Biosensor Glukosa Tanpa Enzim Berbasis Nanokomposit MoS₂: Pendekatan Terkini

Abstrak

Biosensor glukosa berkinerja tinggi sangat dibutuhkan untuk layanan kesehatan. Untuk memenuhi permintaan ini, biosensor glukosa, khususnya biosensor glukosa tanpa enzim, telah mendapat perhatian besar. Materi dua dimensi, misalnya grafen, dengan luas permukaan tinggi, properti listrik yang unggul, dan biokompatibilitas yang baik, telah menjadi fokus utama penelitian biosensor dalam sepuluh tahun terakhir. Ulasan ini menyajikan kemajuan terbaru dalam biosensor glukosa tanpa enzim berbasis nanokomposit MoS₂. Dua teknik berbeda untuk deteksi glukosa diperkenalkan, dengan penekanan pada biosensor glukosa elektrokimia. Tantangan dan perspektif masa depan biosensor glukosa nanokomposit MoS₂ juga dibahas.

Pendahuluan

Konsentrasi glukosa dalam darah manusia adalah 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 rentang ini dapat mengindikasikan disfungsi ginjal, diabetes, dan lain-lain [1]. Dorong oleh permintaan layanan kesehatan yang semakin meningkat, banyak upaya telah dikabarkan untuk biosensor glukosa enzimatik yang berbasis glukosa oksidase (GO_x) sejak laporan elektroda enzim oleh Updike dan Hicks pada 1967 [2]. Meskipun kesederhanaan, efisiensi, sensitivitas tinggi, dan selektivitas biosensor glukosa enzimatik, dua tantangan utama, yaitu biaya tinggi dan ketidakstabilan, masih tidak dapat diatasi secara memuaskan. Hal ini karena sensor glukosa enzimatik menggunakan enzim, seperti GO_x untuk mendeteksi glukosa secara tidak langsung, yang sering melibatkan katalis mahal dan konstruksi perangkat yang rumit, sehingga biaya relatif tinggi [3, 4]. Selain itu, enzim seperti GO_x rentan terhadap suhu, kelembaban, pH, dan kimia nonfisiologis karena ketidakstabilan termal dan kimia intrinsiknya [5, 6]. Immobilisasi GO_x pada permukaan elektroda sering menambahkan lapisan kesulitan lain dalam pembuatan sensor glukosa enzimatik dengan stabilitas dan reproduktibilitas yang baik [7, 8].

Berkat perkembangan Internet of Things, sensor dengan biaya rendah dan keandalan tinggi telah menarik perhatian yang semakin besar. Dalam upaya mencari sensor glukosa yang memenuhi kebutuhan ini, biosensor elektrokimia tanpa enzim telah menjadi populer karena sejumlah keuntungan, termasuk kesederhanaan, sensitivitas tinggi, dan stabilitas [9,10,11,12]. Biosensor elektrokimia tanpa enzim langsung mendeteksi glukosa melalui oksidasi elektrokataltik, yang menghindari penggunaan enzim mahal serta meningkatkan stabilitas dalam kondisi lingkungan. Biosensor seperti ini diharapkan membuka peluang baru untuk integrasi dengan perangkat portabel dan deteksi glukosa real-time [13]. Kunci untuk merealisasikan sensor glukosa tanpa enzim yang praktis adalah katalis yang murah, andal, biokompatibel, dan melimpah. Untuk tujuan ini, nanokomposit, misalnya komposit materi dua dimensi dan nanopartikel, telah banyak digunakan sebagai materi elektroda biosensor [14]. Secara khusus, bioelektronika berbasis materi dua dimensi (2D) menjadi bidang ilmu multi disiplin baru yang menarik, berkat banyak properti fisik dan kimia unik materi 2D, termasuk luas permukaan spesifik yang besar, konduktivitas yang unggul, dan sintesis yang mudah. Misalnya, luas permukaan spesifik yang besar dari materi 2D memungkinkan fungsionalisasi permukaan yang mudah melalui hibridisasi. Konduktivitas tinggi memungkinkan transfer dan pengumpulan muatan yang efisien dalam materi 2D. Di antara berbagai materi 2D, grafen dan turunannya tidak diragukan lagi adalah materi yang paling banyak diteliti dalam biosensor [15]. Jenis lain materi 2D yang telah banyak dieksplorasi dalam elektronika dan optoelektronika juga menunjukkan kelebihan sebagai materi bioelektronika. Dalkogenida logam transisi (TMDs), terutama disulfida molibdenum (MoS₂), memiliki keuntungan serupa seperti luas permukaan spesifik yang besar, keinertan kimia, dan fungsionalitas permukaan. Intrikasi ion atau molekul asing ke dalam nanosheet TMD dapat dengan mudah dicapai berkat struktur atom uniknya [16]. Properti penting yang membuat MoS₂ unggul dibandingkan materi 2D lain adalah aktivitas katalitik tinggi yang timbul dari tepi yang terpapar [13]. Namun, kelemahan MoS₂ juga cukup jelas. Dibandingkan grafen, lembar 2D MoS₂ memiliki konduktivitas listrik yang jauh lebih rendah. Restacking nanosheet MoS₂ lebih membatasi transfer muatan serta sit reaksi aktif.

