金属酸化物・グラフェン・CNTナノバイオセンサーの最新進展

概要

ナノバイオセンサーは、化学的・生物学的物質を検出し、生物活性分子と信号変換器表面に固定化された認識要素との間の物理化学的検出により、結果を意味あるデータに変換する便利で実用的、かつ感度の高い分析装置です。迅速、正確、信頼性の高い動作特性を持つため、臨床・非臨床応用、ベッドサイド検査、医療繊維産業、環境モニタリング、食品安全性などで広く利用されており、これらの重要な用途で重要な役割を果たしています。したがって、バイオセンシングインターフェースの設計は、ナノバイオセンサーの性能を決定する上で不可欠です。ナノ材料の独自な化学的・物理的特性は、バイオセンサーにおける新規かつ改良されたセンシングデバイスへの道を開きました。優れた感度と選択性、短い応答時間、低検出限界、低コストを備えたデバイスへの需要の高まりにより、バイオセンサー足場として利用されるナノバイオ材料に関する新規研究が促進されています。あらゆるナノ材料の中で、金属酸化物ナノ構造、グラフェンとその誘導体、カーボンナノチューブ、およびこれらのナノ材料をハイブリッド構造として広く利用する研究が近年注目を集めています。これらのナノ構造を組み合わせて作られるナノハイブリッド構造は、高い電気触媒活性を持つことで、将来のバイオセンサーのニーズを直接的に満たすものです。本レビューでは、これらのナノ材料とその誘導体の最新の進展、およびバイオセンサー足場としての利用について概説し、比較研究、表、グラフを用いてこれらの人気ナノ材料を評価しています。

はじめに

バイオセンサーとは、生物学的分析対象物質からの信号を、定性的および/または定量的な検出のために測定可能で識別可能な電気信号に変換する診断デバイスです。最初の既知のバイオセンサーは、Clarkらによって酸素検出用に開発され、ClarkとLyonsによって開発された最初のアンペロメトリック酵素電極は、酵素ベースのグルコースバイオセンサーでした。長年にわたり、酵素ベース、組織ベース、DNAベース、熱学的、光学的、電気化学的バイオセンサーなどが開発されてきました。バイオセンサーは、臨床診断、医療分野、食品生産、分析などの一部の用途において、従来の手法よりも安定かつ精密な結果をもたらします。さらに、特異性、選択性、簡便な操作によるコスト削減、リアルタイム分析、継続使用といった特徴を備え、20世紀後半には様々なタイプのバイオセンサーが急速に開発され、医療、環境、法医学分野で広く使用されるようになりました。これらの重要な応用分野での集中的な使用により、高感度、安定性、高選択性、長寿命、再現性、簡便さと安価さ、広い測定範囲、迅速な応答時間といった、バイオセンサーに期待される特徴が明確になってきました。

国際純正・応用化学連合（IUPAC）によれば、バイオセンサーは生物学的認識要素、変換器コンポーネント、および変換器としばしば組み合わされる電子システムという3つの主要コンポーネントで構成されます。統合受容体-変換器デバイスとして、バイオセンサーは生物学的認識要素を用いて選択的な定量的または半定量的分析情報を提供できます。この枠組みでは、核酸、酵素、抗体、受容体、微生物、細胞、組織、さらにはバイオミメティック構造さえも、生物学的検出のためのバイオレセプターとして利用可能です。

バイオセンサーの設計は、分析対象物質が出現するいかなる状況や位置においても、迅速かつ便利な検査を行う上で極めて重要です。その設計の中で、変換器コンポーネントの材料も検出品質に大きな影響を与えます。物理変換器は、定量可能な信号源によって大きく異なり、主に光学系と電気化学系を利用します。物理変換器として使用される材料の物理化学的、電子的/光学的/電気化学的特性は、バイオセンサーの性能に直接影響を与えます。また、酵素固定化に用いられるマトリックス、メディエーター、安定剤によってバイオセンサーの効率と有効性が決定されます。したがって、物理変換器コンポーネントを構成する材料の特性は、高い信号安定性と再現性、選択性といった特徴を得る上で重要な役割を果たします。前述のバイオセンサーの3コンポーネントの中で、本レビューは主にナノ材料を用いた変換器コンポーネントの表面機能化に関する最近の進展に焦点を当てています。

変換器は主に電気化学、生物発光、圧電、熱量、光学の4つのクラスに分類されます。変換器の表面は、センサー性能向上のために様々な機能性材料で修飾可能です。これらの材料の構造、形態、特性を制御することも同様に役立ちます。これらの材料の中で、ナノサイズ材料、いわゆるナノ材料は、大きな表面積、改善された電気伝導度、高い化学反応性といった独自のサイズ依存的特性を持つため、より広い応用分野向けの新規、適応性が高く、高感度なバイオセンサーの開発において不可欠な候補となります。これらの特異な特性を考慮すると、ナノ材料は高感度バイオセンサーの構築に求められる要件を満たす有力な候補の一つとなっています。

