Avanços Recentes em Nanobiossensores Baseados em Óxidos Metálicos-Grafeno-Nanotubos de Carbono

Resumo

Nanobiossensores são analisadores práticos, convenientes e sensíveis que detectam agentes químicos e biológicos, convertendo os resultados em dados significativos por meio da interação entre uma molécula biologicamente ativa e um elemento de reconhecimento imobilizado na superfície do transdutor de sinal, através de um detector físico-químico. Devido às suas características operacionais rápidas, precisas e confiáveis, os nanobiossensores são amplamente utilizados em aplicações clínicas e não clínicas, testes de cabeceira, indústria têxtil médica, monitoramento ambiental, segurança alimentar, entre outros, desempenhando um papel crucial nessas aplicações críticas. Portanto, o projeto da interface de biossensoriamento é essencial para determinar o desempenho do nanobiossensor. As propriedades químicas e físicas únicas dos nanomateriais abriram caminho para novos e aprimorados dispositivos de sensoriamento em biossensores. A crescente demanda por dispositivos com capacidade de sensoriamento e seletividade aprimoradas, tempo de resposta curto, limite de detecção mais baixo e baixo custo impulsiona investigações inovadoras sobre nanobiomateriais para uso como andaimes de biossensores. Entre todos os nanomateriais, estudos sobre o desenvolvimento de nanobiossensores baseados em nanoestruturas de óxidos metálicos, grafeno e seus derivados, nanotubos de carbono e o uso generalizado desses nanomateriais como estruturas híbridas têm atraído atenção recentemente. Nanoestruturas híbridas criadas pela combinação dessas nanoestruturas atenderão diretamente às necessidades dos futuros biossensores com suas altas atividades eletrocatalíticas. Esta revisão aborda os desenvolvimentos recentes sobre esses nanomateriais e seus derivados, e seu uso como andaimes de biossensores. Revisamos esses nanomateriais populares avaliando-os com estudos comparativos, tabelas e gráficos.

Introdução

Um biossensor é um dispositivo de diagnóstico que converte sinais de um analito biológico em um sinal elétrico mensurável e distinguível para detecção qualitativa e/ou quantitativa do analito, que pode estar envolvido com outras substâncias físico-químicas [1]. O primeiro biossensor conhecido foi desenvolvido por Clark et al. [2] para detecção de oxigênio, e o primeiro eletrodo enzimático amperométrico desenvolvido por Clark e Lyons [3] foi um biossensor de glicose baseado em enzima. Ao longo dos anos, foram desenvolvidos tipos de biossensores baseados em enzimas, tecidos, ácido desoxirribonucleico (DNA), e biossensores térmicos, ópticos e eletroquímicos. Biossensores fornecem resultados mais estáveis e precisos do que métodos tradicionais em algumas aplicações, como diagnóstico clínico, setor biomédico, produção de alimentos e análise [2, 4]. Além disso, com características como especificidade, seletividade, economia de custo com operação simples, análise em tempo real e uso contínuo, vários tipos de biossensores foram desenvolvidos rapidamente na segunda metade do século e tornaram-se amplamente utilizados em campos médicos, ambientais e forenses relacionados [5]. Seu uso intensivo nessas áreas críticas de aplicação trouxe à tona características esperadas de um biossensor: alta sensibilidade, estabilidade, alta seletividade, longa vida útil, repetibilidade, simplicidade e baixo custo, ampla faixa de medição e tempo de resposta rápido [6].

Segundo a União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC), biossensores contêm três componentes principais: elemento de reconhecimento biológico, componente transdutor e sistema eletrônico, frequentemente combinado com um transdutor. Como dispositivos integrados receptor-transdutor, biossensores são capazes de fornecer informações analíticas quantitativas ou semiquantitativas seletivas usando um elemento de reconhecimento biológico [7] (Fig. 1). Nesse contexto, ácidos nucleicos, enzimas, anticorpos, receptores, microrganismos, células, tecidos e até estruturas biomiméticas podem ser utilizados como bioreceptores para detecção biológica.

Avanços Recentes em Nanobiossensores Baseados em Óxidos Metálicos-Grafeno-Nanotubos de Carbono — Representação esquemática de biossensores

O projeto de um biossensor é de grande importância para um teste rápido e conveniente sob qualquer circunstância ou posição em que o analito possa surgir. Dentro desse projeto, os materiais do componente transdutor também têm efeito significativo na qualidade da detecção. Os transdutores físicos variam significativamente com a fonte de sinal quantificável e utilizam principalmente sistemas ópticos e eletroquímicos [5]. As características físico-químicas, eletrônicas/ópticas/eletroquímicas do material usado como transdutor físico afetam diretamente o desempenho dos biossensores. Além disso, a eficiência e eficácia dos biossensores são determinadas pelas matrizes, mediadores e estabilizadores usados para imobilização enzimática. Portanto, as propriedades do material a partir do qual o componente transdutor físico é produzido desempenham um papel crítico na obtenção de características como alta estabilidade de sinal e repetibilidade dos biossensores e em sua seletividade. Entre os três componentes mencionados de um biossensor, esta revisão foca principalmente nos desenvolvimentos recentes na funcionalização de superfície de componentes transdutores usando nanomateriais.