Upaya yang sedikit telah dilakukan dalam sensor glukosa tanpa enzim berbasis 2D MoS₂ hingga tahun-tahun terakhir. Performa buruk perangkat elektrokimia berbasis MoS₂ telah berhasil diatasi dengan sejumlah metode yang berhasil mengatasi konduktivitas intrinsik rendah. Beberapa biosensor glukosa elektrokimia berbasis MoS₂ telah dilaporkan dengan performa yang melebihi sejenis grafennya [17]. Selain biosensor elektrokimia, metode non-elektrokimia dengan biaya rendah juga telah baru-baru ini diteliti untuk 2D MoS₂, dengan memanfaatkan kemajuan MoS₂ dalam elektronika dan optoelektronika [18]. Dalam ulasan ini, kami merangkum kemajuan terbaru dalam biosensor glukosa berbasis MoS₂. Perhatian khusus diberikan pada biosensor glukosa elektrokimia berbasis MoS₂, yang dijelaskan pada bagian "Biosensor Glukosa Elektrokimia Berbasis Nanokomposit MoS₂". Pada bagian "Deteksi Glukosa Sensitif Tinggi Menggunakan Transistor Efek Medan MoS₂", transistor efek medan MoS₂ untuk deteksi glukosa diperkenalkan secara singkat. Terakhir, kesimpulan dan perspektif masa depan biosensor glukosa nanokomposit MoS₂ disajikan.

Biosensor Glukosa Elektrokimia Berbasis Nanokomposit MoS₂

Selama beberapa dekade, logam atau aloi telah menjadi opsi katalis utama untuk oksidasi elektrokataltik langsung glukosa [19]. Dalam sepuluh tahun terakhir, materi dua dimensi dengan luas permukaan besar serta properti kimia dan fisik unik membuka peluang baru untuk banyak bidang termasuk sensor elektrokimia, penyimpanan energi, dan elektronika [20]. Dalam hal biosensing elektrokimia, nanokomposit dari berbagai materi 2D dan katalis menunjukkan keuntungan yang jelas dibandingkan katalis tradisional. Pengikatan sinergis antar materi ini, yaitu efek sinergi, dapat menyebabkan peningkatan aktivitas katalitik yang signifikan [21]. Banyak nanokomposit seperti itu, terutama yang berbasis grafen atau turunan grafennya, telah dikembangkan dan diterapkan pada sensor glukosa tanpa enzim. Lemaran MoS₂ diharapkan memiliki keuntungan serupa karena berbagi properti materi dengan grafen. Secara khusus, lembar nanosheet MoS₂ memiliki sejumlah besar tepi, yang, mirip dengan lembar grafen yang difungsionalkan, bertindak sebagai sit aktif untuk reaksi katalitik [22, 23].

