Нанопетали из мезопористого оксида никеля (NiO) для сверхчувствительного определения уровня глюкозы

Фон

Диабет, хроническое заболевание, при котором уровень глюкозы в крови повышается, если его не диагностировать и не лечить, он может быть очень опасным для здоровья и в конечном итоге привести к смерти [1, 2]. Различные режимы терапии при лечении диабета включают корректировку дозы лекарств в соответствии с уровнем глюкозы в крови в результате снижения уровня инсулина, основной причины заболевания. Следовательно, точный и надежный датчик уровня глюкозы в крови является наиболее важным параметром в управлении диабетом. Как правило, датчик глюкозы работает с использованием фермента глюкозооксидазы (GOx), который превращает глюкозу в глюконовую кислоту и H ₂ . О ₂ [3,4,5,6,7]. Концентрация глюкозы определяется путем контроля количества электронов, проходящих через электрод для образования водорода в виде пероксида [8]. В ферментативных биосенсорах количественное определение осуществляется путем контроля потенциала и измерения тока в результате реакции вещества (которое должно быть обнаружено) с активной областью материала (действующей как датчик) на рабочем электроде. Ферментативные сенсоры глюкозы, работающие по тому же принципу, демонстрируют высокую чувствительность к глюкозе. Ограничения этих датчиков включают их более короткий срок службы, условия окружающей среды, такие как температура, значение pH и токсичность используемого химического вещества. Для решения этих проблем в последнее время были разработаны многие неферментативные сенсоры глюкозы на основе оксидов металлов [9,10,11,12,13,14]. Чувствительный механизм этих неферментативных сенсоров глюкозы основан на окислении глюкозы ионами оксида металла у поверхности электрода до глюконолактона. В электрохимическом зондировании циклическая вольтамперометрия (ЦВА) оказалась эффективным методом благодаря своей высокой чувствительности при низких пределах обнаружения, точному количественному анализу, а также быстрой и четкой характеристике [15, 16]. Эти сенсоры глюкозы на основе оксидов, безусловно, имеют потенциал для использования в реальной диагностике и требуют дальнейшего изучения.

Растет интерес к производству электродов из недорогих металлооксидных материалов, таких как NiO, CuO, TiO ₂ . , ZnO и композиты, которые могут проявлять высокую чувствительность к глюкозе за счет улучшения электрокаталитической активности [17,18,19,20,21,22,23,24]. Когда дело доходит до восприятия на основе реакций, наноматериалы могут представлять интерес, поскольку они могут обеспечить большую площадь поверхности для реакции и, следовательно, лучшее восприятие. В последнее время множество материалов в наноструктурированной форме продемонстрировали большой потенциал в области датчиков, электроники и оптоэлектроники [25,26,27]. Установленный факт о наноструктурах - это способность настраивать физические свойства путем изменения их размера и / или морфологии, что придает наноматериалам универсальность для использования в различных приложениях. Следовательно, для датчиков также одним из ключевых параметров является конструкция поверхности электродов. Среди множества наноматериалов на основе Ni проявляются замечательные свойства, такие как катализ [28,29,30] и высокая чувствительность из-за большого отношения поверхности к объему. Экономичный, но чувствительный датчик глюкозы может стать реальностью с датчиками на основе наноструктуры NiO, если правильно спроектировать устройство и синтезировать материал. В этой статье был изготовлен рабочий электрод, состоящий из лепестковидных наноструктур NiO для определения уровня глюкозы с помощью электрохимического исследования, который будет использоваться в качестве активного соединения. Проводящая стеклянная подложка с покрытием из оксида олова, легированного флуореном (FTO), использовалась для выращивания наноструктур (NS) NiO гидротермальным методом.

Экспериментальный

Предшественник нитрата никеля, смешанный с персульфатом калия в присутствии меньшего количества раствора аммония, был использован для выравнивания во время приготовления этих NS NiO. После 5 ч непрерывного нагрева при 150 ° C нанесенную пленку промывали деионизированной водой и сушили на воздухе. Затем пленка NiO-NSs была отожжена при 250 ° C в течение 2 часов. На проводящей поверхности стекла, покрытого FTO, были получены однородные и хорошо ориентированные НС NiO. Микроструктуру пленки исследовали на рентгеновском дифрактометре Rigaku SmartLab с использованием монохроматического излучения Cu-Kα λ =1,54 Å) вместе с электронной микроскопией (Supra55 Zeiss). Для элементного подтверждения использовались энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (Oxford Instrument) и рентгеновский фотоэлектронный спектрометр (ESCA System, SPECS GmbH, Германия) с излучением Al Kα (1486,6 эВ). Атомно-силовая микроскопия была выполнена на приборе Bruker (MultiMode 8-HR), а анализ наноструктур высокого разрешения - с помощью программного обеспечения WSxM [31]. Для определения уровня глюкозы с помощью NiO-NS соответствующие электрохимические измерения были выполнены с использованием электрохимической рабочей станции Keithley 2450-EC. Метод Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ) также использовался в Autosorb iQ, версия 1.11 (Quantachrome Instruments) для анализа поверхности.