Transdutores podem ser classificados principalmente em quatro classes: eletroquímicos, bioluminescentes, piezoelétricos, calorimétricos e ópticos. A superfície do transdutor pode ser modificada usando muitos materiais funcionais diferentes para melhorar o desempenho do sensor. Controlar a estrutura, morfologia e propriedades desses materiais também pode ajudar da mesma forma. Entre esses materiais, materiais na escala nanométrica, denominados nanomateriais, têm grande potencial para serem cruciais no desenvolvimento de biossensores novos, adaptativos e altamente sensíveis para uma área de aplicação mais ampla, com suas propriedades únicas dependentes do tamanho, como grande área de superfície, condutividade elétrica aprimorada e alta reatividade química. Considerando essas propriedades extraordinárias, nanomateriais têm sido um dos candidatos preferidos para atender aos requisitos desejados para a construção de biossensores altamente sensíveis [6].

Para ser considerado um nanomaterial, pelo menos em uma dimensão o tamanho deve estar entre 1 e 100 nm [8]. Devido ao seu tamanho extremamente minúsculo, na maioria dos nanomateriais a maioria dos átomos existe próxima à superfície ou presente na superfície. Essas nanopartículas (NPs), ao ganharem características notáveis como propriedades físico-químicas aprimoradas, maior área de superfície, distância encurtada de elétrons, apresentam uma diferença significativa em comparação com suas contrapartes em escala macro. Assim, desempenhos aprimorados seriam mantidos nas propriedades ópticas, térmicas, elétricas e magnéticas desses materiais na nanoescala para serem altamente eficazes para uso como componente de biossensor. Além disso, materiais na nanoescala com maior área de superfície fornecem um espaço adequado para a imobilização de um número suficiente de bioreceptores na superfície dos eletrodos. Portanto, pesquisadores têm mostrado recentemente grande interesse na produção, caracterização e uso de nanomateriais para aplicações em biossensores [9, 10].

Entre todos os nanomateriais, MONs, grafeno e seus derivados, e CNTs se destacam por suas características únicas [11, 12]. MONs exibem propriedades catalíticas significativas devido à sua impressionante diversidade morfológica, não toxicidade e biocompatibilidade. Também deve ser observado que MONs fornecem uma estrutura adequada para imobilização de biomoléculas.

Sua rede cristalina permitindo modificação dos parâmetros da célula e propriedades eletroquímicas devido ao efeito de confinamento quântico, e a controlabilidade da banda proibida pela alteração de suas propriedades de superfície afetando condutividade e reatividade química, tornaram-nos altamente potenciais para serem usados como elementos de biossensoriamento e diferenciam MONs de suas contrapartes em escala macro [12, 13]. Além disso, para melhorar ainda mais essas propriedades formando uma estrutura composta, MONs têm sido recentemente extensivamente combinados com nanomateriais de carbono como grafeno e CNTs para formar uma nanoestrutura híbrida. Isso melhora a reatividade eletroquímica para detecção e diagnóstico, atendendo aos requisitos futuros como sensibilidade e seletividade de um biossensor [14].

A hibridização desses nanomateriais de carbono com MONs proporciona a produção de biossensores avançados com uma ou mais funções equipadas com propriedades ópticas, magnéticas e elétricas superiores [14,15,16]. Grafeno e seus derivados podem ser facilmente integrados com outros nanomateriais para criar materiais nanohíbridos e obter atividade eletroquímica desejada [13, 17, 18]. Por exemplo, em muitas aplicações, o grafeno é considerado uma ferramenta útil para promover a transferência de elétrons para a resposta redox de proteínas [19]. No entanto, a estabilidade física do grafeno em ambiente biológico e sua avaliação de toxicidade para células ainda são controversas [20,21,22]. Por outro lado, CNTs, ao contrário do grafeno, têm características ópticas variantes devido à sua quiralidade variável, tornando-os vantajosos em comparação ao grafeno em aplicações de biossensoriamento óptico [23]. CNTs, com excepcional capacidade eletroquímica, são prontamente modificáveis quimicamente e têm alta razão área de superfície/volume como o grafeno [24]. Em termos de propriedades de superfície, quando expostos a um ambiente, embora o grafeno seja exposto com todo seu volume devido à sua natureza bidimensional de monocamada, essa exposição é limitada no caso de CNTs unidimensionais (1D) [25]. Além disso, foi relatado muitas vezes em estudos anteriores que o grafeno tem maior seletividade contra interferências devido às suas excelentes propriedades de sensoriamento biomolecular e relação sinal-ruído comparado aos CNTs. Isso se deve principalmente às bordas graíticas livres de metal do grafeno com alta área de superfície. No entanto, problemas como perturbação de sinal existem em biossensores baseados em CNTs devido à presença de catalisadores metálicos residuais [25]. Com todos os aspectos mencionados, nanohíbridos formados pela combinação de estruturas de grafeno e/ou CNTs podem desempenhar um papel vital no projeto de biossensores avançados, e a compensação das desvantagens de ambos os materiais formando uma estrutura composta a partir deles superaria esses problemas e a detecção poderia ser maximizada. Aproveitando a cooperação criada pela estrutura composta de MONs, grafeno e CNTs, parece indispensável fornecer uma amplificação de sinal aprimorada e preparar estratégias de bioafinidade avançadas, resultando no desenvolvimento de dispositivos de biossensoriamento aprimorados para atender aos requisitos futuros. Portanto, no escopo desta revisão, focou-se em biossensores baseados em MONs, grafeno e CNTs recentemente realizados. Além disso, discutiu-se o papel crítico do uso desses nanomateriais, não isoladamente, mas também em conjunto, na produção de biossensores com propriedades superiores obtidas por sua combinação. Avaliando expectativas e desafios futuros, gostaríamos de apresentar uma perspectiva alternativa para estudos futuros.