Memang, Huang et al. sintesis bunga nano MoS₂ dengan metode hidrotermal [24]. Elektroda karbon kaca yang dimodifikasi dengan bunga nano MoS₂ dan komposit chitosan/nanopartikel emas menunjukkan penurunan potensial over yang signifikan untuk oksidasi bisfenol A. Sensor nanokomposit menunjukkan oksidasi elektrokataltik yang efisien bagi bisfenol A sebagaimana ditunjukkan oleh peningkatan arus yang signifikan dalam voltamogram siklis. Rentang deteksi linier yang baik dari 0,05 hingga 100 μM diperoleh untuk sensing bisfenol A. Juga, batas deteksi sangat rendah 5 nM diperkirakan. Kerja ini jelas menunjukkan aktivitas elektrokataltik yang unggul dan efek sinergis dari komposit Au/MoS₂. Secara serupa, nanokomposit berbasis MoS₂ telah digunakan untuk deteksi glukosa tanpa enzim. Bunga MoS₂ dengan luas permukaan besar di sintesis dengan metode hidrotermal menggunakan bromida setiltrimetilamoniun (CTAB) sebagai surfaktan [25]. Morfologi bunga mikro dapat dikontrol oleh pH larutan reaksi, konsentrasi surfaktan CTAB, dan suhu anil. Bunga mikro MoS₂ yang dihasilkan pada suhu anil 500 °C menunjukkan kualitas kristal yang baik dan sehingga transfer muatan yang ditingkatkan. Menariknya, tes sensing glukosa elektrokimia tanpa enzim menunjukkan bahwa elektroda bunga mikro MoS₂ tanpa fungsionalisasi apa pun dapat menawarkan sensitivitas tinggi sebesar 570,71 μA mM⁻¹ cm⁻². Selain itu, sensor menunjukkan rentang deteksi linier yang luas hingga 30 mM.

Efek sinergis dari katalis MoS₂ yang doti atau hibrida dengan logam asing, seperti Cu, Ni, Co, dan Fe, juga berlaku untuk katalisis elektrokimia glukosa yang ditingkatkan. Huang et al. berhasil menggabungkan keuntungan dari aktivitas elektrokataltik yang kuat tembaga untuk oksidasi glukosa dan luas permukaan serta sit tepi aktif nanosheet MoS₂ [26]. Nanosheet MoS₂ yang dihiasi nanopartikel Cu menunjukkan aktivitas elektrokataltik terhadap oksidasi glukosa. Sensitivitas tinggi sebesar 1055 μA mM⁻² cm⁻² dan rentang deteksi linier hingga 4 mM telah dilaporkan untuk sensor glukosa nanokomposit Cu/MoS₂. Sensitivitasnya hampir dua kali lipat nilai yang diukur dari elektroda bunga mikro MoS₂. Sensor juga menunjukkan selektivitas yang baik dalam mendeteksi glukosa terhadap asam urat, asam askorbat, dan dopamin. Arus gangguan yang disebabkan oleh kimia ini hanya sekitar 2,1–5,2% dari arus glukosa, dan tingkat arus gangguan yang rendah ini dapat dianggap tidak signifikan pada konsentrasi fisiologis.

Kandidat menarik lainnya adalah nikel (Ni), yang telah banyak diteliti untuk hibrida Ni/grafen. Mirip dengan Cu, Ni juga merupakan logam yang melimpah di bumi. Pasangan redoks Ni³⁺/Ni²⁺ menawarkan aktivitas katalitik yang mengesankan dalam media basa. Oleh karena itu, Huang et al. menggunakan nanosheet MoS₂ sebagai dukungan katalis untuk immobilisasi nanopartikel Ni [27]. Nanosheet MoS₂ di sintesis dari bubuk MoS₂ dalam pelarut campuran etanol/air melalui eksfoliasi cair. Nanopartikel Ni direduksi pada nanosheet MoS₂ dengan memanaskan larutan nanosheet MoS₂–etilena glikol pada 60 °C selama 1 jam setelah penambahan precursor NiCl₂·6H₂O dan larutan N₂H₄·H₂O dan NaOH. Elektroda sensor glukosa disiapkan dengan menyetor hibrida Ni-MoS₂ pada elektroda karbon kaca. Voltamogram siklis elektroda yang dimodifikasi hibrida Ni/MoS₂ secara jelas menunjukkan oksidasi glukosa dengan arus yang lebih tinggi dibandingkan elektroda referensi yang dimodifikasi Ni. Aktivitas elektrokataltik yang ditingkatkan dikaitkan dengan lebih banyak sit aktif pada nanosheet MoS₂ serta pengurangan aglomerasi nanopartikel Ni pada dukungan materi 2D. Hasil amperometrik mengonfirmasi rentang deteksi linier yang baik hingga 4 mM, sensitivitas tinggi sebesar 1824 μA mM⁻¹ cm⁻², dan batas deteksi rendah sebesar 0,31 μM pada rasio sinis/gis 3 (S/N = 3). Dibandingkan sensor glukosa nanokomposit Cu/MoS₂, ada peningkatan sensitivitas lebih lanjut dengan menggunakan nanokomposit Ni/MoS₂. Dampak spesies gangguan, termasuk dopamin, asam askorbat, dan asam urat, pada sensing glukosa juga ditemukan tidak signifikan. Yang lebih penting, sensor menunjukkan reproduktibilitas yang baik dan stabilitas tinggi. Pengurangan 3,4% yang tidak signifikan dalam respons sensor diukur setelah penyimpanan di lingkungan selama 4 minggu. Selain itu, Anderson et al. melaporkan biosensor glukosa non-enzimatik yang sangat sensitif dengan memasukkan nanopartikel koloidal perak dengan MoS₂ [28]. Pengenalan nanopartikel Ag bertujuan untuk mengatasi konduktivitas intrinsik yang buruk MoS₂. Sensitivitas yang luar biasa sebesar 9044,6 μA mM⁻¹ cm⁻² dan batas deteksi rendah sebesar 0,03 μM dilaporkan. Namun, rentang deteksi linier hanya hingga 1 mM.