ナノ材料と見なされるには、少なくとも1次元において1〜100 nmのサイズである必要があります。この極めて微小なサイズのため、ナノ材料ではほとんどの原子が表面近くまたは表面上に存在します。これらのナノ粒子（NP）は、強化された物理化学的特性、より大きな表面積、短縮された電子移動距離といった顕著な特徴を得て、バルク材料とは大きく異なる性能を示します。その結果、光学的、熱的、電気的、磁気的特性において向上した性能が維持され、バイオセンサー部品として非常に効果的です。さらに、より大きな表面積を持つナノサイズ材料は、電極表面に十分な数のバイオレセプターを固定化するための適切な空間を提供します。したがって、研究者たちは最近、バイオセンサー応用に向けたナノ材料の製造、特性評価、利用に大きな関心を示しています。

あらゆるナノ材料の中で、金属酸化物ナノ構造（MON）、グラフェンとその誘導体、カーボンナノチューブ（CNT）は独自の特徴で際立っています。MONは、印象的な形態の多様性、無毒性、生体適合性により、顕著な触媒特性を示します。また、MONは生体分子の固定化に適した構造を提供することも注目されます。

細胞パラメータと電気化学的特性を量子閉じ込め効果により修正可能な結晶格子、表面特性の変更によるバンドギャップの制御性（伝導度と化学反応性に影響）により、MONはバルク材料とは異なり、バイオセンシング要素として高い潜在能力を持っています。さらに、これらの特性を複合構造の形成によってさらに向上させるため、MONは最近、グラフェンやCNTなどの炭素ナノ材料と広く組み合わせられ、ナノハイブリッド構造を形成しています。これにより、検出と診断のための電気化学的反応性が向上し、バイオセンサーの感度や選択性といった将来の要件を満たすことができます。

これらの炭素ナノ材料とMONのハイブリッド化により、優れた光学的、磁気的、電気的特性を備えた、1つ以上の機能を持つ高度なバイオセンサーの製造が可能になります。グラフェンとその誘導体は、他のナノ材料と容易に統合してナノハイブリッド材料を作製し、望ましい電気化学的活性を得ることができます。例えば、多くの応用においてグラフェンは、タンパク質の酸化還元応答への電子移動を促進する有用なツールと見なされています。しかし、生物学的環境におけるグラフェンの物理的安定性と細胞への毒性評価は依然として議論の余地があります。一方、CNTはグラフェンとは異なり、カイラリティの変化による多様な光学的特徴を持ち、光学バイオセンシング応用においてグラフェンより有利です。CNTは優れた電気化学的能力を持ち、容易に化学修飾可能で、グラフェンと同様に高い表面積/体積比を有します。表面特性の面から見ると、グラフェンは単層二次元構造のため全体積が環境に露出しますが、一次元（1D）CNTではこの露出は限定的です。また、グラフェンは金属フリーのグラファイトエッジと高い表面積により、優れた生体分子センシングと信号対雑音比の特性により、CNTよりも干渉に対する高い選択性を持つことが多くの先行研究で報告されています。Nevertheless、CNTベースのバイオセンサーには残留金属触媒の存在により信号摂動といった問題が存在します。以上の側面を考慮すると、グラフェンと/またはCNT構造の組み合わせによって形成されるナノハイブリッドは、高度なバイオセンサーの設計において重要な役割を果たす可能性があり、両材料の欠点を複合構造の形成によって補うことで、これらの問題を克服し、検出性能を最大化できます。MON、グラフェン、CNTの複合構造によって生み出される協力効果を活用することで、信号増幅の向上と高度なバイオ親和性戦略の構築が可能となり、将来の要件を満たす改良されたバイオセンシングデバイスの開発につながると考えられます。したがって、本レビューの範囲では、最近実現されたMON、グラフェン、CNTベースのバイオセンサーに焦点を当てています。さらに、これらのナノ材料を単独でなく組み合わせて使用することで、それらの組み合わせによって得られる優れた特性を持つバイオセンサーの製造における重要な役割について議論しています。将来の期待と課題を評価することで、更なる研究のための代替的視点を提示したいと考えています。

