Perkembangan Terkini Nanobiosensor Berbasis Logam Oksida-Grafena-CNT

Abstrak

Nanobiosensor adalah analizator yang praktis, nyaman, dan sensitif untuk mendeteksi agen kimia dan biologik, lalu mengubah hasilnya menjadi data yang bermakna. Deteksi ini terjadi antara molekul biologis aktif dan elemen pengenalan yang diimmobilisasi pada permukaan transduktor sinyal melalui detektor fisikokimia. Berkat karakteristik operasi yang cepat, akurat, dan andal, nanobiosensor digunakan secara luas dalam aplikasi klinis dan nonklinis, pengujian di tempat pasien, industri tekstil medis, pemantauan lingkungan, keamanan pangan, serta berbagai bidang lainnya. Peranannya sangat krusial dalam aplikasi vital ini. Oleh karena itu, desain antarmuka biosensing memegang peran sentral dalam menentukan performa nanobiosensor.

Sifat kimia dan fisik unik nanomaterial telah membuka jalan bagi pengembangan perangkat sensing yang lebih inovatif dan efisien dalam biosensor. Permintaan yang semakin tinggi akan perangkat dengan kemampuan sensing dan selektivitas yang ditingkatkan, waktu respons singkat, batas deteksi yang lebih rendah, dan biaya terjangkau telah mendorong penelitian terbaru mengenai nanobiomaterial sebagai kerangka biosensor. Di antara berbagai nanomaterial, studi tentang pengembangan nanobiosensor berdasarkan struktur logam oksida, grafen dan turunannya, serta nanocarbon tube (CNT), dan penggunaan nanomaterial ini sebagai struktur hibrid, baru-baru ini telah menarik perhatian luas. Struktur nanohibrid yang dibentuk dengan menggabungkan nanostructur ini diharapkan dapat langsung memenuhi kebutuhan biosensor di masa depan dengan aktivitas elektrokatali yang tinggi.

Tinjauan ini membahas perkembangan terbaru pada nanomaterial dan turunan mereka, serta penerapannya sebagai kerangka biosensor. Kami meninjau nanomaterial populer ini melalui studi komparatif, tabel, dan diagram.

Pendahuluan

Biosensor adalah perangkat diagnostik yang mengubah sinyal dari analit biologis menjadi sinyal listrik yang dapat diukur dan dibedakan untuk deteksi kualitatif dan/atau kuantitatif analit yang mungkin terlibat dengan zat fisikokimia lainnya [1]. Biosensor pertama yang dikembangkan oleh Clark et al. [2] digunakan untuk deteksi oksigen, sementara elektroda enzim amperometrik pertama yang dikembangkan oleh Clark dan Lyons [3] adalah biosensor glukosa berbasis enzim. Seiring waktu, berbagai jenis biosensor telah dikembangkan, termasuk berbasis enzim, jaringan, asam deoksiribonukleat (DNA), serta jenis termal, optik, dan elektrokimia. Biosensor memberikan hasil yang lebih stabil dan presisi dibandingkan metode tradisional dalam beberapa aplikasi seperti diagnosis klinis, sektor biomedis, produksi pangan, dan analisis [2, 4].

Selain itu, dengan karakteristik seperti spesifisitas, selektivitas, penghematan biaya dengan operasi sederhana, analisis real-time, dan penggunaan berkelanjutan, berbagai jenis biosensor berkembang pesat pada bagian kedua abad ke-20 dan telah digunakan secara luas dalam bidang medis, lingkungan, dan forensik terkait [5]. Penggunaan intensifnya di area aplikasi kritis ini telah menimbulkan sejumlah fitur yang diharapkan dari biosensor, yaitu sensitivitas tinggi, stabilitas, selektivitas tinggi, umur pakai panjang, repeatabilitas, kesederhanaan dan biaya murah, jangkauan pengukuran yang luas, serta waktu respons cepat [6].

Menurut Ikatan Kimia Murni dan Terapkan Internasional (IUPAC), biosensor terdiri dari tiga komponen utama: elemen pengenalan biologis, komponen transduktor, dan sistem elektronik yang seringkali digabungkan dengan transduktor. Sebagai perangkat reseptor-transduktor terintegrasi, biosensor mampu menyediakan informasi analitik kuantitatif atau semikuantitatif yang selektif menggunakan elemen pengenalan biologis [7] (Gambar 1). Dalam kerangka ini, asam nukleat, enzim, antibodi, reseptor, mikroorganisme, sel, jaringan, dan bahkan struktur biomimetik dapat digunakan sebagai bioreseptor untuk deteksi biologis.

Desain biosensor sangat penting untuk pengujian yang cepat dan nyaman dalam kondisi atau posisi manapun di mana analit mungkin muncul. Dalam desain tersebut, materi komponen transduktor juga memiliki efek signifikan pada kualitas deteksi. Transduktor fisik bervariasi secara signifikan dengan sumber sinyal yang dapat diukur dan sebagian besar menggunakan sistem optik dan elektrokimia [5]. Fitur fisikokimia, elektronik/optik/elektrokimia dari materi yang digunakan sebagai transduktor fisik secara langsung mempengaruhi performa biosensor. Selain itu, efisiensi dan efektivitas biosensor ditentukan oleh matriks, mediat, dan stabilizer yang digunakan untuk immobilisasi enzim. Oleh karena itu, sifat materi yang digunakan untuk membuat komponen transduktor fisik memainkan peran krusial dalam mendapatkan fitur seperti stabilitas sinyal tinggi dan repeatabilitas biosensor serta dalam selektivitas mereka.

Di antara tiga komponen biosensor yang disebutkan di atas, tinjauan ini terutama berfokus pada perkembangan terbaru dalam fungsionalisasi permukaan komponen transduktor menggunakan nanomaterial.