Aktivitas elektrokataltik MoS₂ dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan hibrida dengan grafennya. Konduktivitas intrinsik rendah MoS₂ merugikan aktivitas katalitik yang tinggi. Transfer muatan antara nanomaterial MoS₂ lambat dalam reaksi elektrokimia atau aplikasi elektronika umum. Di sisi lain, grafennya memiliki konduktivitas listrik yang unggul dan dapat menjadi solusi segera untuk transportasi elektron yang lambat dalam nanomaterial MoS₂ [29]. Jeong et al. membuat nanokomposit aerogel MoS₂/grafennya 3D dengan metode hidrotermal satu tongkat [13]. Meskipun aktivitas elektrokataltik yang ditingkatkan telah diamati dengan menggunakan struktur pori 3D dibandingkan sampel referensi 2D, penggunaan glukosa oksidase merumitkan pembuatan dan menghadapi masalah yang sama dengan sensor enzimatik. Geng et al. sintesis nanopartikel Ni-doti MoS₂ yang dihiasi pada grafen oksida yang direduksi (Ni-MoS₂/rGO) dengan metode yang mudah dan dapat diskalakan [30]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, grafen oksida yang di sintesis dengan metode Hummers dan Offeman dicampur dengan CH₃COOH dan air deionis. Larutan precursor Ni-Mo disiapkan dengan menambahkan (NH₄)₂MoS₄ dan Ni(CH₃COO)₂·4H₂O dengan rasio molar yang berbeda ke dalam larutan grafen oksida. Suspensi Ni-MoS₂/rGO diperoleh setelah sentrifugasi dan pengeringan pada 80 °C. Suspensi Ni-MoS₂/rGO yang terkumpul kemudian dianil selama 4 jam pada 600 °C dalam atmosfer N₂. Nanokomposit Ni-MoS₂/rGO yang diperoleh digunakan untuk sensing glukosa non-enzimatik. Gambar 1b menunjukkan respons amperometrik dari elektroda sensor yang dimodifikasi nanokomposit Ni-MoS₂/rGO terhadap penambahan berurutan larutan glukosa. Peningkatan arus yang jelas diamati setelah setiap penambahan glukosa. Selain itu, insiden pada Gambar 1b menunjukkan sensor mampu merespons konsentrasi glukosa yang rendah hingga 5 μM. Sinyal arus yang diekstrak sebagai fungsi konsentrasi glukosa ditampilkan pada Gambar 1c, yang jelas menunjukkan rentang deteksi linier yang luas dari sensor, 0,005–8,2 mM, yang mencakup dengan baik kadar glukosa darah manusia yang normal. Sensitivitas dan batas 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 secara jelas lebih rendah dibandingkan yang sebelumnya, rentang deteksi linier telah ditingkatkan secara signifikan. Kerja ini juga melaporkan tingkat transfer elektron dan aktivitas elektrokataltik yang ditingkatkan dengan koefisien difusi 1,83 × 10⁻³ cm²s⁻¹ dan konstanta laju katalitik 6,26 × 10⁵ cm³mol⁻¹ s⁻¹ dengan menggunakan komposit Ni-MoS₂/rGO. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1d, ketika sensor disimpan dalam kondisi kering, respons arusnya terhadap 1 mM glukosa tetap hampir tidak berubah selama 15 hari, menunjukkan stabilitas yang baik. Pengaruh kimia gangguan umum, NaCl, dopamin, asam urat, asam askorbat, dan V_B, juga diperiksa. Hasilnya ditampilkan pada Gambar 1e, dan dampak kimia ini pada sinyal arus tidak signifikan. Perubahan arus yang disebabkan oleh 0,1 mM NaCl, dopamin, asam urat, asam askorbat, dan V_B, konsentrasi typikal dari kimia gangguan dalam serum normal, hanya 0,76%, 2,77%, 6,03%, 0%, 2,51%, dan 0,63% dari respons arus terhadap 2,5 mM glukosa. Terakhir, kerja ini menunjukkan kecocokan yang baik antara konsentrasi yang diukur oleh sensor Ni-MoS₂/rGO dan nilai rumah sakit yang dilaporkan, yang menunjukkan potensi besar sensor untuk aplikasi praktis [30].