金属酸化物ナノ構造ベースのバイオセンサー

金属酸化物（MO）は、1954年の初期バイオセンサー研究以来、センサー応用の必須候補となっています。MOは、ナノ粒子（NP）、ナノファイバー、ナノスフィア（NS）、ナノロッド、ナノチューブとナノワイヤ（NW）、ナノシートなど、様々なナノ形態で合成可能です。形態の多様性に加え、MONは高い表面積/体積比、無毒性、良好な生体適合性、化学的安定性、優れた選択性、電子とフォノンの制限、高い触媒効率、強い吸着能力、物理化学的インターフェース特性などの利点を提供します。また、MONはRFマグネトロンスパッタリング、熱蒸着、プラズマ強化化学気相成長（PECVD）、分子線エピタキシー、ゾルゲル法、電気化学的堆積プロセス、水熱法など、比較的容易でコスト効率の良い方法で製造可能です。これらの重要な特徴により、MONは医療用途とバイオセンサー市場で最も望まれる材料の一つとなっています。2010年から2020年までのMONに関する出版物を分析し、図2の円グラフとしてMONの医療用途分布を示しています。

一方、主に近年では、ZnO、Fe₃O₄、CuO、NiO、TiO₂、MgOなどの様々なMONが、長年にわたり汎用性と機能性を備えたバイオセンサーとして継続的に製造されています。MONの中で、ZnOとFe₃O₄は幅広い応用があるため、バイオセンサー構築における代表的な材料と見なされています。

ZnOナノ構造

ZnOナノ構造は、高等電点（IEP ~ 9.5）、ワイドバンドギャップ、有用な電子通信特性、高い化学的安定性、良好な生体適合性、圧電性といった独自の特性により、新規ナノ構造バイオセンサーの製造において広範な役割を果たしています。特に、その高い等電点は、ZnOがバイオセンシング技術で最も広く用いられる金属酸化物である理由を明確に説明しています。また、ZnOは環境に優しく安全な材料であるため、あらゆる臨床・非臨床応用で利用可能です。例えば、Akhtarらは、アルツハイマー病やインスリン依存性2型糖尿病などの神経変性疾患の診断におけるアミロイド検出のため、蛍光増強メカニズムに基づく試薬不要の光学バイオセンサーを、より大きな表面積を持つ花状ZnOナノ構造を用いて開発しました。さらに、ZnOナノフラワーは、より高速でコスト効率の良いアミロイドバイオセンサーを提供する性能向上材料として報告されています。また、ZongとZhuは、糖尿病患者向けの着用型連続グルコースモニタリング応用に関連するZnOナノロッドベースの電界効果トランジスタ（FET）を用いたグルコースバイオセンサーを水熱法で製造しました。ZnOナノロッドの大きな表面積/体積比の恩恵を受け、180 µm²という微小なセンシング領域で、1.6 mA/µM cm²の高感度と1 µMの検出限界を達成しました。Sahyarらは、肉の腐敗早期検出のためのAgドープZnO NPベースのバイオセンサーを開発しました。酵素キサンチンオキシダーゼ（XO）修飾電極（nanoAg-ZnO/ポリピロール（PPy）/鉛筆グラファイト電極）を用いた分析の結果、得られた酵素バイオセンサーは0.03 µA/mMの感度と0.07 µMの低検出限界で高い選択性を示しました。

別の研究では、YueらはAu NP-ZnOナノコーンアレイ/グラフェンフォーム電極ベースの理想的なドーパミン（DA）バイオセンサーを開発しました。特性評価において、修飾電極がDA検出において高感度（4.36 µA µM⁻¹）と低検出限界（0.04 µM、S/N = 3）を持つことを証明しました。さらに、ZnOナノコーンベースの電極は、尿酸（UA）干渉下で優れた選択性、良好な再現性、安定性を示しました。また、この電極は医療とヘルスケアにおいて非常に大きな可能性を秘めていると強調しています。同年、QianらはZnO NPを用いた電気化学的グルコース検出器を開発しました。センサーはZnO NPで装飾されたCeO₂ナノウィスカで構成され、ZnO/CeO₂ナノコンポジット構造が広い表面積、無毒性、高い電気触媒活性を持つことを示しました。このナノコンポジットは、0.5〜300 µMの線形範囲と0.224 µM（40 ppb）の検出限界（LOD）でグルコース検出において並外れた性能を示し、電流信号強度とグルコース濃度の間に優れた線形関係（R² = 0.99944）を示しました。別のグルコースバイオセンサーは、高い伝導度と化学的安定性で知られるグラフェンナノプレートレット（GNP）と、グルコースに感度があることで知られるZnOナノワイヤ（NW）を組み合わせてRafieeらによって開発されました。彼らは、GNPの薄膜上に3つの異なる濃度（0.5、1、2 mg）でZnO NWを合成し、GNP1、GNP2、GNP3と定義してデバイス構造をグルコースバイオセンサーのように修飾しました。システムは、ZnO NWとGNPの二重効果が効率的なグルコースバイオセンサーへの完全な改良をもたらすことを示しました。例えば、低グルコース濃度では溶液中のグラフェン量が増加するにつれてデバイスの応答が増加し、センサー応答時間はGNP数の増加とともに短縮されました。さらに、30 mg/dLのグルコースに30日間曝露した後、GNPで修飾されたサンプルにおいて、理想的なバイオセンサーの重要な基準である長期安定性、すなわち濃度に対する一貫した抵抗関係が観察されました。その結果、応答時間5秒、検出範囲0.003〜30,000 mg/dL、長期電気的安定性といった有用な特徴を持つ理想的なグルコースバイオセンサーを提示しました。これらの研究に加え、様々な酵素検出のための異なるZnOナノ構造を用いたその他の最近の研究を表1に示します。