Biossensores Baseados em Nanoestruturas de Óxidos Metálicos

Óxidos metálicos (MOs) têm sido candidatos essenciais para aplicações em sensores desde os estudos iniciais de biossensores em 1954 [26, 27]. MOs podem ser sintetizados em várias nanomorfologias, como NPs [28, 29], nanofibras [30], nanoesferas (NSs) [31], nanobastões [32], nanotubos e nanofios (NWs) [33], nanofolhas [34, 35]. Além da versatilidade morfológica, MONs oferecem vantagens: alta razão superfície/volume, não toxicidade, boa biocompatibilidade, estabilidade química, excelente seletividade, limitação de elétrons e fônsons, alta eficiência catalítica e forte capacidade de adsorção, características de interface físico-química [36,37,38,39,40]. Além disso, MONs podem ser produzidos via métodos relativamente fáceis e econômicos, como sputtering de magnetron de radiofrequência (RF) [41,42,43], evaporação térmica [44, 45], deposição química de vapor aprimorada por plasma (PECVD) [46, 47], epitaxia de feixe molecular [48], técnica sol-gel [49], processo de deposição eletroquímica [50] e método hidrotérmico [51]. Essas características significativas tornaram os MONs um dos materiais mais desejados para aplicações biomédicas e mercado de biossensores. Publicações sobre MONs de 2010 a 2020 foram analisadas e apresentadas na Fig. 2 com um gráfico de pizza mostrando a distribuição de aplicações biomédicas de MONs.

Por outro lado, predominantemente nos últimos anos, vários MONs como ZnO, Fe₃O₄, CuO, NiO, TiO₂, MgO têm sido continuamente produzidos como biossensores versáteis e funcionais por um longo tempo [44, 52]. Entre os MONs, ZnO e Fe₃O₄, devido às suas amplas aplicações, são considerados membros proeminentes na construção de biossensores [53, 54].

Nanoestruturas de ZnO

Nanoestruturas de ZnO desempenham um papel extenso na fabricação de novos biossensores nanoestruturados devido às suas propriedades únicas, incluindo alto ponto isoelétrico (IEP ~ 9,5) [55], larga banda proibida, útil característica de comunicação de elétrons, alta estabilidade química, boa biocompatibilidade e piezoeletricidade. Especialmente, seu alto ponto isoelétrico explica claramente por que o ZnO é o óxido metálico mais prevalente empregado para tecnologias de biossensoriamento. Além disso, o ZnO pode ser utilizado em todas as aplicações clínicas ou não clínicas, pois é um material ambientalmente amigável e seguro [53, 54, 56]. Por exemplo, Akhtar et al. [57] desenvolveram um biossensor óptico sem reagentes baseado no mecanismo de realce de fluorescência para detecção de amiloide no diagnóstico de doenças neurodegenerativas como Alzheimer e diabetes tipo II dependente de insulina, utilizando nanoestruturas de ZnO semelhantes a flores que têm maior área de superfície. Além disso, a nanoflor de ZnO foi relatada como um bom material de realce de desempenho que fornece um biossensor de amiloide mais rápido e econômico [57]. Além disso, um biossensor de glicose usando transistor de efeito de campo (FET) baseado em nanobastões de ZnO relacionado a aplicação de monitoramento contínuo de glicose vestível para indivíduos com diabetes foi fabricado por Zong e Zhu [54] via método hidrotérmico. Eles alcançaram um biossensor de alto desempenho com alta sensibilidade de 1,6 mA/µM cm² com uma minúscula área de sensoriamento de 180 µm² e limite de detecção de 1 µM sob o favor da grande razão superfície/volume dos nanobastões de ZnO [54]. Sahyar et al. [58] desenvolveram um novo biossensor baseado em NPs de ZnO dopadas com Ag para detecção precoce de deterioração de carne. Como resultado de sua análise com um eletrodo modificado com enzima xantina oxidase (XO) (nanoAg-ZnO/polipirrol (PPy)/eletrodo de grafite de lápis), eles afirmaram que o biossensor enzimático obtido mostrou alta seletividade com sensibilidade de 0,03 μA/mM e baixo limite de detecção de 0,07 μM [58].