a Skematik sintesis komposit Ni-MoS₂/rGO. b Respons amperometrik sensor Ni-MoS₂/rGO terhadap penambahan berurutan glukosa. c Respons arus yang diekstrak untuk berbagai konsentrasi glukosa. d Uji stabilitas sensor dengan pengukuran amperometrik selama 15 hari. e Perbandingan respons amperometrik 2,5 mM glukosa dan 0,1 mM kimia gangguan. Dicetak ulang dari [25], Hak Cipta 2017, dengan izin dari Elsevier

Cara alternatif untuk meningkatkan transfer muatan dalam nanokomposit MoS₂ adalah dengan hibrida dengan materi karbon yang sangat konduktif dan biokompatibel, nanotubus karbon (CNT). Sementara itu, cara ini juga dapat membatasi restacking nanomaterial MoS₂, sehingga menyediakan lebih banyak sit reaksi aktif. CNT juga telah banyak di sintesis dalam struktur 3D dan diterapkan dalam penyimpanan energi, penampungan energi, sensing, dan lain-lain [31,32,33]. Li et al. menyiapkan nanokomposit 3D dari lembar MoS₂ yang hibrida dengan nanopartikel oksida kobalt dan CNT [34]. Nanopartikel oksida kobalt digunakan untuk meningkatkan aktivitas elektrokataltik dan CNT untuk meningkatkan konduktivitas. Metode hidrotermal satu tongkat yang digunakan untuk sintesis nanokomposit Co-MoS₂/CNT secara singkat ditunjukkan pada Gambar 2a. Campuran CNT, 0,1 mmol Co(CH₃COO)₂ 4H₂O, 1,35 mmol Na₂MoO₄, dan 7,5 mmol l-sistein dipindahkan ke autoclave stainless dilapis Teflon dan dipanaskan pada 180 °C selama 24 jam. Produk kemudian didinginkan, disentrifugasi, dan dicuci dengan air deionis dan etanol mutlak. Nanokomposit Co-MoS₂/CNT yang bersih akhirnya dikeringkan dalam oven vakum pada 60 °C selama 6 jam. Citra mikroskop elektron pemindai (SEM) dan mikroskop transmisi elektron (TEM) dari nanokomposit Co-MoS₂/CNT ditampilkan pada Gambar 2b, c. CNT berikatan 3D tipikal dengan diameter sekitar 20 nm diamati. Citra TEM jelas menunjukkan CNT berlubang yang melekat pada lembar MoS₂. Struktur seperti ini berfungsi sebagai matriks yang sangat konduktif untuk mendukung lembar MoS₂ dan immobilisasi nanopartikel Co. Nanokomposit Co-MoS₂/CNT yang padat ini tidak hanya menyediakan sejumlah besar tepi katalitik aktif tetapi juga memungkinkan transfer muatan yang efisien selama reaksi. Yang lebih penting, struktur Co-MoS₂/CNT yang padat dan spasi lapisan yang cukup besar sebesar 0,65 nm untuk MoS₂ (lebih besar dari 0,34 nm untuk CNT) secara efektif menekan restacking komposit MoS₂/CNT. Pengukuran voltametri siklis dan amperometrik tipikal dilakukan untuk menguji performa sensor tanpa enzim yang terbuat dari nanokomposit Co-MoS₂/CNT. Respons amperometrik elektroda sensing Co-MoS₂/CNT diukur (pada 0,65 V vs. Ag/AgCl) dengan penambahan berurutan glukosa ditampilkan pada Gambar 2d. Peningkatan arus respons yang jelas terlihat terhadap penambahan glukosa. 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 sensitivitas relatif rendah, batas deteksi yang sangat rendah sebesar 80 nM diperoleh (S/N = 3) dari Gambar 2f.