表1に示す現在の研究を考慮すると、ZnO構造は多数の方法で様々な形態で製造され続けており、複合構造への統合の容易さ、特に炭素ナノ構造とのナノコンポジットおよびナノハイブリッド構造の形成により、理想的なバイオセンサーで期待される特性を完全な効率で満たす上で、ZnO構造には並外れた潜在能力があると言えます。

Fe₃O₄ナノ構造

近年、Fe₃O₄ナノ構造は、良好な生体適合性、低毒性、超常磁性、触媒活性、製造と修飾プロセスの容易さといった優れた特性により、バイオセンサー、薬物送達、細胞分離、薬学など多くの有望な応用で大きな関心を集めています。磁性Fe₃O₄ NPは、磁性により媒質から簡単に分離できるため、酵素などの望ましい生体分子の固定化に適しています。Fe₃O₄磁性NPとその誘導体はバイオセンサー技術で広く使用されており、文献で様々な魅力的な研究が議論されています。この文脈で、Sanaeifarらはグルコース検出のための新しい電気化学バイオセンサーを設計しました。共沈殿法で製造されたFe₃O₄磁性NPをポリビニルアルコール（PVA）中に分散させて作製したナノコンポジットの電気化学的性能を評価しました。PVAマトリックス中のFe₃O₄ NPが、固定化グルコースオキシダーゼに対する優れた触媒特性を持ち、酵素と電極表面間の電子移動速度を増加させることを報告しました。作製されたバイオ電極は、5×10⁻³〜30 mMの範囲でグルコースを測定でき、感度9.36 µA mM⁻¹、検出限界8 µM未満を示しました。Dongらは、環境保護のためのヒドラジン検出用のAg/Fe₃O₄コア-シェルNSベースのセンサーを、シンプルな溶媒熱法で製造しました。開発された高性能ヒドラジンセンサーは、応答時間2秒、線形範囲0.25〜3400 µM、感度270 µA mM⁻¹ cm⁻²、検出限界0.06 µMを有し、文献中の他のセンサーよりもはるかに優れています。

別の研究では、Sriramらは尿と血清サンプル中のUA検出のためのFe₃O₄ NS/還元グラフェン酸化物（rGO）ナノコンポジットを開発しました。電気化学的分析の結果、Fe₃O₄ NS/rGOナノコンポジットは高い安定性と再現性で優れた電気化学的還元ピークを示しました。また、開発したUAセンサーの線形範囲は0.02〜783.6 µM、LODは0.12 nMであると強調しています。同様に、Caiらはグラフェン酸化物（GO）とFe₃O₄を組み合わせたDA検出用の新しいバイオセンサーを開発しました。分散法と共沈殿法でFe₃O₄/GO/プリスタイングラフェン（PG）三元コンポジットを合成し、滴下法で作業電極であるガラス状炭素電極（GCE）にナノコンポジットを堆積させました。サイクリックボルタモグラム（CV）でFe₃O₄/GO/PG構造で最高ピーク電流が記録されました。同様に、DA存在下での最高ピーク電流はFe₃O₄/GO/PG/GCEサンプルに属しました。また、DA濃度増加に伴うFe₃O₄/GO/PG/GCEサンプルのピーク電流増加を強調しました。最終的にCaiらは、電気化学センサーがDA検出に効果的に使用できると述べています。Fe₃O₄ナノ構造をバイオセンサー部品とした代表的な研究を表2に示します。

優れた特性があるにもかかわらず、磁性Fe₃O₄ナノ構造はバイオセンサーと生物学的応用において制約的な問題を抱えています。高い表面エネルギー、化学反応性、強い磁気相互作用により、凝集しやすく、Fe₃O₄磁性ナノ構造の安定化に困難を生じます。この問題を克服するため、Fe₃O₄ナノ構造の表面をポリマー層でコーティングします。しかし、ポリマーで表面をコーティングすると、電気化学バイオセンサー応用の観点から効率が低下する可能性があります。したがって、磁性Fe₃O₄ナノ構造の安定化には、遺伝子、細胞、酵素、タンパク質、その他の重要なナノ構造（グラフェン、CNT、量子ドット、NPなど）といった生体分子を使用できます。したがって、磁性Fe₃O₄ナノ構造ベースの複雑なナノハイブリッドおよびナノコンポジットシステムが、次世代バイオセンサーの製造における現象になると予測されます。

