yang lebih aktif di MoS₂ nanosheets serta mengurangi agregasi nanopartikel Ni pada dukungan material 2D. Hasil amperometrik mengkonfirmasi rentang deteksi linier yang baik hingga 4 mM, sensitivitas tinggi 1824 μA mM⁻¹ cm⁻² , dan batas deteksi rendah 0,31 μM pada rasio sinyal/noise 3 (S/N =3). Dibandingkan dengan Cu/MoS₂ sensor glukosa nanokomposit, ada peningkatan lebih lanjut dalam sensitivitas dengan menggunakan Ni/MoS₂ nanokomposit. Dampak dari spesies yang mengganggu, termasuk dopamin, asam askorbat, dan asam urat, pada penginderaan glukosa juga ditemukan kecil. Lebih penting lagi, sensor menunjukkan reproduktifitas yang baik dan stabilitas tinggi. Pengurangan 3,4% yang dapat diabaikan dalam respons sensor diukur setelah penyimpanan sekitar selama 4 minggu. Selain itu, Anderson dkk. melaporkan biosensor glukosa non-enzimatik yang sangat sensitif dengan menggabungkan nanopartikel perak koloid dengan MoS₂ [28]. Pengenalan nanopartikel Ag adalah untuk mengatasi konduktivitas intrinsik yang buruk dari MoS₂ . Sensitivitas luar biasa 9044.6 μA mM⁻¹ cm⁻² dan batas deteksi rendah 0,03 μM dilaporkan. Namun, jangkauan deteksi linier hanya hingga 1 mM.

Aktivitas elektrokatalitik MoS₂ dapat lebih ditingkatkan dengan hibridisasi dengan graphene. Konduktivitas intrinsik MoS yang rendah₂ merusak aktivitas katalitiknya yang tinggi. Biaya transfer antar MoS₂ nanomaterial lambat dalam reaksi elektrokimia atau aplikasi elektronik umum. Di sisi lain, graphene memiliki konduktivitas listrik yang unggul dan dapat berfungsi sebagai solusi langsung untuk memperlambat transpor elektron di MoS₂ nanomaterial [29]. Jung dkk. fabrikasi tiga dimensi (3D) MoS₂ /graphene aerogel nanocomposites dengan metode hidrotermal satu pot [13]. Meskipun peningkatan aktivitas elektrokatalitik telah diamati dengan menggunakan struktur berpori 3D dibandingkan dengan sampel referensi 2D, penggunaan glukosa oksidase memperumit fabrikasi dan menghadapi masalah sensor enzimatik yang sama. Geng dkk. mensintesis Ni-doped MoS₂ nanopartikel yang didekorasi pada grafena oksida tereduksi (Ni-MoS₂ /rGO) dengan metode yang mudah dan terukur [30]. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1a, oksida graphene yang disintesis dengan metode Hummers and Offeman dicampur dengan CH₃ COOH dan air deionisasi. Larutan prekursor Ni-Mo dibuat dengan menambahkan (NH₄ )₂ MoS₄ dan Ni(CH₃ COO)₂ ·4H₂ O dengan rasio molar yang berbeda ke dalam larutan graphene oxide. Ni-MoS₂ Suspensi /rGO diperoleh setelah sentrifugasi dan pengeringan pada 80 °C. Ni-MoS yang dikumpulkan₂ Suspensi /rGO kemudian dikalsinasi selama 4 jam pada 600 °C di N₂ suasana. Ni-MoS yang diperoleh₂ /rGO nanokomposit digunakan untuk penginderaan glukosa non-enzimatik. Gambar 1b menunjukkan respons amperometrik dari elektroda sensor yang dimodifikasi oleh Ni-MoS₂ /rGO nanokomposit untuk penambahan berturut-turut larutan glukosa. Peningkatan arus yang jelas diamati setelah setiap penambahan glukosa. Selain itu, inset pada Gambar. 1b menunjukkan sensor mampu merespon konsentrasi glukosa serendah 5 μM. Sinyal arus yang tepat sebagai fungsi konsentrasi glukosa diplot pada Gambar. 1c, yang dengan jelas menunjukkan rentang deteksi linier yang luas dari sensor, 0,005–8,2 mM, yang mencakup tingkat glukosa darah manusia yang khas. Batas sensitivitas dan deteksi yang dihitung adalah 256,6 μA mM⁻¹ cm⁻² dan 2,7 μM (S/N =3), masing-masing. Meskipun sensitivitas dan batas deteksi sensor jelas lebih rendah daripada yang sebelumnya, rentang deteksi linier ditingkatkan dengan baik. Pekerjaan selanjutnya melaporkan peningkatan laju transpor elektron dan aktivitas elektrokatalitik dengan koefisien difusi 1,83 × 10⁻³ cm² s⁻¹ dan konstanta laju katalitik 6,26 × 10⁵ cm³ mol⁻¹ s⁻¹ dengan menggunakan Ni-MoS₂ /rGO komposit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1d, ketika sensor disimpan dalam kondisi kering, responsnya saat ini terhadap glukosa 1 mM tetap hampir tidak berubah selama 15 hari, menunjukkan stabilitas yang baik. Pengaruh bahan kimia interferensi umum, NaCl, dopamin, asam urat, asam askorbat, dan V_B , juga diperiksa. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 1e, dan dampak bahan kimia ini pada arus sinyal sangat kecil. Perubahan arus yang disebabkan oleh 0,1 mM NaCl, dopamin, asam urat, asam askorbat, dan V_B , konsentrasi khas bahan kimia interferensi dalam serum normal, hanya 0,76%, 2,77%, 6,03%, 0%, 2,51%, dan 0,63% dari respons saat ini terhadap glukosa 2,5 mM. Akhirnya, pekerjaan menunjukkan kecocokan yang baik antara konsentrasi yang diukur dengan Ni-MoS₂ /rGO sensor dan nilai rumah sakit yang dilaporkan, menunjukkan potensi besar sensor untuk aplikasi praktis [30].