a Diagram skematik perakitan hidrotermal Co-MoS2/CNTs. b Citra SEM dan c TEM dari Co-MoS2/CNTs yang di sintesis. d Respons amperometrik sensor Co-MoS₂/CNT terhadap penambahan berurutan glukosa. e Respons arus yang diekstrak untuk berbagai konsentrasi glukosa. f Kurva amperometrik sensor Co-MoS₂/CNT terhadap 80 nM glukosa. Dicetak ulang dari [29], Hak Cipta 2019, dengan izin dari Elsevier

Mirip dengan efek sinergis yang ditampilkan oleh hibrida logam-materi 2D, aloi logam ganda dan struktur nanostruktur juga telah menunjukkan performa katalitik yang ditingkatkan dan menunjukkan potensi baik untuk banyak aplikasi, termasuk sensing [35], penampungan energi [36, 37], dan lain-lain. Li et al. baru-baru ini sintesis nanopartikel aloi logam ganda Au-Pd untuk sensing non-enzimatik peroksida hidrogen dan glukosa [5]. Pembuatan elektroda sensor Au-Pd/MoS₂ diilustrasikan pada Gambar 3a. Lembar nanosheet MoS₂ disiapkan dengan eksfoliasi cair. Nanopartikel aloi logam ganda Au-Pd di sintesis dengan reduksi kimia. Nanokomposit Au-Pd/MoS₂ yang disiapkan kemudian disetor pada elektroda karbon kaca untuk sensing kimia. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, langkah arus yang baik diamati dengan penambahan berurutan glukosa. Rentang deteksi linier yang diukur sebesar 0,5–20 mM jauh melebihi kadar glukosa darah manusia normal (Gambar 3c). Alih-alih menggunakan nanopartikel aloi logam ganda konvensional yang sering terbuat dari logam mahal, Ma et al. merancang nanokomposit MoS₂ co-dihiasi nanopartikel emas-polipirerol (PPY) [38]. Hibrida logam/polimér konduktif juga diharapkan dapat meningkatkan luas permukaan dan konduktivitas elektroda sensor. Selain itu, penggunaan polimér konduktif dapat mengurangi biaya sensor elektrokimia lebih lanjut. Elektroda karbon kaca MoS₂-PPY-Au yang dibuat menunjukkan deteksi yang luar biasa rendah sebesar 0,08 nM, selektivitas yang hampir bebas gangguan, dan stabilitas panjang selama 3 minggu. Namun, sensitivitas sensor hanya 37,35 μA·μM⁻¹·cm⁻² dan rentang deteksi cukup terbatas (0,1–80 nM).

a Ilustrasi sintesis nanokomposit Au-Pd/MoS₂ dan perakitan pada elektroda karbon kaca untuk sensing elektrokimia non-enzimatik H₂O₂ dan glukosa. b Respons amperometrik sensor nanokomposit Au-Pd/MoS₂ terhadap penambahan berurutan glukosa. c Respons arus yang diekstrak untuk berbagai konsentrasi glukosa. Dicetak ulang dari [5], Hak Cipta 2017, dengan izin dari Elsevier