結局、様々なナノ構造を組み込んだMOベースのバイオセンサーは、実用的および産業的応用において独自の新規機能を示します。MOのナノ構造は、その比類なき特性により、高感度、迅速、安定なバイオセンサーの考案に強く影響を与えます。また、各種のナノ構造と金属酸化物にはそれぞれの利点があります。したがって、バイオテクノロジーにおいてセンシングデバイスの新たな進展が起こる可能性があります。さらに、最近の研究ではナノ炭素構造に多くのスペースが与えられ、MOとともに使用されていることがわかります。したがって、本稿の第2部では、バイオセンサーで最も一般的に使用される2つのナノ炭素材料（グラフェンとCNT）に焦点を当てます。

グラフェンとその誘導体ベースのバイオセンサー

グラフェンは、グラファイト、CNT、フラーレン、ダイヤモンドと同様に、炭素の最も人気のある同素体の一つです。sp²混成炭素原子の二次元層です。GeimとNovoselovによるグラフェンの発見後、透明電極、エネルギー貯蔵、薬物送達、バイオセンサー、スーパーキャパシタ、電池、触媒など、材料科学、物理学、化学、工学など様々な分野で世界中から大きな注目を集めています。グラフェンは他の多くのナノ材料と同様に、トップダウン法（機械的剥離、化学的剥離、化学合成）とボトムアップ法（熱分解、エピタキシャル成長、化学気相成長（CVD））で合成可能です。異なる製造方法により、グラフェン、GQD、GO、rGO、グラフェンナノリボン（GNR）、ナノメッシュ、ナノシートなど、多数のグラフェン類似材料が存在します。よく使用される誘導体を図3に示します。

グラフェンは優れた熱伝導率（5000 W/mK）、室温での高い電子移動度（250,000 cm²/V·s）、大きな表面積（2630 m²/g）、高い弾性率（21 TPa）、良好な電気伝導度を持ちます。さらに、グラフェンシートの原子レベルの厚さと高い表面積は、条件変化に対する材料感度を提供します。したがって、すべての原子が直接接触可能なグラフェンの表面特性は、環境に対して敏感です。そのため、他の材料と比較してセンサー応用に優れた候補となります。グラフェンとその誘導体に関する過去10年間の研究を分析し、図4の円グラフとしてグラフェンの医療用途分布を示しています。上述のグラフェンの特徴により、研究者たちは主にバイオセンサー分野に焦点を当てていると言えます。

第1節で述べたように、一部のバイオセンサーはグラフェンとグラフェン誘導体をMONと組み合わせて作製されます。このレビューのこの部分では、グラフェンとその誘導体ベースのバイオセンサーに焦点を当てます。グラフェンベースバイオセンサーの一般的な表現とメカニズムを図5に示します。ここでは、グラフェン表面の官能基と相互作用する分析対象物質に基づいて、電気化学的、光学的、またはその他の出力が得られます。例えば、Maniらは、rGOナノリボン/MWCNT/キトサンベースの三元ナノバイオコンポジットを開発し、H₂O₂とNO₂⁻の感度的かつ選択的な検出を行いました。コンタクトレンズ洗浄液と肉サンプルでのバイオセンサーの有益な特性を調査しました。H₂O₂に対して、ナノバイオコンポジットベースのセンサーは感度0.616 µA µM⁻¹ cm⁻²、検出限界1 nM、線形範囲0.001〜1625 µMを示し、NO₂⁻に対してはそれぞれ0.643 µA µM⁻¹ cm⁻²、10 nM、0.01〜1350 µMでした。これにより、グラフェンベースセンサーが医療応用と食品安全性で効果的に使用できることを証明しました。別のグラフェンベースH₂O₂センサーは、Yinらによって作製されました。水熱法を用いて、Ni₃N NPで装飾された導電性三次元（3D）グラフェンエアロゲル（GA）を合成しました。特性評価の結果、得られたNi₃N/GAコンポジットがH₂O₂だけでなくグルコース決定にも適用可能であることを示しました。Ni₃N/GAベース電極は、H₂O₂決定において検出範囲5 µM〜75.13 mM、感度101.9 µA mM⁻¹ cm⁻²、低検出限界1.80 µMで高い電気化学的性能を示しました。さらに、グルコース決定において、設計電極は検出範囲0.1〜7645.3 µM、検出限界0.04 µM、感度905.6 µA mM⁻¹ cm⁻²を持つことを強調しました。