a Skema sintesis Ni-MoS₂ /rGO komposit. b Respons amperometrik Ni-MoS₂ /rGO sensor untuk penambahan glukosa berturut-turut. c Arus respons yang diekstraksi ke konsentrasi glukosa yang berbeda. d Uji stabilitas sensor dengan pengukuran amperometri selama 15 hari. e Perbandingan respons amperometrik glukosa 2,5 mM dan bahan kimia interferensi 0,1 mM. Dicetak ulang dari [25], Hak Cipta 2017, dengan izin dari Elsevier

Cara alternatif untuk meningkatkan transfer biaya di MoS₂ nanokomposit adalah untuk hibridisasi dengan bahan karbon lain yang sangat konduktif dan bio-kompatibel, karbon nanotube (CNT). Sementara itu, cara ini dapat membatasi penumpukan ulang MoS₂ nanomaterial, sehingga memberikan situs reaksi yang lebih aktif. CNT juga telah banyak disintesis dalam struktur 3D dan diterapkan dalam penyimpanan energi, pemanenan energi, penginderaan, dll [31,32,33]. Li dkk. menyiapkan nanokomposit 3D dari MoS₂ nanosheets hibridisasi dengan nanopartikel kobalt oksida dan CNT [34]. Nanopartikel kobalt oksida digunakan untuk meningkatkan aktivitas elektrokatalitik dan CNT untuk meningkatkan konduktivitas. Metode hidrotermal satu pot yang digunakan untuk mensintesis Co-MoS₂ /CNT nanokomposit secara singkat ditunjukkan pada Gambar. 2a. Campuran CNT, 0,1 mmol Co(CH₃ COO)₂ 4H₂ O, 1,35 mmol Na₂ MoO₄ , dan 7,5 mmol l-sistein dipindahkan ke dalam autoklaf tahan karat berlapis Teflon dan disimpan pada 180 °C selama 24 jam. Produk kemudian didinginkan, disentrifugasi, dan dibilas dengan air deionisasi dan etanol absolut. Co-MoS yang dibersihkan₂ /CNT nanokomposit akhirnya dikeringkan dalam oven vakum pada 60 °C selama 6 h. Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) dan mikroskop elektron transmisi (TEM) dari Co-MoS₂ /CNT nanokomposit ditunjukkan pada Gambar. 2b, c. CNT bundel 3D khas dengan diameter sekitar 20 nm diamati. Gambar TEM dengan jelas menunjukkan CNT berongga yang melekat pada MoS₂ nanosheet. Struktur seperti itu berfungsi sebagai matriks yang sangat konduktif untuk mendukung MoS₂ nanosheets dan melumpuhkan partikel nano Co. Co-MoS yang padat₂ /CNT nanocomposites tidak hanya memberikan jumlah tepi aktif katalitik yang baik tetapi juga memungkinkan transfer muatan yang efisien selama reaksi. Lebih penting lagi, Co-MoS yang padat₂ /CNT struktur dan jarak antarlapisan yang cukup besar yaitu 0,65 nm untuk MoS₂ (lebih besar dari 0.34 nm untuk CNT) secara efektif menekan penumpukan ulang MoS₂ /CNT komposit. Voltametri siklik dan pengukuran amperometrik tipikal dilakukan untuk memeriksa kinerja sensor bebas enzim yang terbuat dari Co-MoS₂ /CNT nanokomposit. Respons amperometrik Co-MoS₂ /CNT elektroda penginderaan diukur (pada 0,65 V vs Ag/AgCl) dengan penambahan glukosa berturut-turut ditunjukkan pada Gambar. 2d. Peningkatan langkah yang berbeda dalam arus respons terhadap penambahan glukosa diamati. Rentang deteksi linier yang baik dicapai hingga 5.2 mM, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2e. Sensitivitas yang dihitung adalah 131,69 μA mM⁻¹ cm⁻² . Meskipun sensitivitasnya relatif rendah, batas deteksi yang sangat rendah sebesar 80 nM diperoleh (S/N =3) dari Gambar 2f.