Selain logam, oksida logam dengan aktivitas katalitik tinggi juga telah dicoba untuk katalisis elektrokimia yang ditingkatkan. Selain aktivitas elektrokataltik yang tinggi, biaya rendah oksida logam adalah keuntungan lain yang tidak dapat diabaikan untuk sensor elektrokimia dengan biaya rendah. Di antara berbagai oksida logam, nanomaterial Cu₂O dengan berbagai morfologi menjanjikan untuk katalisis dalam berbagai aplikasi. Fang et al. telah mempelajari MoS₂ yang dihiasi nanopartikel Cu₂O untuk sensing glukosa non-enzim [39]. Pengukuran amperometrik elektroda yang dimodifikasi hibrida Cu₂O/MoS₂ menunjukkan rentang linier yang baik dari 0,01 hingga 4 mM. Batas deteksi yang diekstrak sekitar 1 μM. Sensitivitas dihitung sangat tinggi sebesar 3108,87 μA mM⁻¹ cm⁻², yang lebih tinggi daripada sebagian besar sensor glukosa non-enzim berbasis MoS₂. Hasil juga menunjukkan potensi baik oksida logam untuk sensor glukosa non-enzim dengan biaya rendah. Perbandingan biosensor glukosa tanpa enzim berbasis nanokomposit MoS₂ disajikan dalam Tabel 1.

Deteksi Glukosa Sensitif Tinggi Menggunakan Transistor Efek Medan MoS₂

Transistor efek medan (FET) MoS₂ memiliki sejumlah keuntungan, seperti rasio arus switching yang tinggi, arus bocor yang kecil, subthreshold swing yang kecil, dan mobilitas tinggi [41, 42]. Berkat properti elektronik yang unggul dan ketahanan mekanis, transistor MoS₂ menunjukkan janji yang baik untuk elektronika berenergi rendah, biaya rendah, dan dapat dikenakan [43, 44]. Biosensor, detektor gas, sensor gas, dan sejenisnya yang fleksibel berdasarkan transistor MoS₂ telah baru-baru ini dilaporkan [45]. Keuntungan transistor MoS₂ membuat sensor ini sangat sensitif, konsumsi daya rendah, dapat dipindahkan, dan lain-lain. FET MoS₂ telah dilaporkan sebagai berbagai sensor untuk kelembaban, H₂O₂, NO, NO₂, NH₃, DNA, dan lain-lain [46,47,48,49]. Shan et al. melaporkan transistor efek medan berbasis MoS₂ pertama untuk deteksi glukosa [40]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, transistor FET MoS₂ gerbang belakang dibuat pada substrat SiO₂/Si. Elektroda sumber dan saluran diformulasikan dengan litografi cahaya dan litografi sinar elektron. Kontak Au/Ni (70 nm/10 nm) diendapkan dengan evaporasi. Perlu dicatat bahwa materi saluran MoS₂ sekitar 2 μm × 3 μm diekfoliasi mekanis dan ditransfer ke elektroda yang telah diformulasikan sebelumnya, seperti ditampilkan pada Gambar 4b. Transistor yang dibuat ditempatkan dalam sel sampel dan diuji.

a Skematik transistor MoS₂ gerbang belakang. b Citra mikroskopi optik materi saluran MoS₂ antara elektroda sumber dan saluran. c Respons arus real-time terhadap berbagai konsentrasi glukosa. d Respons arus I_ds dari FET MoS₂ sebagai fungsi konsentrasi glukosa, dari 0 hingga 30 mM. Insiden menunjukkan respons arus yang diekstrak untuk konsentrasi glukosa yang lebih rendah, dari 0 hingga 1,0 μM. Dicetak ulang di bawah CC BY-NC 3.0 dari [44]