Transduktor dapat diklasifikasikan terutama ke dalam empat kelas: elektrokimia, bioluminesensien, piezoelektrik, kalorimetrik, dan optik. Permukaan transduktor dapat dimodifikasi dengan menggunakan banyak materi fungsional yang berbeda untuk meningkatkan performa sensor. Mengontrol struktur, morfologi, dan sifat materi ini juga dapat membantu dengan cara yang sama. Di antara materi ini, materi berukuran nano, yang disebut nanomaterial, memiliki potensi besar untuk menjadi kunci dalam pengembangan biosensor inovatif, adaptif, dan sangat sensitif untuk area aplikasi yang lebih luas dengan sifat unik yang bergantung pada ukurannya, seperti luas permukaan besar, konduktivitas listrik yang ditingkatkan, dan reaktivitas kimia yang tinggi. Dengan mempertimbangkan sifat luar biasa ini, nanomaterial telah menjadi salah satu kandidat yang dipilih untuk memenuhi persyaratan yang diinginkan dalam konstruksi biosensor yang sangat sensitif [6].

Untuk dianggap sebagai nanomaterial, setidaknya dalam satu dimensi ukuran nanomaterial harus berada antara 1 dan 100 nm [8]. Karena ukurannya yang sangat kecil, dalam nanomaterial sebagian besar atom berada dekat permukaan atau ada pada permukaan. Nanopartikel (NPs), yang mendapatkan fitur menakjubkan seperti sifat fisikokimia yang ditingkatkan, luas permukaan yang lebih besar, dan jarak elektron yang lebih pendek, menunjukkan perbedaan signifikan dibandingkan dengan sejenisnya dalam ukuran massal. Dengan demikian, performa yang ditingkatkan akan dipertahankan dalam sifat optik, termal, listrik, dan magnetik dari materi skala nano tersebut agar sangat efektif untuk digunakan sebagai komponen biosensor. Selain itu, materi berukuran nano dengan luas permukaan yang lebih besar menyediakan ruang yang sesuai untuk immobilisasi sejumlah cukup bioreseptor pada permukaan elektroda. Oleh karena itu, peneliti baru-baru ini menunjukkan minat yang besar terhadap produksi, karakterisasi, dan penggunaan nanomaterial untuk aplikasi biosensor [9, 10].

Biosensor Berbasis Nanostructur Logam Oksida

Logam oksida (MO) telah menjadi kandidat penting untuk aplikasi sensor sejak studi biosensor awal pada tahun 1954 [26, 27]. MO dapat disintesis dalam berbagai nanomorfologi seperti NPs [28, 29], nanofiber [30], nanospheres (NSs) [31], nanorods [32], nanotubes dan nanowires (NWs) [33], nanosheets [34, 35]. Selain keberagaman morfologi, MONs menawarkan beberapa keuntungan: rasio luas permukaan/volume yang tinggi, non-toksisitas, kompatibilitas biologik yang baik, stabilitas kimia, selektivitas yang baik, pembatasan elektron dan fonon, efisiensi katalitik yang tinggi, dan kemampuan adsorpsi yang kuat, serta fitur antarmuka fisikokimia [36,37,38,39,40]. Selain itu, MONs dapat diproduksi melalui metode yang relatif mudah dan hemat biaya seperti radio frequency (RF) magnetron sputtering [41,42,43], thermal evaporation [44, 45], plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) [46, 47], molecular beam epitaxy [48], dan solgel technique [49], proses penambatan elektrokimia [50], dan metode hidrotermal [51]. Fitur signifikan ini telah menjadikan MONs salah satu materi yang paling diinginkan untuk aplikasi biomedis dan pasar biosensor. Publikasi mengenai MONs dari 2010 hingga 2020 dianalisis dan disajikan dalam Gambar 2 dengan diagram lingkaran yang menunjukkan distribusi aplikasi biomedis MONs.

Di sisi lain, terutama dalam beberapa tahun terakhir, berbagai MONs seperti ZnO, Fe₃O₄, CuO, NiO, TiO₂, MgO telah terus diproduksi sebagai biosensor serbaguna dan fungsional untuk waktu yang lama [44, 52]. Di antara MONs, ZnO dan Fe₃O₄, karena aplikasi yang luas, dianggap sebagai anggota terkemuka dalam konstruksi biosensor [53, 54].

Nanostructur ZnO

Nanostructur ZnO memainkan peran luas dalam pembuatan biosensor nanostructur inovatif karena sifat uniknya termasuk titik isoelektrik yang tinggi (IEP ~ 9,5) [55], band-gag yang lebar, fitur komunikasi elektron yang berguna, stabilitas kimia yang tinggi, kompatibilitas biologik yang baik, dan piezoelektriknya. Khususnya, titik isoelektrik yang tingginya secara jelas menjelaskan mengapa ZnO adalah logam oksida yang paling banyak digunakan untuk teknologi biosensing. Selain itu, ZnO dapat digunakan dalam semua aplikasi klinis atau nonklinis karena merupakan bahan yang ramah lingkungan dan aman [53, 54, 56]. Sebagai contoh, Akhtar et al. [57] mengembangkan biosensor optik tanpa reagen berdasarkan mekanisme peningkatan fluorescensi untuk deteksi amiloid dalam diagnosis penyakit neurodegeneratif seperti penyakit Alzheimer dan diabetes tipe II bergantung insulin dengan menggunakan nanostructur ZnO berbentuk bunga yang memiliki luas permukaan lebih besar. Selain itu, nanoflower ZnO dilaporkan sebagai bahan peningkat performa yang baik yang memberikan biosensor amiloid yang lebih cepat dan hemat biaya [57]. Selanjutnya, biosensor glukosa menggunakan field-effect transistor (FET) berbasis nanorod ZnO terkait aplikasi pemantauan glukosa kontinu wearable bagi penderita diabetes dibuat oleh Zong dan Zhu [54] melalui metode hidrotermal. Mereka mencapai biosensor berkinerja tinggi dengan sensitivitas tinggi 1,6 mA/µM cm² dengan area sensing kecil sebesar 180 µm² dan batas deteksi 1 µM dengan manfaat rasio luas permukaan-volume yang besar dari nanorod ZnO [54]. Sahyar et al. [58] mengembangkan biosensor baru berbasis NPs ZnO yang dileduri Ag untuk deteksi dini kerusakan daging. Sebagai hasil analisis mereka dengan elektroda yang dimodifikasi enzim xanthine oxidase (XO) (elektroda nanoAg-ZnO/polypyrrole (PPy)/pencil graphite), mereka menyatakan bahwa biosensor enzim yang mereka peroleh menunjukkan selektivitas tinggi dengan sensitivitas 0,03μA/mM dan batas deteksi rendah 0,07 μM [58].