Em outro estudo, Yue et al. [59] desenvolveram com sucesso um biossensor ideal de dopamina (DA) baseado em eletrodos de espuma de grafeno/arrays de nanocones de ZnO/NPs de Au. Em suas caracterizações, eles provaram que o eletrodo modificado tem alta sensibilidade (4,36 μA μM⁻¹) e baixo limite de detecção (0,04 μM, S/N = 3) na detecção de DA. Além disso, relataram que o eletrodo baseado em nanocones de ZnO exibiu excelente seletividade, boa reprodutibilidade e estabilidade sob interferência de ácido úrico (UA). Também enfatizaram que o eletrodo tem tremendo potencial em medicina e saúde [59]. No mesmo ano, Qian et al. desenvolveram um detector eletroquímico de glicose usando NPs de ZnO. O sensor consiste em um nanobigode de CeO₂ decorado com NPs de ZnO, e afirmaram que a nanoestrutura composta ZnO/CeO₂ tem extensa área de superfície, não toxicidade e alta atividade eletrocatalítica. A nanoestrutura composta mostrou desempenho extraordinário para detecção de glicose com faixa linear de 0,5–300 μM e limite de detecção (LOD) de 0,224 μM (40 ppb). Também enfatizaram que o sensor nanoestruturado mostrou excelente relação linear entre intensidade do sinal de corrente e concentração de glicose (R² = 0,99944) [60]. Outro biossensor de glicose foi desenvolvido por Rafiee et al. [61] combinando nanoflocos de grafeno (GNPs), conhecidos por sua alta condutividade e estabilidade química, e nanofios de ZnO (NWs), conhecidos por serem sensíveis à glicose. Em seu estudo, eles modificaram a estrutura do dispositivo como um biossensor de glicose sintetizando nanofios de ZnO em filmes finos de GNPs em três diferentes concentrações (0,5, 1 e 2 mg), definidas como GNP1, GNP2 e GNP3. O sistema mostrou que o efeito duplo de nanofios de ZnO e GNPs levou ao aperfeiçoamento perfeito para um biossensor de glicose eficiente. Por exemplo, notaram que para baixas concentrações de glicose, a resposta do dispositivo aumentou conforme a quantidade de grafeno em solução aumentou, e o tempo de resposta do sensor diminuiu com o aumento do número de GNPs. Além disso, relataram que estabilidade a longo prazo, ou seja, relação consistente de resistência a concentração, um critério importante para um biossensor ideal, foi observada em amostras modificadas com GNPs após exposição a 30 mg/dL de glicose por 30 dias. Consequentemente, apresentaram um biossensor de glicose ideal com características úteis: tempo de resposta de 5 s, faixa de detecção de 0,003–30.000 mg/dL e estabilidade elétrica a longo prazo [61]. Além desses estudos, alguns outros estudos recentes usando diferentes nanoestruturas de ZnO para detecção de várias enzimas são apresentados na Tabela 1.

Considerando os estudos atuais mostrados na Tabela 1, pode-se expressar que estruturas de ZnO produzidas através de numerosos métodos com morfologias variadas continuam sendo amplamente utilizadas devido à sua facilidade de integração em estruturas compostas. Alternativas de produção e versatilidade morfológica, bem como a formação de nanoestruturas compostas e híbridas com outros nanomateriais, especialmente com nanoestruturas de carbono, oferecem um potencial extraordinário às estruturas de ZnO em termos de atender às propriedades esperadas com plena eficiência em um biossensor ideal.

Nanoestruturas de Fe₃O₄

Nos últimos anos, a nanoestrutura de Fe₃O₄ despertou muito interesse em muitas aplicações promissoras, incluindo biossensores, liberação de fármacos, separação celular e farmácia, graças às suas propriedades superiores como boa biocompatibilidade, baixa toxicidade, superparamagnetismo, atividade catalítica e facilidade de preparação e processo de modificação. NPs magnéticas de Fe₃O₄ são apropriadas para imobilização de biomoléculas desejadas, como enzimas [73,74,75,76], devido à simples capacidade de separação do meio por sua natureza magnética [77]. NPs magnéticas de Fe₃O₄ e seus derivados têm sido extensivamente usados em tecnologia de biossensores, e vários estudos atraentes têm sido discutidos na literatura [75, 78]. Neste contexto, Sanaeifar et al. [75] projetaram um novo biossensor eletroquímico para detecção de glicose. Eles avaliaram o desempenho eletroquímico da nanoestrutura composta preparada pela dispersão de NPs magnéticas de Fe₃O₄, produzidas via método de co-precipitação, em álcool polivinílico (PVA). Relataram que NPs de Fe₃O₄ na matriz de PVA, com excelentes propriedades catalíticas contra glicose oxidase imobilizada, aumentaram as taxas de transferência de elétrons entre a enzima e a superfície do eletrodo. O bioeletrodo preparado pôde medir glicose na faixa de 5 × 10⁻³ a 30 mM com sensibilidade de 9,36 µA mM⁻¹ e exibiu limite de detecção inferior a 8 µM [75]. Dong et al. [79] desenvolveram sensores baseados em nanoesferas core-shell Ag/Fe₃O₄, produzidos via abordagem solvotérmica simples, para uso na detecção de hidrazina para proteção ambiental. Relataram que o sensor de hidrazina de alto desempenho tem tempo de resposta de 2 s, faixa linear de 0,25–3400 µm, sensibilidade de 270 μA mM⁻¹ cm⁻² e limite de detecção de 0,06 μM. Comparando os números, um sensor de hidrazina muito superior a outros sensores na literatura foi desenvolvido [79].

Em outro estudo, Sriram et al. [80] desenvolveram nanoestrutura composta Fe₃O₄ NSs/óxido de grafeno reduzido (rGO) para detectar UA em amostras de urina e soro sanguíneo. Como resultado de sua análise eletroquímica, nanoestruturas compostas Fe₃O₄ NSs/óxido de grafeno reduzido (rGO), com alta estabilidade e repetibilidade, mostraram um excelente pico de redução eletroquímica. Além disso, enfatizaram que a faixa linear do sensor de UA desenvolvido estava entre 0,02 e 783,6 µM, e o LOD foi 0,12 nM [80]. Da mesma forma, um novo biossensor para detecção de DA combinando óxido de grafeno (GO) e Fe₃O₄ foi desenvolvido por Cai et al. [81]. Em seu estudo, sintetizaram com sucesso a nanoestrutura composta ternária Fe₃O₄/GO/grafeno pristino (PG) por métodos de dispersão e co-precipitação. Posteriormente, depositaram a nanoestrutura composta no eletrodo de trabalho, eletrodo de carbono vítreo (GCE), por técnica de gotejamento. A maior corrente de pico é registrada para estruturas Fe₃O₄/GO/PG em voltamogramas cíclicos (CVs). Similarmente, relataram que a maior corrente de pico na presença de DA pertence à amostra Fe₃O₄/GO/PG/GCE. Também destacaram um aumento na corrente de pico para a amostra Fe₃O₄/GO/PG/GCE devido ao aumento da concentração de DA. Finalmente, Cai et al. afirmaram que o sensor eletroquímico poderia ser efetivamente usado na detecção de DA [81]. Alguns estudos representativos sobre nanoestruturas de Fe₃O₄ como componente de biossensor são apresentados na Tabela 2.