Результаты и обсуждение

Детали микроструктуры и морфология НС NiO были изучены с помощью электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии (АСМ). На рис. 1а показаны очень плотные структуры в виде лепестков розы, выращенные на проводящей стеклянной подложке, покрытой FTO. Толщина этих лепестков составляет примерно 25–30 нм, сверху покрытых очень тонкими шипами. Пленка плотная и однородная более ста микрон. Единообразие на больших площадях позволяет использовать его для зондирования. Поперечное сечение NiO NS можно увидеть на вставке на рис. 1а, где показано вертикальное выравнивание и высота лепестков. Микрофотографию ПЭМ этих NiO NS можно увидеть в Дополнительном файле 1:Рисунок S1. На рисунке 1b показано СЭМ-изображение наночастиц NiO, показывающее, что однородные наночастицы NiO выращиваются на большой площади. Более подробные сведения о форме и размерах этих наноразмеров были изучены с использованием изображений АСМ на рис. 1c – e. На рис. 1в, г показаны двухмерные и трехмерные изображения АСМ соответственно. Он показывает приблизительно равномерно распределенные лепестки с высокоплотными наночастицами (НЧ), выровненными вертикально. АСМ-изображения на рис. 1e и вставка к рис. 1c показывают НЗ NiO с более высоким разрешением. Черная линия на рис. 1e показывает профилирующую линию наноструктуры, которая дает информацию о средней толщине наночастиц. Видно, что наночастицы имеют ширину в диапазоне ~ 25-30 нм. Спектр энергодисперсионного рентгеновского излучения (EDX) на рис. 1f показывает химический состав НЧ NiO, свидетельствующий о НЧ NiO высокой чистоты с адекватным соотношением Ni / O. Некоторые пики, соответствующие элементному олову (Sn), также можно увидеть на стекле с покрытием FTO, используемом в качестве подложки. Рисунок 1 ясно демонстрирует, что плотные NS NiO в форме лепестка были изготовлены однородно, с некоторой пористостью, на стеклянной подложке, покрытой FTO.

а , b Морфология поверхности наноструктур NiO демонстрирует лепестковидную структуру с ее поперечным сечением (вставка). c - е Изображения AFM с профилированием линий. е EDX-спектры элементной конформации

Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) выполняется для анализа компонентов и химического состава поверхности наночастиц NiO. Обзорный снимок XPS (рис. 2а) показывает состав никеля и кислорода с пиком подложки олова (Sn), что согласуется с результатами EDX. Наблюдаются два характерных пика Ni 2p примерно при 855,7 эВ (2p _3/2 ) и 873,4 эВ (2p _1/2 ) при сканировании с высоким разрешением (рис. 2б). Спектр после деконволюции содержит семь пиков, из которых два более сильных пика при 855,7 и 873,4 эВ соответствуют Ni ²⁺ в связях Ni – O с двумя сателлитными (слабыми) пиками [32]. На дифрактограмме на фиг. 2с четко видны дифракционные пики в порядке уменьшения интенсивности пиков XRD при 43 °, 37 °, 63 °, 76 ° и 79 ° соответственно. Положения пиков и их относительные интенсивности хорошо согласуются с гранецентрированной кубической (ГЦК) структурой NiO-NS, что свидетельствует о кристаллической природе наночастиц [33]. Вышеупомянутая морфологическая и структурная характеристика приготовленного субстрата предсказывает присутствие низкоразмерных лепестковых структур NiO, и они будут исследованы на предмет возможных свойств чувствительности к глюкозе.

Составной анализ изготовленных наночастиц NiO с помощью XPS a обзорное сканирование, b глубокое сканирование 2p Ni, c XRD для структурного анализа и d площадь поверхности и текстовое исследование с использованием измерения изотермы БЭТ с помощью N ₂ адсорбция / десорбция

Как упоминалось ранее, основой сенсорного механизма является реакционная способность глюкозы с NiO, поэтому требуются более высокие площади поверхности, которые следует проанализировать перед исследованием сенсорных свойств. Удельная поверхность и другие параметры, такие как тип изотермы, средний размер пор и общий объем пор, были получены с помощью N ₂ адсорбция / десорбция методом БЭТ. На рисунке 2d показаны изотерма типа IV и гистерезис типа H3 при измерении при 77 К с диапазоном относительного давления 0,025 ≤ P . / P ₀ ≤ 1,00 [18]. Измеренная площадь поверхности, оцененная методами БЭТ и Ленгмюра в P / P ₀ диапазон 0,05–0,30, оказывается 114,936 м ² / г и распределение пор по размерам около 3,7 нм. Это указывает на то, что НЧ NiO являются мезопористыми с относительно однородным распределением пор по размерам. Общий объем пор в образце составляет 0,267 см ³ . / г при относительном давлении ( P / P ₀ ) 0,99.