Dalam studi lain, Yue et al. [59] berhasil mengembangkan biosensor dopamin (DA) ideal berdasarkan elektroda grafena foam nanocone-array Au NPs-ZnO. Dalam karakterisasi mereka, mereka membuktikan bahwa elektroda yang dimodifikasi mereka memiliki sensitivitas tinggi (4,36 μA μM⁻¹) dan batas deteksi rendah (0,04 μM, S/N = 3) dalam mendeteksi DA. Selain itu, mereka melaporkan bahwa elektroda berbasis nanocone ZnO menunjukkan selektivitas yang luar biasa, reproduktibilitas yang baik, dan stabilitas di bawah interferensi asam urat (UA). Mereka juga menekankan bahwa elektroda ini memiliki potensi besar dalam medis dan perawatan kesehatan [59]. Pada tahun yang sama, Qian et al. mengembangkan detektor glukosa elektrokimia menggunakan NPs ZnO. Sensor terdiri dari nanowhisker CeO₂ yang dihiasi dengan NPs ZnO, dan mereka menyatakan bahwa struktur nanokomposit ZnO/CeO₂ memiliki luas permukaan yang luas, non-toksisitas, dan aktivitas elektrokatali yang tinggi. Nanokomposit menunjukkan performa luar biasa dalam deteksi glukosa dengan rentang linier 0,5–300 μM dan batas deteksi (LOD) 0,224 μM (40 ppb). Mereka juga menekankan bahwa sensor nanokomposit menunjukkan hubungan linier yang luar biasa antara intensitas sinyal arus dan konsentrasi glukosa (R² = 0,99944) [60]. Biosensor glukosa lain dikembangkan oleh Rafiee et al. [61] dengan menggabungkan graphene nanoplatelets (GNPs), yang dikenal dengan konduktivitas dan stabilitas kimia tinggi, dan ZnO NWs, yang dikenal sensitif terhadap glukosa. Dalam studi mereka, mereka memodifikasi struktur perangkat seperti biosensor glukosa dengan mensintesis ZnO NWs pada tipis GNPs dengan tiga konsentrasi berbeda (0,5, 1, dan 2 mg), yang didefinisikan sebagai GNP1, GNP2, dan GNP3. Sistem menunjukkan bahwa efek ganda ZnO NWs dan GNPs membawa pada perbaikan yang sempurna untuk biosensor glukosa yang efisien. Sebagai contoh, mereka mencatat bahwa untuk konsentrasi glukosa rendah, respons perangkat meningkat seiring dengan peningkatan jumlah grafen dalam larutan, dan waktu respons sensor berkurang seiring dengan peningkatan jumlah GNPs. Selain itu, mereka melaporkan bahwa stabilitas jangka panjang, yaitu hubungan konsisten antara resistensi dan konsentrasi, yang merupakan kriteria penting untuk biosensor ideal, teramati dalam sampel yang dimodifikasi dengan GNPs setelah paparan 30 mg/dL glukosa selama 30 hari. Akibatnya, mereka menyajikan biosensor glukosa ideal dengan fitur berguna: waktu respons 5 detik, rentang deteksi 0,003–30.000 mg/dL, dan stabilitas listrik jangka panjang [61]. Selain studi ini, beberapa studi terbaru lain menggunakan berbagai nanostructur ZnO untuk deteksi berbagai enzim diberikan dalam Tabel 1.

Dengan mempertimbangkan studi saat ini yang ditunjukkan dalam Tabel 1, dapat dinyatakan bahwa struktur ZnO yang diproduksi melalui berbagai metode dengan morfologi yang bervariasi, dan terus digunakan secara luas karena kemudahannya dalam integrasi ke dalam struktur komposit. Alternatif produksi dan keberagaman morfologi, serta pembentukan struktur nanokomposit dan nanohibrid dengan materi nano lainnya, terutama dengan struktur karbon, menawarkan potensi luar biasa bagi struktur ZnO dalam hal memenuhi properti yang diharapkan dengan efisiensi penuh dalam biosensor ideal.