Apesar de suas propriedades superiores, nanoestruturas magnéticas de Fe₃O₄ têm problemas restritivos em aplicações de biossensores e biológicas. Devido à sua alta energia de superfície, reatividade química e fortes interações magnéticas, elas são incrivelmente propensas a aglomeração, criando dificuldades na estabilização de nanoestruturas magnéticas de Fe₃O₄. Para superar esse problema, a superfície de nanoestruturas de Fe₃O₄ é revestida com camadas de polímero [95]. No entanto, revestir a superfície com polímero pode diminuir a eficiência em termos de aplicações de biossensores eletroquímicos. Assim, na estabilização de nanoestruturas magnéticas de Fe₃O₄, biomoléculas como genes, células, enzimas, proteínas e outras nanoestruturas essenciais (grafeno, CNTs, pontos quânticos, NPs, etc.) podem ser usadas. Portanto, pode-se prever que sistemas nanohíbridos e nanocompostos complexos baseados em nanoestruturas magnéticas de Fe₃O₄ se tornarão um fenômeno na produção de biossensores de nova geração no futuro.

Após tudo, biossensores baseados em MOs incorporando várias nanoestruturas apresentam funções únicas e novas em aplicações práticas e industriais. Nanoestruturas de MOs impactam fortemente o desenvolvimento de biossensores altamente sensíveis, rápidos e estáveis devido às suas propriedades incomparáveis. Além disso, cada tipo de nanoestruturas e óxidos de metais inclui suas vantagens. Portanto, novos avanços em dispositivos de sensoriamento provavelmente ocorrerão na biotecnologia. Além disso, observa-se que nanoestruturas de carbono têm recebido muito espaço em estudos recentes, e MOs são usados em conjunto com eles. Portanto, a segunda parte deste trabalho focará nos dois nanocarbonos mais comumente usados (grafeno e CNTs) em biossensores.

Biossensores Baseados em Grafeno e Seus Derivados

Grafeno é um dos alotropos de carbono mais populares, assim como grafite, CNTs, fulereno, diamante. É uma camada bidimensional de átomos de carbono hibridizados sp². Após a descoberta do grafeno por Geim e Novoselov, atraiu enorme atenção mundial em várias disciplinas como eletrodos transparentes, armazenamento de energia, liberação de fármacos, biossensores, supercapacitores, baterias e catálise [96, 97]. Grafeno, como muitos outros nanomateriais, pode ser sintetizado por métodos top-down (exfoliação mecânica, exfoliação química e síntese química) e bottom-up (pirólise, crescimento epitaxial, deposição química de vapor (CVD)) [97]. Diferentes métodos de produção levam à presença de numerosos materiais semelhantes a grafeno, como grafeno, GQDs, GO, rGO, nanofitas de grafeno (GNRs), nanomalha, nanofolhas [98]. Os derivados frequentemente usados são mostrados na Fig. 3.

Grafeno tem boa condutividade térmica (5000 W/mK), alta mobilidade de elétrons em temperatura ambiente (250.000 cm²/V s), grande área de superfície (2630 m²/g), alto módulo de elasticidade (21 T Pa) e boa condutividade elétrica [99]. Além disso, a espessura atômica das folhas de grafeno e sua alta área de superfície proporcionam sensibilidade do material contra mudanças nas condições. Assim, as características de superfície do grafeno, nas quais cada átomo pode ser contatado diretamente, tornam-no sensível ao ambiente. Portanto, é um excelente candidato para aplicações em sensores em comparação a outros materiais [, , 4, 100, 101]. Estudos da última década relacionados a grafeno e seus derivados foram analisados e apresentados na Fig. 102 com um gráfico de pizza que mostra a distribuição de aplicações biomédicas de grafeno. Pode-se afirmar que pesquisadores focam principalmente no campo de biossensores devido às características do grafeno mencionadas acima.