最近、グラフェンベースバイオセンサーによるグルコースの実用的検出に強い関心が寄せられています（表3）。例えば、Đurđićらは共沈殿法によりBi₂O₃で装飾されたGNRベースの使い捨てバイオセンサーを合成しました。特性評価の結果、得られたセンサーは検出限界0.07 mM、線形範囲0.28〜1.70 mM、感度64.81 µA/mM·cm²を持つことを証明しました。これにより、グラフェンベースセンサーが血清と尿サンプル中のグルコースを再現性と安定性を持って検出できると提案しました。同年、Luらは単一ポット水熱合成により、3D窒素ドープ多孔質グラフェンハイドロゲル（NHGH）とNiCo₂O₄ナノフラワー（NHGH/NiCo₂O₄）を用いた有用なグルコースバイオセンサーを設計しました。得られたナノコンポジットでGCEを修飾し、修飾電極のグルコース決定における電気化学的性能を評価しました。まず、走査速度50 mV/sで0.1 M NaOH溶液中でCVを取得し、電気化学的触媒性能を調べました。NHGH/GCEが裸GCEの弱い陽極ピーク電流よりも0.5 V高い酸化ピーク電流を持つことを報告しました。さらに、酸化還元ピーク対が観察され、NHGH/NiCo₂O₄/GCEの電気化学的活性が他の電極と比較して最高であることを示しました。この改良をグラフェンの拡張表面積、良好な伝導度、CoとNiの酸化還元反応に帰因しました。また、5.0 mMグルコース添加時の電極の電気化学的触媒性能を示しました。0.5 Vで最高ピーク電流を示すNHGH/NiCo₂O₄/GCEを、NiCo₂O₄とNHGHの二重効果によりグルコース酸化が他の電極よりも優れて触媒される明確な指標と解釈しました。また、ピーク電流がグルコース濃度増加とともに直線的に増加し、NHGH/NiCo₂O₄ベースのグルコースセンサーが5 µM〜2.6 mMおよび2.6 mM〜10.9 mMの範囲でそれぞれピーク電流とグルコース濃度の間に広い線形関係を示すことも報告しました。また、NHGH/NiCo₂O₄/GCEが高感度（2072 µA mM⁻¹ cm⁻²）と低検出限界（0.39 µM）を持つことを強調しました。結果として、実際の血液サンプル中のグルコースの精密な決定に使用することを提案しました。

表3からわかるように、グラフェンとその誘導体は優れた特性により、バイオセンサー応用に不可欠な構成要素となっています。最近の研究（表3）を考慮すると、グラフェンとその誘導体がMONとハイブリッドナノ構造で使用され、バイオセンサーの感度と再現性を向上させていることは注目に値します。また、MON/グラフェンの相乗効果を評価して多機能バイオセンサーを実現し、高い電気触媒活性を達成すべきです。さらに、グラフェンはCNTなどの他のナノ炭素と容易に組み合わせ可能です。したがって、酵素バイオセンサーの作製に有益な豊富なエッジ密度とエッジ欠陥を得ることができます。

カーボンナノチューブベースのバイオセンサー

1991年にIijimaによって発見されたCNTは、グラフェン層が円筒状に形成されたものと見なせます。CNTは一般的に単層カーボンナノチューブ（SWCNT）（図6a）と多層カーボンナノチューブ（MWCNT）（図6b）の2タイプに分類されます。直径と巻き角度がカイラリティと(n, m)指数によってCNTの物理的特徴を決定します。(n, m)指数によれば、CNTは金属または半導体の振る舞いを示します。カイラリティによって、SWCNTは3通りに分類されます：(1) m = nはアームチェアナノチューブ（図6c）、(2) n > m かつ m = 0はカイラルナノチューブ（図6d）、(3) m = 0はジグザグナノチューブ（図6e）。CNTは本質的に半導体的振る舞いを示しますが、与えられた(n, m) SWNTにおいて(2n + m)/3が整数の場合、CNTは金属的になります。したがって、すべてのアームチェアナノチューブは金属的であると主張できます。したがって、製造中にカイラリティを制御できることは、CNTの電子的特徴を制御できることを意味し、バイオセンサー応用で大きな利点を提供します。近年、CNT合成のための様々な方法が提案されています。しかし、アーク放電、レーザーアブレーション、CVDの3つの主要な合成技術があります。アーク放電とレーザーアブレーション法と比較して、CVDはCNTのカイラリティをシンプルかつコスト効率良く制御する最も効果的な方法です。

CNTの端部と側壁は、実質的に任意の望ましい化学種の付加によって容易に修飾可能です。CNTは顕著な感度を持つため、ナノスケールセンサーの優れた変換器となり得ます。また、CNTは標的認識時に生成される電気信号の伝達に非常に有利な特性を持ち、酵素ベースバイオセンサーの最終開発において重要な役割を果たします。さらに、小さなサイズ、高速応答時間、優れた電気化学的特性を持つCNTは、イオン、代謝物、タンパク質バイオマーカーにおいて、ほとんどの他の電極と同等または優れています。独自のチューブ状ナノ構造で長大な長さと直径比を持つ結果、CNTは優れた電気化学的安定性、優れた機械的柔軟性、迅速な電子輸送、独自の熱伝導率により、電気化学バイオセンサーへの応用で望ましい材料となります。CNTはまた、生体適合性を確保するために機能化された後、有機化合物や金属NPと結合して、組織工学と薬物送達システムで電気的および機械的特性を改善するためにも広く使用されています。2010年から2020年までのCNTに関する研究を分析し、図7の円グラフとしてCNTの医療用途分布を示しています。