Nanostructur Fe₃O₄

Dalam beberapa tahun terakhir, struktur Fe₃O₄ telah menarik minat yang besar dalam banyak aplikasi yang menjanjikan, termasuk biosensor, pengiriman obat, pemisahan sel, dan farmasi, berkat sifat unggulnya seperti kompatibilitas biologik yang baik, toksisitas rendah, superparamagnetisme, aktivitas katalitik, dan kemudahan proses persiapan dan modifikasi. NPs magnetik Fe₃O₄ sesuai untuk immobilisasi biomolekul yang diinginkan seperti enzim [73,74,75,76] karena kemampuan pemisahan yang sederhana dari medium oleh sifat magnetnya [77]. NPs magnetik Fe₃O₄ dan turunan telah digunakan secara luas dalam teknologi biosensor, dan berbagai studi menarik telah dibahas dalam literatur [75, 78]. Dalam konteks ini, Sanaeifar et al. [75] merancang biosensor elektrokimia baru untuk deteksi glukosa. Mereka mengevaluasi performa elektrokimia nanokomposit yang disiapkan dengan mendispergikan NPs magnetik Fe₃O₄, yang diproduksi melalui metode co-precipitation dalam alkohol polivinil (PVA). Mereka melaporkan bahwa NPs Fe₃O₄ dalam matriks PVA, yang memiliki properti katalitik yang luar biasa terhadap glukosa oxidase yang diimmobilisasi, meningkatkan laju transfer elektron antara enzim dan permukaan elektroda. Bioelektroda yang disiapkan dapat mengukur glukosa dalam rentang 5 × 10⁻³ hingga 30 mM dengan sensitivitas 9,36 µA mM⁻¹ dan menampilkan batas deteksi kurang dari 8 µM [75]. Dong et al. [79] mengembangkan sensor berbasis NSs core–shell Ag/Fe₃O₄, yang diproduksi melalui pendekatan solvothermal sederhana, untuk digunakan dalam deteksi hydrazine untuk perlindungan lingkungan. Mereka melaporkan bahwa sensor hydrazine berkinerja tinggi memiliki waktu respons 2 detik, rentang linier 0,25–3400 µm, sensitivitas 270 μA mM⁻¹ cm⁻², dan batas deteksi 0,06 μM. Membandingkan angka-angka tersebut, sensor hydrazine yang jauh lebih unggul dari sensor lain dalam literatur telah dikembangkan [79].

Dalam studi lain, Sriram et al. [80] mengembangkan nanokomposit NSs Fe₃O₄/rGO untuk mendeteksi UA dalam sampel urine dan serum darah. Sebagai hasil analisis elektrokimia mereka, nanokomposit NSs Fe₃O₄/rGO, dengan stabilitas dan repeatabilitas tinggi, menunjukkan puncak reduksi elektrokimia yang luar biasa. Selain itu, mereka menekankan bahwa rentang linier sensor UA yang mereka kembangkan berada antara 0,02 dan 783,6 µM, dan LOD adalah 0,12 nM [80]. Demikian pula, biosensor baru untuk deteksi DA dengan menggabungkan grafen oksida (GO) dan Fe₃O₄ dikembangkan oleh Cai et al. [81]. Dalam studi mereka, mereka berhasil mensintesis komposit terner Fe₃O₄/GO/grafena murni (PG) melalui metode dispersi dan co-precipitation. Kemudian, mereka menempatkan nanokomposit pada elektroda kerja, elektroda karbon kaca (GCE), dengan teknik titik. Arus puncak tertinggi dicatat untuk struktur Fe₃O₄/GO/PG dalam voltamogram siklus (CV). Demikian pula, mereka melaporkan bahwa arus puncak tertinggi dalam kehadiran DA milik sampel Fe₃O₄/GO/PG/GCE. Mereka juga menyoroti peningkatan arus puncak untuk sampel Fe₃O₄/GO/PG/GCE karena peningkatan konsentrasi DA. Akhirnya Cai et al. menyatakan bahwa sensor elektrokimia dapat digunakan secara efektif untuk deteksi DA [81]. Beberapa studi representatif mengenai Fe₃O₄ nanostructur sebagai komponen biosensor diberikan dalam Tabel 2.

Meskipun memiliki sifat unggul, struktur Fe₃O₄ magnetik memiliki masalah pembatasan dalam aplikasi biosensor dan biologis. Karena energi permukaan yang tinggi, reaktivitas kimia, dan interaksi magnet yang kuat, mereka sangat rentan terhadap aglomerasi, yang menciptakan kesulitan dalam menstabilkan struktur Fe₃O₄ magnetik. Untuk mengatasi masalah ini, permukaan struktur Fe₃O₄ dilapisi dengan lapisan polimer [95]. Namun, pelapisan permukaan dengan polimer dapat mengurangi efisiensi dalam hal aplikasi biosensor elektrokimia. Oleh karena itu, dalam menstabilkan struktur Fe₃O₄ magnetik, biomolekul seperti gen, sel, enzim, protein, dan struktur nano penting lainnya (grafena, CNTs, titik kuantum, NPs, dll.) dapat digunakan. Oleh karena itu, dapat diprediksi bahwa sistem nanohibrid dan nanokomposit kompleks berdasarkan struktur Fe₃O₄ magnetik akan menjadi fenomena dalam produksi biosensor generasi baru di masa depan.

Akhirnya, biosensor berbasis MO yang menggabungkan berbagai struktur nano menyajikan fungsi yang unik dan inovatif dalam aplikasi praktis dan industri. Nanostructur MO sangat mempengaruhi pembuatan biosensor yang sangat sensitif, cepat, dan stabil karena properti yang tidak ada duanya. Selain itu, setiap jenis struktur nano dan oksida logam memiliki keuntungannya masing-masing. Oleh karena itu, kemajuan baru dalam perangkat sensing kemungkinan besar akan terjadi dalam bioteknologi. Selain itu, terlihat bahwa struktur nanokarbon telah diberi ruang yang banyak dalam studi terbaru, dan MO digunakan bersama-sama dengan mereka. Oleh karena itu, bagian kedua karya ini akan berfokus pada dua nanokarbon yang paling banyak digunakan (grafena dan CNTs) dalam biosensor.