Kurva I_ds–V_ds yang diukur dengan berbagai konsentrasi larutan glukosa jelas menunjukkan peningkatan arus sumber-saluran seiring peningkatan konsentrasi glukosa. Perlu dicatat bahwa enzim GO_x ditambahkan ke konsentrasi glukosa. Oleh karena itu, sensing ini tidak sepenuhnya bebas enzim. Peningkatan arus saluran seiring peningkatan konsentrasi glukosa dikaitkan dengan oksidasi glukosa enzimatik. Elektron yang dihasilkan dari reaksi ditransfer ke saluran MoS₂ tipe-n dan sehingga meningkatkan konduktivitasnya. Untuk mengilustrasikan respons sensor terhadap glukosa, pengukuran I_ds real-time dilakukan dengan penambahan berurutan berbagai konsentrasi glukosa, seperti ditampilkan pada Gambar 4c. Pengukuran dimulai dengan larutan PBS murni dan larutan konsentrasi yang lebih tinggi dengan 1 mM lebih banyak glukosa ditempatkan setiap menit. Respons arus sumber-saluran terhadap berbagai konsentrasi glukosa ditampilkan pada Gambar 4d. Jelas, sensor FET MoS₂ menunjukkan rentang linier yang sangat besar untuk deteksi glukosa, hingga 30 mM. Tes diulang untuk larutan glukosa konsentrasi rendah untuk mencari batas deteksi dan sensitivitas sensor FET MoS₂. Seperti yang ditampilkan pada insiden Gambar 4d, sensor dapat secara jelas mendeteksi kehadiran glukosa dengan konsentrasi yang rendah hingga 300 nM. Sensitivitas biosensor glukosa FET MoS₂ dihitung sebesar 260,75 mA mM⁻¹. Selain sensitivitas tinggi dan batas deteksi rendah, perangkat juga menunjukkan stabilitas tinggi hingga 45 hari. Namun, perangkat saat ini harus melibatkan penambahan enzim GO_x dalam larutan glukosa yang diuji, yang membuatnya kurang praktis untuk aplikasi portabel.

Kesimpulan dan Perspektif

Ulasan mini ini menyajikan upaya terbaru menuju pengembangan biosensor berbasis nanokomposit MoS₂ tanpa enzim. Publikasi ini semua menyajikan cara yang mudah dan dengan biaya rendah untuk sensor glukosa berkinerja tinggi, dalam hal sensitivitas, rentang deteksi linier, dan batas deteksi. Studi ini tidak diragukan lagi membuka peluang baru menuju sensor glukosa dengan biaya rendah dan sensitif. Kemajuan ini sangat bergantung pada kemajuan terbaru dalam sintesis nanokomposit baru dari materi 2D, nanomaterial logam, dan nanopartikel oksida katalitik. Diharapkan lebih banyak upaya akan diinvestasikan di arah ini, dan pengalaman yang terkumpul sangat bermanfaat untuk studi masa depan tentang materi terkait untuk aplikasi sensing.

Namun, pada saat yang sama, seseorang harus menyadari bahwa masih banyak upaya yang diperlukan untuk aplikasi klinis atau praktis lainnya. Stabilitas dan reproduktibilitas perangkat ini masih harus ditingkatkan. Waktu penyimpanan yang terbatas atau dalam kondisi kering telah digunakan sejauh ini. Kedua, metode sintesis kimia mudah dan dengan biaya rendah, tetapi apakah metode tersebut dapat diskalakan masih belum jelas. Teknik baru, seperti cetak titik injek, dapat digunakan untuk pembuatan sensor skala besar yang dapat diulang. Meskipun sensor elektrokimia berbasis MoS₂ menunjukkan performa yang kompetitif dibandingkan sejenis berbasis materi karbon, keuntungannya, misalnya sit tepi katalitik MoS₂, tidak signifikan. Tergesa-gesa ada banyak ruang untuk benar-benar memanfaatkan properti unik MoS₂ untuk perbaikan lebih lanjut dalam sensing glukosa non-enzimatik. Selain itu, pengembangan biosensor glukosa fleksibel berbasis nanokomposit MoS₂ penting untuk sensing fleksibel dalam kesehatan dan harus lebih kompetitif di pasar, yang pasti akan menjadi topik penelitian panas di masa depan.

Terakhir, sensor berbasis FET MoS₂ menunjukkan performa unggul dalam sensing glukosa. Berdasarkan perkembangan terbaru FET MoS₂, arah ini tampak sangat menjanjikan dalam mengembangkan sensor glukosa dengan biaya rendah dan jenis sensor kimia lainnya. Perlu ditegaskan kembali bahwa kerja saat ini yang dilaporkan tentang sensor glukosa FET MoS₂ hanya berfungsi untuk larutan glukosa yang doti GO_x. Kerja masa depan perlu mencari alternatif untuk menghindari penggunaan GO_x untuk penerapan yang lebih praktis sensor glukosa FET MoS₂.