グラフェンとその誘導体と同様に、CNTもMONとハイブリッド化することで、より高い感度と選択性を持つバイオセンサーの開発に重要な貢献をしています。研究者たちは最近、CNTの独自の特性と金属NPの優れた特性を組み合わせた新しいナノバイオセンサーの製造と特性評価に焦点を当てています。例えば、Rahmanらは環境保護応用向けのFe₃O₄装飾CNTベースの3-メトキシフェニル（3-MP）バイオセンサーを設計しました。Fe₃O₄/CNTナノコンポジットを湿式化学法で合成し、ナノコンポジットをGCE表面に薄層としてコーティングしました。その後、I-V特性評価により修飾電極の電気化学的性能を評価し、Fe₃O₄/CNTベース電極が危険なフェノール検出において、幅広い検出範囲（90.0 pM〜90.0 mM）、低検出限界（1.0 pM）、高感度（9×10⁻⁴ µA µM⁻¹ cm⁻²）を示すことを報告しました。同様に、環境保護のため、Fotouhiらは化学および製薬産業から環境に放出されるジヒドロキシベンゼン異性体検出用のMWCNT/TiO₂/キトサンベースバイオセンサーを開発しました。Fotouhiらは、MWCNTベースセンサーにより、実際の水サンプル中のヒドロキノン（HQ）、カテコール（CC）、レゾルシノール（RS）の同時決定を実施しました。また、HQ、CC、RSの検出限界（S/N = 3）はそれぞれ0.06 µmol·dm⁻³、0.07 µmol·dm⁻³、0.52 µmol·dm⁻³、線形応答範囲はそれぞれ0.4〜276.0 µmol·dm⁻³、0.4〜159.0 µmol·dm⁻³、3.0〜657 µmol·dm⁻³であることを示しました。

環境保護に加え、臨床応用向けのCNTバイオセンサー設計が最近非常に興味深くなっています（表4）。例えば、Zhuらはヘリウムアーク放電法により、精製SWCNTとNiOで装飾されたSWCNTの2層を含むバックペーパーを取得しました。その後、電気化学的性能を評価する分析の結果、グルコースバイオセンサーが広い線形範囲（0.1〜9 mM）、高感度（2701 µA mM⁻¹ cm⁻²）、高速応答時間（< 2.5秒）を持つことを示しました。BarthwalとSinghは、尿素検出のためのZnO/MWCNTナノコンポジットバイオセンサーを設計しました。ZnO/MWCNTベースセンサーがZnOおよびMWCNTベースセンサーと比較して最高の検出特性を持つことを示しました。また、2% MWCNTを含むナノコンポジットの感度は10秒未満、検出限界は10 ppmであると強調しました。同年、GuanらはDAとUAの同時高感度検出のための電気化学バイオセンサーとして、CNTベースのハイブリッドナノコンポジットを成功裏に開発しました。研究で、CNTベースナノハイブリッドで修飾された電極で最も広い（ΔEₚ = 144 mV）最高酸化電流が観察されたと報告しました。また、差分パルスボルタンメトリー（DPV）によりナノハイブリッド修飾GCEでのDAとUAの同時検出を調査しました。ナノハイブリッド/GCEの陽極ピーク電流応答がDA濃度増加により直線的に増加することを示しました。また、UA濃度でも同様の観察を得ました。両標的分析物の濃度範囲は2〜150 µMであると強調しました。結果として、DAとUAの検出限界値はそれぞれ0.37 µMと0.61 µMであると報告しました。

MONおよびグラフェンとその誘導体とハイブリッド化することで、異なる応用分野におけるCNTベースバイオセンサーの効率向上と特性改善に関する研究は大きな関心を集めています（表4）。CNTベース電気化学センサーで設計されたナノハイブリッド構造のより高い電気化学的活性と伝導度は、CNTの固有特性の結果と見なせます。一方、CNTのバイオセンサー応用での使用を制限する特徴の一つは、ほとんどの溶媒に溶解しないことです。また、生体適合性が低く、場合によっては毒性があります。これらの問題を克服するため、CNTの表面とエンドキャップの異なる官能基をMONと組み合わせ、表面修飾を施すことが解決策と見なせます。

さらに、CNTとグラフェンおよびその誘導体の統合により、強い結合相互作用により生体分子のためのより活性なサイトを作成可能です。CNT/グラフェンハイブリッド構造のもう一つの利点は、より高い電子移動率によりバイオセンサーがより短時間で応答できることです。したがって、将来開発される次世代バイオセンサーでは、MONやグラフェンおよびその誘導体などの他のナノ炭素とのCNTの二重効果を活用して、高感度と選択性、標的生体分子の同時検出を達成することが不可避と思われます。

