がん診断におけるグラフェンとその誘導体ベースの電気化学センサーの戦略と応用

グラフェンは、その高い表面積、優れた導電率、機能化の容易さ、および他の炭素ベースの電極やナノ材料と比較して優れた電気触媒特性により、電気化学バイオセンシングアプリケーションでますます使用されている新たなナノ材料です。グラフェン電気化学バイオセンサーは、がんのバイオマーカーの迅速、敏感で低コストの検出を可能にする可能性がある場合があります。このペーパーでは、将来の潜在的な癌診断アプリケーションのためのグラフェン電気化学バイオセンサーの開発に関する初期段階の研究と概念実証研究をレビューします。さまざまなグラフェン合成方法と、ポリマー、生体分子、ナノマテリアル、および合成化学を使用した一般的な機能化アプローチとともに、認識要素の固定化とパフォーマンスの向上を使用した一般的な機能化アプローチとともに概説されています。グラフェンフィールド効果トランジスタ、グラフェン修飾電極およびナノコンポジット、3Dグラフェンネットワークを含む主要なセンサーの構成は、その原則、利点、およびバイオセンシング機能とともに強調されています。抗体、アプタマー、ペプチド、DNA/RNAプローブなどのバイオ認知要素をグラフェンプラットフォームに固定して、ターゲットの特異性を付与するための戦略が要約されています。ナノ材料ラベルの使用、グラフェンを使用したハイブリッドナノコンポジット、および信号強化のための化学修飾についても説明します。タンパク質、循環腫瘍細胞、DNA変異、miRNA、代謝産物、糖タンパク質などの非コーディングRNAを含む広範な癌バイオマーカーの敏感な電気化学的検出のための応用を示す例が提供されています。現在の課題と将来の機会は、グラフェンバイオセンサーを有望な研究室のツールから主流の臨床診療に移行するための継続的な取り組みを導くために解明されています。再現性、安定性、選択性、統合、臨床検証、および規制当局の承認に関する問題に対処する継続的な研究により、より広範な採用が可能になります。全体として、グラフェン電気化学バイオセンサーは、ケアの時点でがん診断のための強力で汎用性の高いプラットフォームを提示します。

Graphene is an emerging nanomaterial increasingly being used in electrochemical biosensing applications owing to its high surface area, excellent conductivity, ease of functionalization, and superior electrocatalytic properties compared to other carbon-based electrodes and nanomaterials, enabling faster electron transfer kinetics and higher sensitivity. Graphene electrochemical biosensors may have the potential to enable the rapid, sensitive, and low-cost detection of cancer biomarkers. This paper reviews early-stage research and proof-of-concept studies on the development of graphene electrochemical biosensors for potential future cancer diagnostic applications. Various graphene synthesis methods are outlined along with common functionalization approaches using polymers, biomolecules, nanomaterials, and synthetic chemistry to facilitate the immobilization of recognition elements and improve performance. Major sensor configurations including graphene field-effect transistors, graphene modified electrodes and nanocomposites, and 3D graphene networks are highlighted along with their principles of operation, advantages, and biosensing capabilities. Strategies for the immobilization of biorecognition elements like antibodies, aptamers, peptides, and DNA/RNA probes onto graphene platforms to impart target specificity are summarized. The use of nanomaterial labels, hybrid nanocomposites with graphene, and chemical modification for signal enhancement are also discussed. Examples are provided to illustrate applications for the sensitive electrochemical detection of a broad range of cancer biomarkers including proteins, circulating tumor cells, DNA mutations, non-coding RNAs like miRNA, metabolites, and glycoproteins. Current challenges and future opportunities are elucidated to guide ongoing efforts towards transitioning graphene biosensors from promising research lab tools into mainstream clinical practice. Continued research addressing issues with reproducibility, stability, selectivity, integration, clinical validation, and regulatory approval could enable wider adoption. Overall, graphene electrochemical biosensors present powerful and versatile platforms for cancer diagnosis at the point of care.