Como mencionado na primeira seção, alguns biossensores são preparados combinando grafeno e derivados de grafeno com MONs. Nesta parte da revisão, focamos em biossensores baseados em grafeno e seus derivados. Uma representação geral e mecanismo de biossensores baseados em grafeno são mostrados na Fig. 5. Aqui, analitos interagindo com grupo(s) funcional(is) na superfície do grafeno, e saídas eletroquímicas, ópticas ou outras podem ser obtidas baseadas nessa interação [96, 97, 103]. Por exemplo, Mani et al. [104] desenvolveram um nanobiocompósito ternário baseado em nanofitas de rGO/MWCNTs/quitosana para detecção sensível e seletiva de H₂O₂ e NO₂⁻. Exploraram as propriedades benéficas do biossensor em solução de limpeza de lentes de contato e amostra de carne. Relataram que para H₂O₂, o sensor baseado em nanobiocompósito teve sensibilidade de 0,616 µAµM⁻¹ cm⁻², limite de detecção de 1 nm e faixa linear de 0,001–1625 µM, enquanto esses valores para NO₂⁻ foram 0,643 µAµM⁻¹ cm⁻², 10 nm e 0,01–1350 µM, respectivamente. Assim, provaram que o sensor baseado em grafeno poderia ser usado efetivamente em aplicações médicas e segurança alimentar [104]. Outro sensor de H₂O₂ baseado em grafeno foi preparado por Yin et al. [105]. Em seu estudo, Yin e colegas sintetizaram aerogéis de grafeno tridimensionais (3D) condutivos (GA) decorados com NPs de Ni₃N usando o método hidrotérmico. Como resultado de sua caracterização, mostraram que os compósitos Ni₃N/GA obtidos poderiam ser aplicados não apenas para H₂O₂ mas também para determinação de glicose. Relataram que o eletrodo baseado em Ni₃N/GA, na determinação de H₂O₂, demonstrou alto desempenho eletroquímico com faixa de detecção de 5 µM–75,13 mM, sensibilidade de 101,9 µAmM⁻¹ cm⁻² e baixo limite de detecção de 1,80 µM. Além disso, para determinação de glicose, enfatizaram que o eletrodo projetado tem faixa de detecção de 0,1–7645,3 µM, limite de detecção de 0,04 µM e sensibilidade de 905,6 µA mM⁻¹ cm⁻² [105].

Pode-se dizer que recentemente há intenso interesse em biossensores baseados em grafeno para detecção prática de glicose (Tabela 3). Por exemplo, Đurđić et al. [106] sintetizaram com sucesso um biossensor de uso único baseado em GNRs decorados com Bi₂O₃ por co-precipitação. Como resultado de sua caracterização, provaram que o sensor obtido tinha limite de detecção de 0,07 mM, faixa linear de 0,28–1,70 mM e sensibilidade de 64,81 μA/mMcm². Assim, propuseram que o sensor baseado em grafeno poderia detectar glicose em amostras de soro sanguíneo e urina de forma reprodutível e estável [106]. No mesmo ano, um útil biossensor de glicose foi projetado com sucesso pela síntese hidrotérmica em pote único de um hidrogel de grafeno poroso dopado com nitrogênio 3D (NHGH) com nanoflores de NiCo₂O₄ (NHGH/NiCo₂O₄) por Lu e equipe. Modificaram o GCE com a nanoestrutura composta obtida e avaliaram o desempenho eletroquímico do eletrodo modificado na determinação de glicose. Primeiro, obtiveram CVs em solução de 0,1 M NaOH, com taxa de varredura de 50 mV s⁻¹, para examinar o desempenho catalítico eletroquímico. Relataram que o NHGH/GCE tem um pico de oxidação aumentado de 0,5 V em comparação à fraca corrente de pico anódico do GCE nu. Além disso, em seu estudo, observaram que o par de picos redox é visível, indicando que a atividade eletroquímica de NHGH/NiCo₂O₄/GCE é a mais alta comparada a outros eletrodos. Atribuíram essa melhoria à área de superfície estendida do grafeno, boa condutividade e reações redox de Co e Ni. Além disso, mostraram os desempenhos catalíticos eletroquímicos dos eletrodos na adição de 5,0 mM glicose. Interpretaram NHGH/NiCo₂O₄/GCE com a maior corrente de pico a 0,5 V como indicação clara de que a oxidação de glicose poderia ser melhor catalisada do que outros eletrodos devido ao efeito duplo de NiCo₂O₄ e NHGH. Também relataram que as correntes de pico aumentaram linearmente com o aumento da concentração de glicose e o sensor de glicose baseado em NHGH/NiCo₂O₄ exibiu ampla relação linear entre corrente de pico e concentração de glicose nas faixas de 5 μM–2,6 mM e 2,6 mM–10,9 mM, respectivamente. Também enfatizaram que NHGH/NiCo₂O₄/GCE tem alta sensibilidade (2072 μA mM⁻¹ cm⁻²) e baixo limite de detecção (0,39 μM). Como resultado, sugeriram uso para determinação precisa de glicose em amostras reais de sangue [107].

Como visto na Tabela 3, grafeno e seus derivados tornaram-se um bloco de construção indispensável para aplicações em biossensores, devido às suas excelentes propriedades. Considerando os estudos realizados recentemente (Tabela 3), é notável que grafeno e seus derivados são usados em nanoestruturas híbridas com MONs para melhorar a sensibilidade e reprodutibilidade dos biossensores. Além disso, a sinergia MONs/grafeno deve ser avaliada para obter biossensores multifuncionais e alcançar alta atividade eletrocatalítica. Além disso, grafeno pode ser facilmente combinado com outros nanocarbonos como CNTs. Assim, rica densidade de bordas e defeitos de borda altamente benéficos para criação de biossensores enzimáticos podem ser obtidos.

Biossensores Baseados em Nanotubos de Carbono

CNTs, descobertos por Iijima em 1991, podem ser concebidos como a formação de uma camada de grafeno em um cilindro. CNTs podem ser categorizados em geral dois tipos: nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) Fig. 6a e MWCNTs Fig. 6b [125]. O diâmetro e o ângulo de enrolamento determinam as características físicas dos CNTs pela quiralidade e o índice (n, m) [126,127,128]. De acordo com o índice (n,m), CNTs podem exibir comportamento metálico ou semicondutor [129,130,131,132], dependendo da quiralidade, SWCNTs podem ser classificados de três maneiras diferentes: (1) m = n é o nanotubo armchair Fig. 6c, (2) n > m e se m = 0 é o nanotubo quiral Fig. 6d, e m = 0 é o nanotubo zig-zag Fig. 6e. CNTs exibem comportamento semicondutor em sua natureza, mas para um dado SWNT (n, m), quando (2n + m)/3 é um inteiro, os CNTs serão metálicos. Assim, pode-se afirmar que todos os nanotubos armchair são metálicos [130]. Portanto, a capacidade de controlar a quiralidade durante a produção significa controlar as características eletrônicas dos CNTs, o que proporciona uma grande vantagem em aplicações de biossensores. Vários métodos diferentes têm sido propostos para sintetizar CNTs nos últimos anos. No entanto, existem três principais técnicas de síntese (descarga de arco, ablação a laser e CVD para produção de CNTs [133]. Comparado aos métodos de descarga de arco e ablação a laser, CVD é o método mais eficaz para controle simples e econômico da quiralidade dos CNTs [133, 134].

