Введение. Графеновые наноматериалы

1. Введение

Жидкая биопсия - это малоинвазивная технология обнаружения молекулярных биомаркеров в крови и других жидкостях организма (моча, слюна, асцитная жидкость, плевральный выпот и т. Д.). Термин был придуман несколько десятилетий назад, когда было впервые обнаружено присутствие внеклеточных нуклеиновых кислот у человека [ 1 ]; в настоящее время он включает не только обнаружение внеклеточных / внеклеточных нуклеиновых кислот (НА), имеющих диагностическое значение, но также циркулирующих опухолевых клеток (ЦКО) и внеклеточных везикул (ЭВ), в основном экзосом (EX). Хотя жидкая биопсия не может предоставить информацию, относящуюся к архитектуре ткани и патологической микросреде, она считается революционной техникой, которая открывает неожиданные перспективы для ранней диагностики и, при мониторинге терапии, тяжелых заболеваний, от рака [ 2 ] до метаболического синдрома [ 3]. ], аутоиммунное заболевание [ 4 ], нейродегенеративные расстройства и атеротромбоз [ 5 ] до пренатального скрининга [ 6 ].

Несмотря на высокий потенциал жидкой биопсии, выделение, характеристика и количественная оценка биомаркеров NA, CTC и EX из-за их специфических внутренних свойств и низких концентраций в сложной биологической матрице требуют сложных процедур и систематического применения в реальной практике. все еще сдерживается многими препятствиями, такими как неудовлетворительная специфичность и чувствительность, отсутствие методов стандартизации и рентабельность. В последнее время ряд технологических достижений в жидкой биопсии был достигнут благодаря быстрому развитию основанных на нанотехнологиях стратегий, которые обеспечивают замечательный контроль над дизайном наночастиц, позволяя адаптировать их свойства к конкретным приложениям [ 7 ]. Множество наноматериалов, наноструктур и молекулярных зондов было предложено для изготовления устройств, способных предоставлять читаемые сигналы для ранней диагностики и динамического мониторинга заболеваний, используя их выдающиеся электрические, магнитные, оптические, механические или тепловые характеристики в наномасштабе. Габаритные размеры [ 8 ]. Благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам, обусловленным большой площадью поверхности, размером, формой, уникальными оптическими свойствами и химическим составом поверхности, материалы на основе графена (G) могут реально создавать более сложные области применения для жидкостной биопсии. В текущем обзоре рассматриваются последние достижения платформ G для эффективного сбора, идентификации и количественной оценки биомаркеров NA, CT и EX. Мы обсудили основные критерии проектирования, которые использовались для разработки многофункциональных платформ G, выявив особую роль G в избирательном захвате и идентификации гетерогенных биомаркеров из жидкостей организма. Особое внимание было уделено достижениям жидкостной биопсии в диагностике и мониторинге рака.

2. Графеновые наноматериалы.

Результаты использования платформ на основе графена в сенсорных приложениях строго коррелируют с физико-химическими свойствами исходного материала, используемого для их изготовления [ 9 ]. Однако однозначная классификация широкого семейства G и их корреляция с биочувствительными свойствами являются сложной задачей. Таким образом, для получения G были приняты различные синтетические подходы; неоднородная природа G (сложные структуры с несколькими степенями окисления, разными латеральными размерами, разным количеством слоев и разной коллоидной стабильностью); наличие примесей (часто металлических примесей); образование нанокомпозитов путем комбинации G с органическими или неорганическими соединениями было принято во внимание для приложений биочувствительности на основе графена [ 10 ].

G был получен с помощью подходов «снизу вверх» или «сверху вниз», различающихся (i) количеством и размером слоев; (ii) количество кислородных функциональных групп, разбросанных по углеродным поверхностям; (iii) химические свойства соединений, вводимых в процессе постсинтетического декорирования и т. д. [ 11, 12, 13, 14 ].

Обычно высококачественные однослойные или многослойные G-системы получают с помощью восходящих подходов, таких как эпитаксиальный рост (EG) или химическое осаждение из паровой фазы (CVD) на металлических подложках. Эти материалы обладают идеальными характеристиками (например, большой площадью поверхности и высокой однородностью) для использования в качестве компонентов электронных устройств. Однако высокая стоимость этих стратегий вместе с требованием переноса G на более подходящие подложки ограничивают масштабное производство графена [ 15 ].