a Diagram skema perakitan hidrotermal Co-MoS2/CNTs. b SEM dan c Gambar TEM dari Co-MoS2/CNT yang disintesis. d Respons amperometrik Co-MoS₂ /CNT sensor untuk penambahan glukosa berturut-turut. e Arus respons yang diekstraksi ke konsentrasi glukosa yang berbeda. f Kurva amperometrik Co-MoS₂ /CNT sensor ke 80 nM glukosa. Dicetak ulang dari [29], Hak Cipta 2019, dengan izin dari Elsevier

Mirip dengan efek sinergis yang ditampilkan oleh bahan hibrid logam-2D, paduan bimetalik dan struktur nano juga menunjukkan peningkatan kinerja katalitik dan menunjukkan potensi yang baik untuk banyak aplikasi, termasuk penginderaan [35], pemanenan energi [36, 37], dll. Li et al . baru-baru ini mensintesis nanopartikel bimetal Au-Pd untuk hidrogen peroksida non-enzimatik dan penginderaan glukosa [5]. Pembuatan Au-Pd/MoS₂ elektroda sensor diilustrasikan pada Gambar. 3a. MoS₂ nanosheets disiapkan dengan pengelupasan cair. Nanopartikel bimetalik Au-Pd disintesis dengan reduksi kimia. Au-Pd/MoS₂ . yang telah disiapkan nanokomposit kemudian diendapkan pada elektroda karbon kaca untuk penginderaan kimia. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3b, langkah-langkah yang baik saat ini diamati dengan penambahan glukosa berturut-turut. Rentang deteksi linier diukur sebagai 0,5-20 mM jauh melampaui kadar glukosa darah manusia normal (Gbr. 3c). Alih-alih menggunakan nanopartikel bimetalik konvensional yang seringkali terbuat dari logam mahal, Ma et al. merancang MoS yang dihias bersama nanopartikel-polipirol (PPY) emas₂ nanokomposit [38]. Hibrida logam/polimer konduktif juga diharapkan dapat meningkatkan luas permukaan dan konduktivitas elektroda sensor. Selain itu, penggunaan polimer konduktif selanjutnya dapat mengurangi biaya sensor elektrokimia. MoS yang dibuat₂ Elektroda karbon -PPY-Au/kaca menunjukkan deteksi rendah yang luar biasa 0,08 nM, selektivitas yang hampir bebas gangguan, dan stabilitas yang lama selama 3 minggu. Namun, sensitivitas sensornya hanya 37,35 μA·μM^–1 ·cm^–2 dan jangkauan deteksi agak terbatas (0,1–80 nM).

a Ilustrasi sintesis Au-Pd/MoS₂ nanokomposit dan perakitan pada elektroda karbon kaca untuk penginderaan elektrokimia non-enzimatik H₂ O₂ dan glukosa. b Respons amperometrik Au-Pd/MoS₂ sensor nanokomposit untuk penambahan glukosa berturut-turut. c Arus respons yang diekstraksi ke konsentrasi glukosa yang berbeda. Dicetak ulang dari [5], Hak Cipta 2017, dengan izin dari Elsevier