Biosensor Berbasis Grafen dan Turunannya

Grafen adalah salah satu alotrop karbon yang paling populer, sama seperti grafit, CNT, fulleren, dan berlian. Ini adalah lapisan dua dimensi dari atom karbon yang hibrida sp². Setelah penemuan grafen oleh Geim dan Novoselov, telah menarik perhatian besar di seluruh dunia dalam berbagai disiplin ilmu seperti elektroda transparan, penyimpanan energi, pengiriman obat, biosensor, superkapasitor, baterai, dan katalisis [96, 97]. Grafen sama seperti banyak nanomaterial lainnya dapat disintesis dengan metode top-down (eksfoliasi mekanis, eksfoliasi kimia, dan sintesis kimia) dan metode bottom-up (pirolisis, pertumbuhan epitaksial, depositasi uap kimia (CVD)) [97]. Berbagai metode produksi menyebabkan kehadiran berbagai materi mirip grafen seperti grafen, GQDs, GO, rGO, nanoribbon grafen (GNRs), nanomesh, nanosheets [98]. Turunan yang sering digunakan ditunjukkan dalam Gambar 3.

Grafen memiliki konduktivitas termal yang baik (5000 W/mK), mobilitas elektron yang tinggi pada suhu ruangan (250.000 cm²/V s), luas permukaan yang besar (2630 m²/g), modulus elastisitas yang tinggi (21 T Pa), dan konduktivitas listrik yang baik [99]. Selain itu, ketebalan atomik dari lembar grafen dan luas permukaan yang besarnya memberikan sensitivitas materi terhadap perubahan kondisi. Dengan demikian, fitur permukaan grafen, di mana setiap atom dapat langsung bersentuhan, membuatnya sensitif terhadap lingkungan. Oleh karena itu, ini adalah kandidat yang sangat baik untuk aplikasi sensor dibandingkan dengan materi lain [, , 4, 100, 101]. Studi terakhir dekade terkait grafen dan turunannya dianalisis dan disajikan dalam Gambar 102 dengan diagram lingkaran yang menunjukkan distribusi aplikasi biomedis grafen. Dapat dinyatakan bahwa peneliti sebagian besar berfokus pada bidang biosensor karena fitur grafen yang disebutkan di atas.

Seperti yang disebutkan dalam bagian pertama, beberapa biosensor disiapkan dengan menggabungkan grafen dan turunan grafen dengan MONs. Dalam bagian tinjauan ini, kami berfokus pada biosensor berbasis grafen dan turunannya. Representasi umum dan mekanisme biosensor berbasis grafen ditunjukkan dalam Gambar 5. Di sini, analit yang berinteraksi dengan grup fungsional (s) pada permukaan grafen, dan output elektrokimia, optik, atau lainnya dapat diperoleh berdasarkan interaksi ini [96, 97, 103]. Sebagai contoh, Mani et al. [104] mengembangkan nanobiocomposite terner berdasarkan nanoribbon rGO/MWCNTs/chitosan untuk deteksi sensitif dan selektif H₂O₂ dan NO₂⁻. Mereka menjelajahi properti bermanfaat biosensor dalam larutan pembersih kontak lens dan sampel daging. Mereka melaporkan bahwa untuk H₂O₂, sensor berbasis nanobiocomposite memiliki sensitivitas 0,616 µAµM⁻¹ cm⁻², batas deteksi 1 nm, dan rentang linier 0,001–1625 µM, sementara nilai-nilai ini untuk NO₂⁻, 0,643 µAµM⁻¹ cm⁻², 10 nm, dan 0,01–1350 µM, masing-masing. Dengan demikian, mereka membuktikan bahwa sensor berbasis grafen dapat digunakan secara efektif dalam aplikasi medis dan keamanan pangan [104]. Sensor H₂O₂ berbasis grafen lain disiapkan oleh Yin et al. [105]. Dalam studi mereka, Yin dan rekan-rekannya mensintesis aerogel grafen tiga dimensi (3D) konduktif (GA) yang dihiasi dengan NPs Ni₃N menggunakan metode hidrotermal. Sebagai hasil karakterisasi mereka, mereka menunjukkan bahwa komposit Ni₃N/GA yang mereka peroleh dapat diterapkan tidak hanya untuk H₂O₂ tetapi juga untuk penentuan glukosa. Mereka melaporkan bahwa elektroda berbasis Ni₃N/GA, dalam penentuan H₂O₂, menunjukkan performa elektrokimia yang tinggi dengan rentang deteksi 5 µM–75,13 mM, sensitivitas 101,9 µAmM⁻¹ cm⁻², dan batas deteksi rendah 1,80 µM. Selain itu, untuk penentuan glukosa, mereka menekankan bahwa elektroda yang dirancang memiliki rentang deteksi 0,1–7645,3 µM, batas deteksi 0,04 µM, dan sensitivitas 905,6 µA mM⁻¹ cm⁻² [105].