結論と展望

バイオセンサーとバイオ電極は、環境モニタリング、食品安全性、医療繊維産業、薬物発見と分析、臨床・非臨床応用において重要な役割を果たします。最近のCOVID-19パンデミックにより、迅速な応答、再利用可能、安価、高選択性のバイオセンサーが、感染症を制御下に置く戦いにおいて不可欠となりました。バイオセンサーの設計において、変換器コンポーネントに使用される材料と変換器表面の機能化は、前述のバイオセンサーから得られる特性で結果に明確な影響を与えます。この枠組みで、これらのデバイスの特性改善のために、ナノ材料が広く使用されており、拡張された表面積、あらゆるタイプの分析対象物質への使用のための表面修飾への適応能力、並外れたナノサイズ依存的特性により、理想的なバイオセンサーの製造において前例のない一歩先を行っています。

この動機で、本稿ではMON、グラフェン、CNTの組み合わせ使用によって作られるハイブリッドナノシステムの最近の進展について概観します。これらのナノ構造の助けを借りて、感度と選択性が向上したバイオセンサーを作製するための多くの努力がなされてきました。明らかに、これらの材料それぞれの独自の特性に加えて、それらのハイブリッド設計の複合効果が、より高性能なバイオセンサーを得る上で重要なポイントです。これらのナノ構造を組み合わせてハイブリッド設計を作成することは、バイオセンサーの電気触媒活性、電子移動率を向上させ、2つ以上の生体分子を同時に検出できるより多くの活性サイトを可能にします。また、安定性、長寿命、再現性、広い測定範囲、次世代バイオセンサー応用のための高速応答時間といった、理想的なバイオセンサーから期待される他の望ましい機能も満たします。しかし、これら3つのトレンドナノ材料の組み合わせには、凝集傾向の制御、細胞毒性、適切な濃度の選択、純度向上とこれらの材料のより良い統合のための条件の広範な最適化といった説得力のある要因があります。したがって、ナノ材料とその複合構造の製造には、まだ改善の余地があります。さらに、分析対象物質のオンサイト診断、医療応用向けバイオセンサーに大きな影響を与えるためには、迅速で信頼性の高い結果をコスト効率良く得ることが重要です。この目的で、バイオセンサーに使用されるナノ材料は、非常に微量な濃度で初期段階にある一部の疾患のバイオマーカーに対して、より繊細なセンシングで診断を容易にするように修飾される可能性があります。このような特徴を獲得し改善するためには、グラフェン、CNT、MONを最小限の触媒不純物、高結晶性、コスト効率良く大量に製造する必要があります。また、状態密度と結合構造をエンジニアリングして、より良い電子輸送特性を調整する必要があります。本レビューでは、正確な「未来のバイオセンサー」メカニズムの開発に役立つナノ構造の組み合わせを提案し、感度、優れた選択性、低検出限界、多機能特性を持つリアルタイムセンシングといった期待を要約しました。

データと材料の入手可能性

該当なし。

略語

1D:

一次元

3D:

三次元

CD:

シクロデキストリン

CVD:

化学気相成長

CVs:

サイクリックボルタモグラム

DA:

ドーパミン

DNA:

デオキシリボ核酸

DPV:

差分パルスボルタンメトリー

FET:

電界効果トランジスタ

GCE:

ガラス状炭素電極

GelMA:

ゼラチンメタクリロイル

GNPs:

グラフェンナノプレートレット

GNRs:

グラフェンナノリボン

GO:

グラフェン酸化物

GQDs:

グラフェン量子ドット

LOD:

検出限界

MIP:

分子認識ポリマー

MOFs:

金属有機フレームワーク

MOs:

金属酸化物

MWCNTs:

多層カーボンナノチューブ

NHGH:

窒素ドープ多孔質グラフェンハイドロゲル

NPs:

ナノ粒子

NRs:

ナノロッド

NSs:

ナノスフィア

NWs:

ナノワイヤ

PANI:

ポリアニリン

PDADMAC:

ポリ(ジアルジルジメチルアンモニウムクロリド)

PDPA:

ポリジフェニルアミン

PECVD:

プラズマ強化化学気相成長

PEDOT:

ポリ(3,4-エチレンジオキシチオフェン)

PG:

プリスタイングラフェン

PPy:

ポリピロール

PTA:

ホスホタングステン酸

PVA:

ポリビニルアルコール

RF:

高周波

rGO:

還元グラフェン酸化物

SERS:

表面増強ラマン散乱

SWCNTs:

単層カーボンナノチューブ

UA:

尿酸

XO:

キサンチンオキシダーゼ