Нисходящие стратегии, такие как химическое или физическое расслоение массы графита, считаются ценными синтетическими вариантами для разработки G для диагностических устройств [ 16, 17 ]. G, обычно используемый в области биочувствительности, включает оксид графена (GO), восстановленный графен (G-красный), функционализированный графен (f -G), а также новые производные, такие как квантовая точка графена (GQD), многослойный аэрогель графена, легированный азотом., графеновый полевой транзистор (GFET) и т. д. Множество G постоянно пополняется новыми производными с уникальными свойствами, которые потенциально позволяют создавать совершенно новое поколение технологий, выходящих за пределы обычных материалов [ 18, 19, 20 ].

GO получают путем химического окисления графита и последовательного расслоения оксида графита с помощью ультразвуковой обработки. Кислородные функциональные группы на поверхностях GO широко используются в химической функционализации GO, особенно в реакциях этерификации / амидирования по карбоксильным группам [ 21, 22, 23 ]. Технологичность и водостойкость благодаря ионизируемым группам на поверхностях GO являются основными преимуществами использования GO; в то время как структурные дефекты в сети sp ² и недостаточная электропроводность являются основными ограничениями для применения GO в качестве электронного устройства [ 24 ].

G-красный получают из нанолистов GO различными методами, включая сольвотермический процесс или химическое восстановление с гидразином [ 25, 26 ]. Частичное восстановление сетки sp ², которое приводит к улучшенной электропроводности и механической прочности G-red по сравнению с GO, было получено с помощью процесса восстановления. В настоящее время стабильные коллоидные системы G-красного получают с использованием биосовместимых восстановителей, таких как галловая кислота, крахмал, витамин С и т. Д., Что позволяет снизить стоимость и воздействие на окружающую среду [ 27 ].

GQD представляют собой флуоресцентные углеродные наносистемы, обычно возникающие из G или GO, состоящие из менее чем десяти слоев графена с последующим размером менее 10 нм. GQD обладают не только внутренними свойствами графена, но и новыми свойствами, обусловленными краевыми эффектами и значительным квантовым ограничением [ 29 ]. 28 ]. Широкое разнообразие GQD получают с помощью подходов «снизу вверх» или «сверху вниз». В первом случае принятые стратегии характеризуются хорошим контролем размеров и возможностью настройки свойств GQD в зависимости от природы подложки. Однако они страдают некоторыми недостатками, такими как использование токсичного растворителя, высокая температура и концентрации субстрата. Нисходящие подходы обеспечивают крупномасштабное производство GQD благодаря ранним стадиям синтеза и использованию дешевых исходных углеродных материалов [

GQD показали более низкую токсичность и более высокую фотостабильность по сравнению с другими полупроводниковыми квантовыми точками, и было предложено несколько приложений, от катализаторов до наномедицины. В частности, разработаны электрохимические, оптические и фотоэлектрохимические биосенсоры на основе ГКТ, характеризующиеся высокой селективностью зондирования [ 30 ].

Новый класс трехмерных углеродных материалов (аэрогель, пена, гидрогель и т. Д.) Был недавно предложен для обеззараживания воды и в качестве устройств преобразования / накопления энергии [ 31 ]. Методы с использованием шаблонов, основанные на стратегии CVD или процессах сборки слоев графена / GO, таких как самосборка листов G-красного, восстановленных с помощью сольвотермического или гидротермального метода, предоставили трехмерные материалы на основе графена, характеризующиеся внутренними свойствами G вместе с новыми интересными физико-химическими свойствами, такими как высокая пористость, низкая плотность, уникальные электрохимические характеристики [ 32 ]. Стратегии N-легирования широко используются для настройки электрохимических свойств производных G. G, легированный азотом, показал такие же высокие характеристики, как и фотокаталитические системы, для восстановления CO _2.и разложение органических загрязнителей в видимом свете [ 33 ].

Замена традиционных электронных устройств на основе полупроводников однослойным материалом на основе графена была предложена и использована для изготовления полевых транзисторов, предлагаемых в качестве сенсоров в физических, химических и биологических областях применения [ 34 ].