Dapat dikatakan bahwa baru-baru ini ada minat yang intens terhadap biosensor berbasis grafen untuk deteksi praktis glukosa Tabel 3. Sebagai contoh, Đurđić et al. [106] berhasil mensintesis biosensor sekali pakai berdasarkan GNRs yang dihiasi Bi₂O₃ melalui co-precipitation. Sebagai hasil karakterisasi mereka, mereka membuktikan bahwa sensor yang mereka peroleh memiliki batas deteksi 0,07 mM, rentang linier 0,28–1,70 mM, dan sensitivitas 64,81 μA/mMcm². Dengan demikian, mereka mengusulkan bahwa sensor berbasis grafen dapat mendeteksi glukosa dalam sampel serum darah dan urine secara dapat diulang dan stabil [106]. Pada tahun yang sama, biosensor glukosa yang berguna berhasil dirancang oleh Lu dan tim melalui sintesis hidrotermal satu tungku dari hidrogel grafen poros bermetrogen nitrogen 3D (NHGH) dengan bunga nano NiCo₂O₄ (NHGH/NiCo₂O₄). Mereka memodifikasi GCE dengan nanokomposit yang mereka peroleh dan mengevaluasi performa elektrokimia elektroda yang dimodifikasi dalam menentukan glukosa. Pertama, mereka menerima CVs dalam larutan 0,1 M NaOH, dengan laju sken 50 mV s⁻¹, untuk mengevaluasi performa katalitik elektrokimia. Mereka melaporkan bahwa NHGH/GCE memiliki arus puncak oksidasi yang meningkat 0,5 V dibandingkan arus puncak anoda lemah GCE murni. Selain itu, dalam studi mereka, mereka mengamati bahwa pasangan puncak redoks terlihat, yang menunjukkan bahwa aktivitas elektrokimia NHGH/NiCo₂O₄/GCE adalah tertinggi dibandingkan dengan elektroda lain. Mereka mengatribusikan perbaikan ini pada luas permukaan grafen yang luas, konduktivitas yang baik, dan reaksi redoks Co dan Ni. Selain itu, mereka menunjukkan performa katalitik elektrokimia elektroda dalam penambahan glukosa 5,0 mM. Mereka menafsirkan NHGH/NiCo₂O₄/GCE dengan arus puncak tertinggi pada 0,5 V sebagai indikasi jelas bahwa oksidasi glukosa dapat dikatalisis lebih baik dibandingkan dengan elektroda lain karena efek ganda NiCo₂O₄ dan NHGH. Mereka juga melaporkan bahwa arus puncak meningkat linier seiring dengan peningkatan konsentrasi glukosa dan sensor glukosa berbasis NHGH/NiCo₂O₄ menunjukkan hubungan linier yang luas antara arus puncak dan konsentrasi glukosa dalam rentang 5 μM–2,6 mM dan 2,6 mM–10,9 mM, masing-masing. Selain itu, mereka menekankan bahwa NHGH/NiCo₂O₄/GCE memiliki sensitivitas tinggi (2072 μA mM⁻¹ cm⁻²) dan batas deteksi rendah (0,39 μM). Sebagai hasilnya, mereka menyarankan penggunaan untuk penentuan glukosa yang akurat dalam sampel darah nyata [107].

Seperti yang terlihat dalam Tabel 3, grafen dan turunannya telah menjadi blok konstruksi yang tidak tergantikan untuk aplikasi biosensor, karena properti unggulnya. Dengan mempertimbangkan studi yang dilakukan terbaru Tabel 3, sangat menarik bahwa grafen dan turunannya digunakan dalam struktur nano hibrid dengan MONs untuk meningkatkan sensitivitas dan reproduktibilitas biosensor. Selain itu, sinergi MONs/grafen harus dievaluasi untuk mendapatkan biosensor multifungsi dan mencapai aktivitas elektrokatali yang tinggi. Selain itu, grafen dapat dengan mudah digabungkan dengan nanokarbon lain seperti CNTs. Dengan demikian, kepadatan tepi yang kaya dan cacah tepi yang sangat bermanfaat untuk menciptakan biosensor enzim dapat diperoleh.

Biosensor Berbasis Nanocarbon Tube (CNT)

CNT, yang ditemukan oleh Iijima pada tahun 1991, dapat dikonsepsikan sebagai pembentukan lapisan grafen menjadi silinder. CNT secara umum dapat dikategorikan menjadi dua jenis yaitu nanocarbon tube satu dinding (SWCNTs) Gambar 6a dan nanocarbon tube multi dinding (MWCNTs) Gambar 6b [125]. Diameter dan sudut pembungkus menentukan fitur fisik CNT melalui chirality dan indeks (n, m) [126,127,128]. Menurut indeks (n,m), CNT dapat menunjukkan perilaku logam atau semiconductor [129,130,131,132], bergantung pada chirality, SWCNT dapat diklasifikasikan dalam tiga cara berbeda: (1) m = n adalah nanotube kursi armchair Gambar 6c, (2) n > m dan jika m = 0 adalah nanotube chiral Gambar 6d, dan m = 0 adalah nanotube zigzag Gambar 6e. CNT menunjukkan perilaku semiconductor secara alami, tetapi untuk SWNT tertentu (n, m), ketika (2n + m)/3 adalah bilangan bulat, CNT akan berlogam. Dengan demikian, dapat diklaim bahwa semua nanotube armchair adalah logam [130]. Oleh karena itu, kemampuan untuk mengontrol chirality selama produksi berarti mengontrol fitur elektronik CNT, yang memberikan keuntungan besar dalam aplikasi biosensor. Beberapa metode berbeda telah diajukan untuk mensintesis CNT dalam beberapa tahun terakhir. Namun, ada tiga teknik sintesis utama (arc discharge, laser ablation, dan CVD untuk produksi CNT [133]. Dibandingkan dengan metode arc-discharge dan laser ablation, CVD adalah metode yang paling efektif untuk mengontrol chirality CNT secara sederhana dan hemat biaya [133, 134].