Кажется, что адекватная поверхность доступна для определения глюкозы для NiO-NP, которая была изучена ниже с использованием электрохимических измерений CV, как показано на рис. 3. Для измерения CV использовалась трехэлектродная система с образцом NiO-NPs @ FTO в качестве рабочего электрода. , Ag / AgCl (1 M KCl) и платиновая проволока, используемые в качестве электрода сравнения и противоэлектрода, соответственно. На рисунке 3a показан I - V кривые с разной скоростью развертки напряжения от 10 до 100 мВ / с. Электрод очень стабилен, что подтверждается повторением CV-сканирования в течение 3000 циклов (дополнительный файл 1:Рисунок S2). Из рис. 3а видно, что ток ~ 0,25 мА / см ² течет со скоростью сканирования 10 мВ / с (черная кривая) и увеличивается до ~ 2,5 мА / см ² при увеличении скорости сканирования до 100 мВ / с (светло-зеленая кривая). Увеличение тока в десять раз за счет увеличения скорости сканирования в десять раз означает линейное изменение между ними. Такое линейное изменение тока в зависимости от скорости сканирования, как видно на вставке к рис. 3а, чаще всего объясняется реакцией, контролируемой поверхностью, и будет лучше для приложений измерения.

а Циклическая вольтамперометрия (ЦВА) NiO-NPs @ FTO при различных скоростях сканирования. б Электрохимическое определение глюкозы (10 мкМ) с использованием метода CV. c CV-сканирование NiO-NPs на FTO-электроде с иммобилизованной глюкозой при различных скоростях сканирования. б Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) для определения уровня глюкозы. Вставки в a и c показать линейное изменение тока в зависимости от скорости сканирования

Для исследования зондирования были проведены измерения CV с пленкой NiO NS в качестве рабочего электрода (NiO-NPs @ FTO) при скорости сканирования 50 мВ / с с (красной) и без (черной) глюкозы (5 мМ) в присутствие 0,1 М электролита NaOH, как показано на рис. 3b. Графики CV, записанные при различных скоростях сканирования в присутствии глюкозы, также показаны на фиг. 3c, которая также показывает увеличенные значения тока по сравнению со случаем без глюкозы и дополнительно увеличивается с увеличением скорости сканирования. Эти зависящие от скорости сканирования кривые CV на рис. 3c согласуются с обсуждениями выше, относящимися к чувствительности к глюкозе и реакции, контролируемой поверхностью. Как видно из черной и красной кривых на рис. 3b, наблюдается пиковый ток реакции, что указывает на то, что электрод NiO-NPs @ FTO подвергается окислительно-восстановительной реакции в диапазоне потенциалов от 0,0 до 0,6 В. Пиковое значение тока увеличивается вдвое. в присутствии глюкозы, т.е. ток электрода NiO-NPs @ FTO с глюкозой больше, чем ток без глюкозы, что может быть связано с окислением молекулы глюкозы, иммобилизованной на большей площади поверхности NS NiO. Это, по-видимому, наиболее вероятный механизм определения глюкозы, о чем могут свидетельствовать следующие окислительно-восстановительные реакции, происходящие в соответствующих местах.

Во время измерения CV Ni ²⁺ окисляется до Ni ³⁺ водным раствором электролита, присутствующим в ячейке на электроде NiO-NPs @ FTO (реакция 1). Окисленный Ni ³⁺ работает как катализатор для глюкозы и окисляет глюкозу, восстанавливая себя (реакция 2). При окислении глюкоза превращается в глюконолактон, который, следовательно, немедленно превращается в глюконовую кислоту (реакция 3), и это соединение вступает в реакцию с молекулами воды с образованием ионов глюконата и гидроксония (реакция 4). Эти ионы вблизи поверхности рабочего электрода приводят к увеличению тока в виде детектируемого сигнала с очень хорошей удельной чувствительностью 3,9 мкА / мкМ / см ² .