Selain logam, oksida logam dengan aktivitas katalitik tinggi juga telah dicoba untuk meningkatkan katalisis elektrokimia. Terlepas dari aktivitas elektrokatalitiknya yang tinggi, biaya oksida logam yang rendah adalah keuntungan lain yang tidak dapat ditekankan untuk sensor elektrokimia berbiaya rendah. Di antara berbagai oksida logam, Cu₂ O nanomaterial dengan morfologi yang berbeda menjanjikan untuk katalisis dalam berbagai aplikasi. Fang dkk. telah dipelajari MoS₂ dihiasi dengan Cu₂ O nanopartikel untuk penginderaan glukosa non-enzim [39]. Pengukuran amperometrik Cu₂ O/MoS₂ elektroda hibrida yang dimodifikasi menunjukkan rentang linier yang baik dari 0,01 hingga 4 mM. Batas deteksi yang diekstraksi adalah sekitar 1 μM. Sensitivitas dihitung setinggi 3108,87 μA mM⁻¹ cm⁻² , yang lebih tinggi dari kebanyakan MoS₂ sensor glukosa non-enzim berbasis. Hasilnya juga menunjukkan potensi yang baik dari oksida logam untuk sensor glukosa non-enzim berbiaya rendah. Perbandingan biosensor glukosa bebas enzim berdasarkan MoS₂ nanokomposit disajikan pada Tabel 1.

Deteksi Glukosa Sensitivitas Tinggi Menggunakan MoS₂ Transistor Efek Medan

MoS₂ transistor efek medan (FET) memiliki sejumlah keunggulan, seperti rasio arus switching yang tinggi, arus bocor yang rendah, ayunan subthreshold kecil, dan mobilitas tinggi [41, 42]. Berkat sifat elektronik dan ketahanan mekanisnya yang luar biasa, MoS₂ transistor menunjukkan harapan yang baik untuk energi rendah, biaya rendah, dan elektronik yang dapat dipakai [43, 44]. Biosensor, fotodetektor, sensor gas, dan rekan fleksibelnya berdasarkan MoS₂ transistor baru-baru ini telah dilaporkan [45]. Kelebihan MoS₂ transistor membuat sensor ini sangat sensitif, konsumsi daya rendah, portabel, dll. MoS₂ FET telah dilaporkan sebagai berbagai sensor untuk kelembaban, H₂ O₂ , TIDAK, TIDAK₂ , NH₃ , DNA, dll. [46,47,48,49]. Shan dkk. melaporkan MoS pertama₂ transistor efek medan berbasis untuk deteksi glukosa [40]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, sebuah MoS gerbang belakang₂ FET dibuat pada SiO₂ /Si substrat. Elektroda source dan drain dipolakan dengan fotolitografi dan litografi e-beam. Kontak Au/Ni (70 nm/10 nm) diendapkan dengan penguapan. Perlu dicatat bahwa MoS₂ bahan saluran sekitar 2 μm × 3 μm secara mekanis terkelupas dan dipindahkan ke elektroda pra-pola, seperti yang ditampilkan pada Gambar. 4b. Transistor buatan ditempatkan dalam sel sampel dan diuji.

a Skema dari MoS back-gated₂ transistor. b Gambar mikroskop optik dari MoS₂ bahan saluran antara elektroda sumber dan saluran pembuangan. c Respons arus real-time terhadap konsentrasi glukosa yang berbeda. d Respon saat ini I _ds dari MoS₂ FET sebagai fungsi konsentrasi glukosa, dari 0 hingga 30 mM. Inset menunjukkan arus respons yang diekstraksi untuk konsentrasi glukosa yang lebih rendah, dari 0 hingga 1,0 μM. Dicetak ulang di bawah CC BY-NC 3.0 dari [44]