Ujung dan dinding samping CNT dapat dengan mudah dimodifikasi dengan penambahan spesies kimia yang diinginkan. CNT dapat menjadi transduktor yang baik dalam sensor skala nano karena sensitivitas yang signifikan. Selain itu, CNT memiliki properti yang sangat menguntungkan untuk mentransmisikan sinyal listrik yang dihasilkan saat pengenalan target dan therefore memainkan peran penting dalam pengembangan akhir biosensor berbasis enzim [135]. Selain itu, CNT dengan ukuran kecil, waktu respons cepat, dan properti elektrokimia yang unggul setara atau lebih unggul dari sebagian besar elektroda lain dengan ion, metabolit, dan penanda protein mereka [136]. Sebagai hasil dari struktur tubular nano unik mereka dengan rasio panjang dan diameter yang luas, CNT adalah materi yang diinginkan dalam penerapan biosensor elektrokimia karena stabilitas elektrokimia yang luar biasa, fleksibilitas mekanis yang besar, transportasi elektron yang cepat, dan konduktivitas termal yang unik [137, 133]. CNT juga digunakan secara luas dalam rekayasa jaringan dan sistem pengiriman obat untuk meningkatkan fitur listrik dan mekanis setelah difungsionalkan untuk memastikan kompatibilitas biologiknya dan dikonjugasikan dengan senyawa organik atau NPs logam [138]. Studi mengenai CNT dari 2010 hingga 2020 dianalisis dan disajikan dalam Gambar 7 sebagai diagram lingkaran yang menunjukkan distribusi aplikasi biomedis CNT.

CNT, sama seperti grafen dan turunannya, juga memberikan kontribusi penting dalam pengembangan biosensor dengan sensitivitas dan selektivitas yang lebih tinggi melalui hibridisasi dengan MONs. Peneliti baru-baru ini berfokus pada produksi dan karakterisasi nanobiosensor baru yang dapat menggabungkan properti unik CNT dengan properti unggul NPs logam. Sebagai contoh, Rahman et al. [139] merancang biosensor 3-methoxyphenyl (3-MP) berbasis CNT yang dihiasi Fe₃O₄ untuk aplikasi perlindungan lingkungan. Nanokomposit Fe₃O₄/CNTs disintesis dengan metode wet-chemical dan nanokomposit dilapisi pada permukaan GCE sebagai lapisan tipis. Kemudian, mereka mengevaluasi performa elektrokimia elektroda yang dimodifikasi dengan karakterisasi I-V dan melaporkan bahwa elektroda berbasis Fe₃O₄/CNT menunjukkan rentang deteksi yang luas (90,0 pM–90,0 mM), batas deteksi rendah (1,0 pM), dan sensitivitas tinggi (9 × 10⁻⁴ μA μM⁻¹ cm⁻²) dalam mendeteksi fenol berbahaya [139]. Demikian pula, untuk perlindungan lingkungan, biosensor berbasis MWCNT/TiO₂/chitosan dikembangkan oleh Fotouhi et al. [140] untuk mendeteksi isomer dihydroksi benzen yang dilepaskan ke lingkungan dari industri kimia dan farmasi. Fotouhi et al. melaporkan bahwa mereka melakukan penentuan bersamaan hidrokuinon (HQ), katekola (CC), dan resorsinol (RS), yang menyebabkan polusi dalam sampel air nyata oleh sensor berbasis MWCNTs. Selain itu, mereka menunjukkan batas deteksi (S/N = 3) dari HQ, CC dan RS, yaitu 0,06 μmol d m⁻³, 0,07 μmol d m⁻³, dan 0,52 μmol d m⁻³, dan rentang respons linier antara 0,4–276,0 μmol d m⁻³, 0,4–159,0 μmol d m⁻³, dan 3,0–657 μmol d m⁻³, masing-masing [140].

Selain perlindungan lingkungan, desain biosensor CNT untuk aplikasi klinis baru-baru ini menjadi sangat menarik Tabel 4. Sebagai contoh, Zhu et al. [141] memperoleh buckypaper yang terdiri dari dua lapis: SWCNT yang difurnisasi dan SWCNT yang dihiasi NiO, dengan metode arc discharge helium. Kemudian, sebagai hasil analisis mereka untuk mengevaluasi performa elektrokimia, mereka menunjukkan bahwa biosensor glukosa memiliki rentang linier yang luas (0,1–9 mM), sensitivitas tinggi (2701 μA mM⁻¹ cm⁻²), dan waktu respons cepat (< 2,5 s) [141]. Barthwal dan Singh [142] merancang biosensor nanokomposit ZnO/MWCNT untuk mendeteksi urea dalam studi mereka. Mereka menunjukkan bahwa sensor berbasis ZnO/MWCNT memiliki karakteristik deteksi tertinggi dibandingkan dengan sensor berbasis ZnO dan MWCNT. Selain itu, mereka menekankan bahwa sensitivitas nanokomposit yang mengandung 2% MWCNT kurang dari 10 detik, dan batas deteksi adalah 10 ppm [142]. Pada tahun yang sama, Guan et al. berhasil mengembangkan nanokomposit hibrid berbasis CNT sebagai biosensor elektrokimia untuk deteksi bersamaan DA dan UA dengan sensitivitas tinggi. Dalam studi mereka, mereka melaporkan bahwa arus puncak oksidasi yang paling luas (ΔEₚ = 144 mV) dan tertinggi diamati pada elektroda yang dimodifikasi dengan nanohibrid berbasis CNT. Selain itu, mereka menyelidiki deteksi bersamaan DA dan UA pada GCE yang dimodifikasi nanohibrid melalui voltametri pulsa diferensial (DPV). Mereka menunjukkan bahwa respons arus puncak anoda dari nanohibrid/GCE meningkat linier karena peningkatan konsentrasi DA. Selain itu, mereka memperoleh pengamatan yang serupa untuk konsentrasi UA. Mereka menekankan bahwa rentang konsentrasi untuk kedua analit target adalah 2–150 μM. Sebagai hasilnya, mereka melaporkan bahwa nilai batas deteksi DA dan UA adalah 0,37 μM dan 0,61 μM, masing-masing [143].