Для того, чтобы дополнительно поддержать усиление электропроводности, вызванное «легированием глюкозы», была измерена спектроскопия электрохимического импеданса (EIS) рабочего электрода, изготовленного из наночастиц NiO, с глюкозой и без нее (рис. 3d). Единственный вдавленный полукруг в высокочастотной области и наклонная линия в низкочастотной области можно увидеть на графике Найквиста (Коул-Коула) на рис. 3d. Как правило, высокочастотный полукруг показывает импеданс электрохимической реакции между глюкозой, присутствующей в растворе электролита, и границей наноструктуры NiO, тогда как наклонная линия в области более низких частот показывает импеданс интерфейса активного материала (NiO) и проводящего электрода [34]. Влияние глюкозы на график Коул-Коула на рис. 3d четко различимо, и, таким образом, то же измерение можно использовать для определения присутствия глюкозы. Это явно демонстрирует способность материала чувствовать глюкозу, который представляет собой НП NiO в форме нанопластов.

Воспроизводимость устройства - один из важных параметров для его эффективной работы в качестве реального датчика. На рис. 4а показана электрохимическая ячейка для определения уровня глюкозы с использованием CV и амперометрических методов. Рисунок 4b соответствует CV-сканированию NiO-NPs @ FTO в присутствии различных концентраций глюкозы от 100 мкМ до 1,2 мМ. На рисунке 4c показана линейная зависимость концентрации глюкозы от плотности тока с линейным подгоночным фактором ( R ² ) 0,9948. На рисунке 4d показано амперометрическое поведение электрода NiO-NPs @ FTO при добавлении различных количеств водного раствора глюкозы в 0,1 M электролите NaOH, измеренное при + 0,5 В. При этом смещении электрод NiO-NPs @ FTO демонстрирует систематические изменения тока. при концентрации раствора глюкозы 50 мкл в электролит добавляется 1 мкМ. Кроме того, чтобы проиллюстрировать исключительное поведение восприятия глюкозы, влияние других соединений, присутствующих с глюкозоподобной мочевой кислотой (UA), аскорбиновой кислотой (AA) и фолиевой кислотой (FA), проверяли путем проведения контрольных экспериментов. Ответы упомянутых видов при различных концентрациях были изучены путем добавления этих ферментов на 57-й и 65-й секундах (стрелка, отмеченная на рис. 4d), которые не показывают каких-либо значительных изменений тока во время амперометрических измерений, тогда как глюкоза ощущалась при добавлении между ними на 60-й секунде. второй. Селективность определения глюкозы по сравнению с другими соединениями можно более четко увидеть в Дополнительном файле 1:Рисунок S3. Еще одно важное наблюдение - снижение тока после скачка глюкозы, что делает датчик многоразовым. Электрод NiO NS показывает очень хорошую чувствительность по сравнению с различными другими сенсорными электродами, как можно увидеть в Таблице 1, которая обобщает некоторые из последних электродов для измерения глюкозы. Превосходная чувствительность электрода на основе NiO NS (нижняя строка в таблице 1) делает его хорошим кандидатом для приложений измерения глюкозы, в которых можно проводить дальнейшие исследования на реальных образцах, таких как кровь или продукты питания, в зависимости от обстоятельств.

а Схематическое изображение установки электрохимического определения глюкозы с использованием NiO-NPs @ FTO в качестве рабочего электрода с фоновым электролитом NaOH (0,1 М). б Последовательное добавление глюкозы в дозе 50 мкМ во время сканирования CV с увеличением на вставке. c Линейная зависимость концентрации глюкозы от тока d амперометрический ответ (при + 0,5 В) на добавление 10 мкМ глюкозы

Выводы

Таким образом, отличные характеристики определения глюкозы с улучшенной чувствительностью были достигнуты за счет использования электрода с гидротермально выращенными высокоплотными выровненными наноструктурами (NS) NiO с высоким отношением поверхности к объему. НС NiO, выращенные с помощью простой техники, демонстрируют лучшую чувствительность к глюкозе с точки зрения стабильности и чувствительности по сравнению с аналогами, выращенными с помощью некоторых других методов. Предлагаемый сенсорный электрод демонстрирует широкий диапазон определения концентраций глюкозы с высокой удельной чувствительностью 3,9 мкА / мкМ / см ² и быстрое время отклика менее 1 с. В дополнение к этому, он показывает инертный ответ на другие ферменты, присутствующие с глюкозой, такие как аскорбиновая кислота, фолиевая кислота и мочевая кислота, что делает его эффективным неферментативным датчиком глюкозы. Все полученные результаты показывают, что предлагаемый датчик глюкозы может быть эффективным аналитическим инструментом для мониторинга концентраций глюкозы в лекарственных препаратах, сыворотке крови человека и может быть использован в биомедицинских приложениях.