I . yang terukur _ds –V _ds kurva dengan konsentrasi yang berbeda dari larutan glukosa jelas menunjukkan peningkatan arus sumber-drain dengan peningkatan konsentrasi glukosa. Perlu diperhatikan bahwa GO_x enzim ditambahkan ke konsentrasi glukosa. Oleh karena itu, penginderaan tidak sepenuhnya bebas enzim. Arus saluran yang ditingkatkan pada peningkatan konsentrasi glukosa dikaitkan dengan oksidasi glukosa enzimatik. Elektron yang dihasilkan dari reaksi dipindahkan ke MoS tipe-n₂ saluran dan karenanya meningkatkan konduktivitasnya. Untuk mengilustrasikan respons sensor terhadap glukosa, I . real-time _ds pengukuran dilakukan dengan penambahan berturut-turut konsentrasi glukosa yang berbeda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c. Pengukuran dimulai dengan larutan PBS murni dan larutan konsentrasi lebih tinggi dengan 1 mM lebih banyak glukosa ditempatkan sebelumnya setiap menit. Respon arus sumber-drain terhadap konsentrasi glukosa yang berbeda diplot pada Gambar. 4d. Jelas, MoS₂ Sensor FET menunjukkan rentang linier yang sangat besar untuk deteksi glukosa, hingga 30 mM. Pengujian diulangi untuk larutan glukosa konsentrasi rendah untuk menyelidiki batas deteksi dan sensitivitas MoS₂ sensor FET. Seperti yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 4d, sensor dapat dengan jelas mendeteksi keberadaan glukosa dengan konsentrasi serendah 300 nM. Sensitivitas MoS₂ Biosensor glukosa FET dihitung menjadi 260,75 mA mM⁻¹ . Selain sensitivitas tinggi dan batas deteksi rendah, perangkat ini juga menunjukkan stabilitas tinggi hingga 45 hari. Namun, perangkat saat ini harus melibatkan penambahan GO_x enzim dalam larutan glukosa yang sedang diuji, yang membuatnya kurang praktis untuk aplikasi portabel.

Kesimpulan dan Perspektif

Ulasan mini ini menyajikan upaya terbaru yang dilakukan untuk mengembangkan MoS berbasis biosensor bebas enzim₂ nanokomposit. Publikasi ini semuanya menyajikan sarana yang mudah dan murah untuk sensor glukosa kinerja tinggi, dalam hal sensitivitas, jangkauan deteksi linier, dan batas deteksi. Studi-studi ini tidak diragukan lagi membuka peluang baru menuju sensor glukosa yang murah dan sensitif. Kemajuan sebagian besar tergantung pada kemajuan terbaru yang dibuat dalam sintesis nanokomposit baru dari bahan 2D, bahan nano logam, dan nanopartikel oksida katalitik. Diharapkan lebih banyak upaya akan diinvestasikan ke arah ini, dan pengalaman yang terkumpul sangat bermanfaat untuk studi masa depan tentang bahan terkait untuk aplikasi penginderaan.

Namun, pada saat yang sama, orang harus menyadari bahwa masih banyak upaya yang diperlukan untuk aplikasi klinis atau praktis lainnya. Stabilitas dan reproduktifitas perangkat ini masih harus ditingkatkan. Baik waktu penyimpanan terbatas atau dalam kondisi kering sejauh ini digunakan. Kedua, metode sintesis kimia mudah dan berbiaya rendah, tetapi apakah metode tersebut terukur masih belum jelas. Teknik baru, seperti pencetakan inkjet, dapat digunakan untuk fabrikasi sensor skala besar yang dapat diulang. Meskipun MoS₂ sensor elektrokimia berbasis menunjukkan kinerja yang kompetitif dibandingkan dengan rekan berbasis bahan karbon, kelebihannya, misalnya, situs tepi katalitik MoS₂ , tidak substansial. Jelas ada banyak ruang untuk benar-benar memanfaatkan properti unik MoS₂ untuk perbaikan lebih lanjut dalam penginderaan glukosa non-enzimatik. Selanjutnya, pengembangan MoS berbasis biosensor glukosa yang fleksibel₂ nanokomposit penting untuk penginderaan fleksibel dalam perawatan kesehatan dan harus lebih kompetitif di pasar, yang pasti akan menjadi pusat penelitian di masa depan.

Terakhir, MoS₂ Sensor berbasis FET menunjukkan kinerja yang sangat baik dalam penginderaan glukosa. Mengingat perkembangan terbaru dari MoS₂ FET, arah ini tampaknya sangat menjanjikan dalam mengembangkan sensor glukosa murah dan jenis sensor kimia lainnya. Harus ditekankan bahwa pekerjaan saat ini dilaporkan di MoS₂ Sensor glukosa FET hanya berfungsi untuk GO_x -larutan glukosa yang didoping. Pekerjaan di masa depan perlu menemukan alternatif untuk menghindari penggunaan GO_x untuk penerapan MoS yang lebih praktis₂ Sensor glukosa FET.