As extremidades e paredes laterais dos CNTs podem ser facilmente modificadas pela adição de praticamente qualquer espécie química desejada. CNTs podem ser excelentes transdutores em sensores na nanoescala devido à sua sensibilidade significativa. Além disso, CNTs têm propriedades muito favoráveis para transmissão de sinais elétricos gerados ao reconhecer um alvo e, portanto, desempenham papel essencial no desenvolvimento final de biossensores baseados em enzimas [135]. Além disso, CNTs com tamanho pequeno, tempos de resposta rápidos e excelentes propriedades eletroquímicas são iguais ou superiores a maioria dos outros eletrodos com seus íons, metabólitos e biomarcadores proteicos [136]. Como resultado de suas nanoestruturas tubulares únicas com extensas razões comprimento/diâmetro, CNTs são materiais desejáveis na aplicação de biossensores eletroquímicos devido à sua excelente estabilidade eletroquímica, grande flexibilidade mecânica, transporte rápido de elétrons e condutividade térmica única [137, 133]. CNTs também são amplamente usados em engenharia de tecidos e sistemas de liberação de fármacos para melhorar características elétricas e mecânicas após serem funcionalizados para garantir sua biocompatibilidade e conjugados com compostos orgânicos ou NPs metálicos [138]. Estudos sobre CNTs de 2010 a 2020 foram analisados e apresentados na Fig. 7 como gráfico de pizza mostrando a distribuição de aplicações biomédicas de CNTs.

CNTs, assim como grafeno e seus derivados, também fazem contribuições importantes para o desenvolvimento de biossensores com maior sensibilidade e seletividade hibridizando com MONs. Pesquisadores têm focado recentemente na produção e caracterização de novos nanobiossensores que podem combinar as propriedades únicas de CNTs com as propriedades superiores de NPs metálicos. Por exemplo, Rahman et al. [139] projetaram o biossensor de 3-metoxifenil (3-MP) baseado em CNTs decorados com Fe₃O₄ para aplicações de proteção ambiental. Nanoestruturas compostas Fe₃O₄/CNTs sintetizadas por método químico úmido e revestiram a nanoestrutura composta na superfície do GCE como uma camada fina. Então, avaliaram o desempenho eletroquímico dos eletrodos modificados por caracterização I-V e relataram que o eletrodo baseado em Fe₃O₄/CNT mostrou ampla faixa de detecção (90,0 pM–90,0 mM), baixo limite de detecção (1,0 pM) e alta sensibilidade (9 × 10⁻⁴ μA μM⁻¹ cm⁻²) na detecção de fenol perigoso [139]. Similarmente, para proteção ambiental, biossensor baseado em MWCNT/TiO₂/quitosana foi desenvolvido por Fotouhi et al. [140] para detectar isômeros de diidroxibenzeno liberados no ambiente pelas indústrias química e farmacêutica. Fotouhi et al. relataram que realizaram a determinação simultânea de hidroquinona (HQ), catecol (CC) e resorcinol (RS), causando poluição em amostras reais de água pelo sensor baseado em MWCNTs. Além disso, indicaram os limites de detecção (S/N = 3) de HQ, CC e RS como 0,06 μmol d m⁻³, 0,07 μmol d m⁻³ e 0,52 μmol d m⁻³, e as faixas de resposta linear estão entre 0,4–276,0 μmol d m⁻³, 0,4–159,0 μmol d m⁻³ e 3,0–657 μmol d m⁻³, respectivamente [140].

Além da proteção ambiental, projetos de biossensores de CNTs para aplicações clínicas tornaram-se extremamente interessantes recentemente (Tabela 4). Por exemplo, Zhu et al. [141] obtiveram buckypaper contendo duas camadas: SWCNTs purificados e SWCNTs decorados com NiO, pelo método de descarga de arco de hélio. Posteriormente, como resultado de sua análise para avaliar seu desempenho eletroquímico, mostraram que o biossensor de glicose tem ampla faixa linear (0,1–9 mM), alta sensibilidade (2701 μA mM⁻¹ cm⁻²) e tempo de resposta rápido (< 2,5 s) [141]. Barthwal e Singh [142] projetaram um biossensor de nanoestrutura composta ZnO/MWCNTs para detectar ureia em seu estudo. Indicaram que o sensor baseado em ZnO/MWCNTs tem as maiores características de detecção comparado aos sensores baseados em ZnO e MWCNTs. Também enfatizaram que a sensibilidade da nanoestrutura composta contendo 2% MWCNTs é menor que 10 s, e o limite de detecção é 10 ppm [142]. No mesmo ano, Guan et al. desenvolveram com sucesso uma nanoestrutura composta híbrida baseada em CNTs como biossensor eletroquímico para detecção simultânea de alta sensibilidade de DA e UA. Em seu estudo, relataram que o mais extenso (ΔE_p = 144 mV) e maior corrente de oxidação foi observado no eletrodo modificado com nanohíbrido baseado em CNTs. Além disso, investigaram a detecção simultânea de DA e UA em GCE modificado com nanohíbrido via voltametria de pulso diferencial (DPV). Mostraram que a resposta de corrente de pico anódico do nanohíbrido/GCE aumentou linearmente devido ao aumento da concentração de DA. Também obtiveram observação similar para a concentração de UA. Enfatizaram que a faixa de concentração para ambos analitos alvo é 2–150 μM. Como resultado, relataram que os valores limite de detecção de DA e UA foram 0,37 μM e 0,61 μM, respectivamente [143].

