Hochempfindlicher nicht-enzymatischer Glucosesensor basierend auf mesoporösen NiO-Nanoblüten auf FTO

Zusammenfassung

Wir berichten über einen nicht-enzymatischen Glucosesensor, aufgebaut auf mesoporösen, gut ausgerichteten Nickeloxid (NiO) Nanoblüten (NPs), die hydrothermal auf fluor-dotiertem Zinnoxid (FTO) Glas gewachsen sind. Strukturanalysen (XRD, SEM, TEM, AFM, EDX, XPS) bestätigen eine dichte, vertikal orientierte NP-Morphologie mit einer durchschnittlichen Dicke von 25–30 nm. Eine BET-Oberfläche von 115 m² g⁻¹ und eine Porengröße von 3,7 nm deuten auf hervorragende elektrochemische Zugänglichkeit hin. Der Sensor liefert eine lineare Antwort von 50 µM bis 1,2 mM Glucose mit einer Empfindlichkeit von 3,9 µA µM⁻¹ cm⁻² bei 0,5 V, einer Nachweisgrenze von 1 µM und einer Ansprechzeit unter 1 s. Er zeigt vernachlässigbare Interferenzen durch Ascorbinsäure, Harnsäure und Dopamin, was ihn zu einer zuverlässigen nicht-enzymatischen Glucossonde macht.

Hintergrund

Diabetes-Management hängt von präziser, Echtzeit-Glucose-Überwachung ab. Konventionelle enzymatische Sensoren basieren auf Glucose-Oxidase (GOx) und leiden unter begrenzter Lebensdauer und Empfindlichkeit gegenüber Temperatur, pH und toxischen Reagenzien. Metalloxid-basierte nicht-enzymatische Sensoren umgehen diese Probleme, indem sie Glucose direkt auf der Elektrodenoberfläche oxidieren. NiO, CuO, TiO₂ und ZnO-Nanostrukturen haben sich als vielversprechende Kandidaten erwiesen, aufgrund ihres hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnisses und katalytischer Aktivität. Nanostrukturierung erhöht die aktive Oberfläche weiter und verbessert die Sensorleistung. Hier präsentieren wir NiO-Nanoblüten, die auf FTO gewachsen sind, optimiert für die Glucose-Oxidation.

Experimentell

Nickelnitrat und Kaliumpersulfat wurden mit einer Spurenmenge Ammoniaklösung gemischt, um die Ausrichtung der NiO-Nanostrukturen zu steuern. Die Vorstufenlösung wurde hydrothermal bei 150 °C für 5 h auf FTO-Glas behandelt, gespült, getrocknet und bei 250 °C für 2 h geglüht. XRD (Rigaku SmartLab, Cu-Kα, λ = 1,54 Å), SEM (Zeiss Supra55), TEM, AFM (Bruker MultiMode 8-HR), EDX (Oxford Instruments) und XPS (SPECS) charakterisierten Struktur und Zusammensetzung. BET-Analyse (Quantachrome Autosorb iQ) quantifizierte Oberfläche und Porosität. Elektrochemische Messungen erfolgten mit einem Keithley 2450-EC-Arbeitsplatz in einer Drei-Elektroden-Anordnung mit Ag/AgCl (1 M KCl) Referenz und Pt-Draht Gegenelektrode, wobei 0,1 M NaOH als Elektrolyt diente.

Ergebnisse und Diskussion

SEM- und AFM-Bilder (Abbildung 1) zeigen dicht gepackte, rosenblütenblattartige NiO-Strukturen, die das FTO-Substrat gleichmäßig bedecken. Jedes Blütenblatt ist 25–30 nm dick, mit feinen dornartigen Merkmalen, die die Oberfläche vergrößern. TEM bestätigt die Morphologie, und EDX zeigt hochreines NiO mit minimalem Sn vom Substrat. XPS zeigt Ni²⁺ in Ni-O-Bindungen und bestätigt die kristalline FCC-Struktur (XRD-Peaks bei 43°, 37°, 63°, 76°, 79°). BET-Messungen weisen auf ein mesoporöses Netzwerk mit einer Oberfläche von 114,936 m² g⁻¹ und einer Porengrößenverteilung mit Maximum bei 3,7 nm hin (Abbildung 2).

Elektrochemische Tests (Abbildung 3) zeigen, dass die NiO-NPs@FTO-Elektrode oberflächenkontrolliert ist: der Spitzenstrom skaliert linear mit der Scanrate, was effizienten Ladungstransfer anzeigt. Zyklische Voltammetrie in 0,1 M NaOH offenbart einen ausgeprägten Oxidationspeak zwischen 0 V und 0,6 V. In Gegenwart von 5 mM Glucose verdoppelt sich der Spitzenstrom, was die Glucose-Oxidation bestätigt. Der Reaktionspfad umfasst die Bildung von NiO(OH) aus NiO, welches Glucose zu Gluconolacton und anschließend zu Gluconsäure oxidiert, wodurch messbarer Strom entsteht (Empfindlichkeit 3,9 µA µM⁻¹ cm⁻²). Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zeigt einen reduzierten Halbkreis und eine steilere Niederfrequenzlinie bei Glucose-Zugabe, was die elektrochemische Aktivität des Sensors bestätigt.

Kalibrierungskurven (Abbildung 4) zeigen Linearität (R² = 0,9948) über 100 µM–1,2 mM Glucose, mit einer amperometrischen Antwort bei +0,5 V, die eine Subsekunden-Ansprechzeit und ausgezeichnete Wiederholbarkeit liefert. Selektivitätstests gegen Harnsäure, Ascorbinsäure und Folsäure zeigen vernachlässigbare Interferenzen, während der Sensorstrom nach Glucose-Spitzen abnimmt, was Wiederverwendbarkeit anzeigt. Im Vergleich zu jüngsten nicht-enzymatischen Sensoren bietet die NiO-NPs-Elektrode überlegene Empfindlichkeit und schnelle Ansprechzeit.

Schlussfolgerungen

Hydrothermal gewachsene, dicht gepackte NiO-Nanoblüten auf FTO bieten einen hochempfindlichen, nicht-enzymatischen Glucosesensor. Mit einer Nachweisgrenze von 1 µM, einer Ansprechzeit unter 1 s und robuster Selektivität ist diese Plattform gut geeignet für biomedizinische Diagnostik und pharmazeutische Analytik.

Abbildungen