Studi mengenai peningkatan efisiensi biosensor berbasis CNT di berbagai area aplikasi dengan hibridisasi dengan MONs dan grafen serta turunan grafen dan peningkatan propertinya sangat menarik Tabel 4. Aktivitas elektrokimia yang lebih tinggi dan konduktivitas yang lebih tinggi dari struktur nanohibrid yang dirancang dengan sensor elektrokimia berbasis CNT dapat dianggap sebagai hasil dari properti inherent CNT. Di sisi lain, salah satu fitur yang membatasi penggunaan CNT dalam aplikasi biosensor adalah bahwa mereka tidak larut dalam sebagian besar pelarut. Selain itu, mereka memiliki kompatibilitas biologik yang rendah dan, dalam beberapa kasus, toksisitas. Untuk mengatasi masalah ini, menggabungkan berbagai grup fungsional pada permukaan dan ujung tutup CNT dengan MONs, dan menerapkan modifikasi permukaan dapat dianggap sebagai solusi.

Selain itu, karena integrasi CNT dengan grafen dan turunannya, memungkinkan untuk menciptakan situs aktif lebih banyak untuk biomolekul karena interaksi ikatan yang kuat. Keuntungan lain dari struktur hibrid CNT/grafen adalah bahwa ini memungkinkan biosensor untuk merespons dalam waktu yang lebih singkat karena laju transfer elektron yang lebih tinggi. Dengan demikian, dalam generasi biosensor yang akan dikembangkan di masa depan, tampak tidak terhindarkan untuk mencapai sensitivitas dan selektivitas yang tinggi, deteksi bersamaan biomolekul target dengan memanfaatkan efek ganda CNT dengan MONs atau nanokarbon lain seperti grafen dan turunannya.

Kesimpulan dan Prospek

Biosensor dan bioelektroda memainkan peran krusial dalam pemantauan lingkungan, keamanan pangan, industri tekstil medis, penemuan dan analisis obat, aplikasi klinis dan nonklinis. Dengan pandemi COVID-19 terbaru, biosensor yang responsif cepat, dapat digunakan ulang, murah, dan sangat selektif menjadi krusial untuk perjuangan melawan penyakit menular agar dapat dikendalikan. Untuk desain biosensor, materi yang digunakan dalam komponen transduktor dan untuk fungsionalisasi permukaan transduktor memiliki efek eksplisit pada hasil dengan properti yang disebutkan di atas yang diperoleh dari biosensor. Dalam kerangka ini, untuk peningkatan properti perangkat ini, nanomaterial telah digunakan secara luas dan luas permukaan yang diperluasnya, kemampuan untuk menyesuaikan modifikasi permukaan untuk penggunaan setiap jenis analit, dan properti nanosize luar biasa ini membawa mereka satu langkah di depan secara tak tertandingi dalam produksi biosensor ideal.

Dengan motivasi ini, makalah ini menyajikan tinjauan atas perkembangan terbaru dalam sistem nano hibrid yang diciptakan oleh penggunaan gabungan MONs, grafen, dan CNT. Banyak upaya telah dilakukan untuk menciptakan biosensor dengan sensitivitas dan selektivitas yang ditingkatkan untuk mendeteksi biomolekul dengan bantuan struktur nano ini. Jelas, selain dari setiap karakteristik unik materi ini, efek ganda dari desain hibrid mereka adalah titik kunci dalam mendapatkan biosensor berperforma lebih tinggi. Menggabungkan struktur nano ini untuk menciptakan desain hibrid meningkatkan aktivitas elektrokatali biosensor, laju transfer elektronnya, dan memungkinkan lebih banyak situs aktif untuk memungkinkan dua atau lebih biomolekul terdeteksi secara bersamaan. Ini juga memenuhi fungsi lain yang diinginkan yang diharapkan dari biosensor ideal, seperti stabilitas, umur simpan panjang, repeatabilitas, jangkauan pengukuran yang luas, waktu respons cepat untuk aplikasi biosensor generasi berikutnya. Namun, ada faktor yang memaksa dalam menggabungkan tiga nanomaterial tren ini, seperti kontrol pada kecenderungan aglomerasi, sitotoksisitas, pilihan konsentrasi yang tepat, dan optimisasi kondisi yang luas untuk meningkatkan kemurnian dan integrasi yang lebih baik materi ini satu sama lain. Oleh karena itu, masih ada ruang terbuka untuk perbaikan yang dapat dilakukan untuk persiapan nanomaterial dan struktur kompositnya. Selain itu, untuk diagnosis analit di tempat, yang memiliki dampak besar untuk biosensor untuk aplikasi medis, penting untuk memiliki hasil yang cepat dan andal dengan cara yang hemat biaya. Untuk tujuan ini, nanomaterial yang digunakan dalam biosensor dapat dimodifikasi untuk memfasilitasi diagnosis dengan sensing yang lebih halus terutama untuk penanda beberapa penyakit dengan konsentrasi yang sangat kecil pada tahap awal mereka. Untuk mendapatkan dan meningkatkan fitur tersebut, grafen, CNT, dan MONs harus diproduksi dengan impuritas katalis minimum, kristalinitas tinggi, dan dalam jumlah besar dengan cara yang hemat biaya. Mereka juga harus dirancang untuk kepadatan status dan struktur ikatan mereka untuk menyesuaikan properti transportasi elektron yang lebih baik. Dalam tinjauan ini, kombinasi struktur nano yang membantu mengembangkan mekanisme 'biosensor masa depan' yang akurat diusulkan dan harapan seperti sensitivitas, selektivitas yang unggul, batas deteksi rendah, sensing real-time dengan properti multifungsi diringkas.

Ketersediaan Data dan Bahan

Tidak berlaku.

Singkatan

Tersedia dalam daftar singkatan asli.