Estudos sobre aumento da eficiência de biossensores baseados em CNTs em diferentes áreas de aplicação hibridizando com MONs e grafeno e derivados de grafeno e melhorando suas propriedades são de grande interesse (Tabela 4). A maior atividade eletroquímica e condutividade de nanoestruturas híbridas projetadas com sensores eletroquímicos baseados em CNTs podem ser consideradas resultado das propriedades inerentes dos CNTs. Por outro lado, uma das características que limitam o uso de CNTs em aplicações de biossensores é que eles não se dissolvem na maioria dos solventes. Também têm baixa biocompatibilidade e, em alguns casos, toxicidade. Para superar esses problemas, combinar diferentes grupos funcionais na superfície e tampas das extremidades dos CNTs com MONs e aplicar modificações de superfície pode ser considerado uma solução.

Além disso, devido à integração de CNTs com grafeno e seus derivados, é possível criar sítios mais ativos para biomoléculas devido a fortes interações de ligação. Outra vantagem da estrutura híbrida CNTs/grafeno é que permite que biossensores respondam em tempo menor devido à sua maior taxa de transferência de elétrons. Assim, na próxima geração de biossensores a serem desenvolvidos no futuro, parece inevitável alcançar alta sensibilidade e seletividade, detecção simultânea de biomoléculas alvo beneficiando-se do efeito duplo de CNTs com MONs ou outros nanocarbonos como grafeno e seus derivados.

Conclusão e Perspectivas

Biossensores e bioeletrodos desempenham papel crucial no monitoramento ambiental, segurança alimentar, indústria têxtil médica, descoberta e análise de fármacos, aplicações clínicas e não clínicas. Com a recente pandemia de COVID-19, biossensores de resposta rápida, reutilizáveis, baratos e altamente seletivos tornaram-se cruciais para o combate a doenças infecciosas serem controladas. Para o projeto de um biossensor, o material usado no componente transdutor e para funcionalizar superfícies de transdutores tem efeito explícito nos resultados com as propriedades mencionadas obtidas de um biossensor. Nesse contexto, para a melhoria das propriedades desses dispositivos, nanomateriais têm sido extensivamente usados e sua área de superfície expandida, capacidade de adaptação a modificações de superfície para uso de qualquer tipo de analito, e tais propriedades extraordinárias dependentes do tamanho nanométrico os colocaram um passo à frente unprecedentedemente na produção de um biossensor ideal.

Com essa motivação, este artigo apresenta uma visão geral sobre desenvolvimentos recentes em nanossistemas híbridos criados pelo uso combinado de MONs, grafeno e CNTs. Numerosos esforços têm sido feitos para criar biossensores com sensibilidade e seletividade aprimoradas para detectar biomoléculas com a ajuda dessas nanoestruturas. Obviamente, além das características únicas de cada um desses materiais, o efeito múltiplo do projeto híbrido deles é um ponto-chave na obtenção de um biossensor de maior desempenho. Combinar essas nanoestruturas para criar um projeto híbrido melhora a atividade eletrocatalítica do biossensor, sua taxa de transferência de elétrons e permite mais sítios ativos para permitir que duas ou mais biomoléculas sejam detectadas simultaneamente. Também atende a outras funções desejadas esperadas de um biossensor ideal, como estabilidade, longa vida de prateleira, repetibilidade, ampla faixa de medição, tempo de resposta rápido para aplicações de biossensores de próxima geração. No entanto, existem fatores convincentes na combinação desses três nanomateriais em tendência, como controle da tendência de aglomeração, citotoxicidade, escolha da concentração certa e extensa otimização de condições para melhorar a pureza e melhor integração desses materiais entre si. Portanto, ainda há margem aberta para melhorias a serem feitas na preparação de nanomateriais e suas estruturas compostas. Além disso, para um diagnóstico no local de um analito, tendo grande impacto para biossensores em aplicações médicas, é importante ter um resultado rápido e confiável de forma econômica. Para esse propósito, nanomateriais usados em biossensores podem ser modificados para facilitar diagnóstico com sensoriamento mais delicado, especialmente para biomarcadores de algumas doenças com concentração muito mínima em seus estágios iniciais. Para ganhar e melhorar tais características, grafeno, CNTs e MONs devem ser produzidos com impurezas mínimas de catalisador, alta cristalinidade e em grandes quantidades de forma econômica. Eles também devem ser projetados para sua densidade de estados e estrutura de ligações para adaptar melhores propriedades de transporte de elétrons. Nesta revisão, uma combinação de nanoestruturas que ajudam a desenvolver um mecanismo preciso de 'biossensor do futuro' foi proposta e expectativas como sensibilidade, seletividade superior, baixo limite de detecção, sensoriamento em tempo real com propriedades multifuncionais foram resumidas.