Mesoporöse Nickeloxid (NiO)-Nanoblätter für die hochempfindliche Glukosemessung

Hintergrund

Diabetes, eine chronische Erkrankung, bei der der Glukosespiegel im Blut ansteigt und die, wenn sie nicht diagnostiziert und unbehandelt wird, sehr gefährlich für die Gesundheit sein und schließlich zum Tod führen kann [1, 2]. Unterschiedliche Therapieregime bei der Behandlung von Diabetes umfassen eine Dosisanpassung der Medikamente entsprechend dem Blutzuckerspiegel als Folge eines beeinträchtigten Insulinspiegels, der Hauptursache der Krankheit. Daher ist ein genauer und zuverlässiger Glukosesensor zur Messung des Blutspiegels der wichtigste Parameter bei der Behandlung von Diabetes. Im Allgemeinen arbeitet der Glukosesensor mit einem Enzym, Glukoseoxidase (GOx), das Glukose in Gluconsäure und H₂ . umwandelt O₂ [3,4,5,6,7]. Die Glucosekonzentration wird bestimmt, indem die Zahl der Elektronen überwacht wird, die durch die Elektrode fließen, um Wasserstoff in Form von Peroxid zu bilden [8]. Bei enzymatischen Biosensoren erfolgt die quantitative Erfassung durch Steuerung des Potentials und Messung des Stroms infolge der Reaktion der (zu erfassenden) Substanz mit der aktiven Fläche des Materials (die als Sensor fungiert) auf der Arbeitselektrode. Enzymatische Glukosesensoren, die nach dem gleichen Prinzip arbeiten, weisen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Glukose auf. Einschränkungen bei diesen Sensoren sind die kürzere Lebensdauer, die Umgebungsbedingungen wie Temperatur, pH-Wert und Toxizität der verwendeten Chemikalien. Um diese Probleme anzugehen, wurden in letzter Zeit viele nicht-enzymatische Glukosesensoren auf Metalloxidbasis entwickelt [9,10,11,12,13,14]. Der Erfassungsmechanismus dieser nicht-enzymatischen Glukosesensoren basiert auf der Oxidation von Glukose durch Metalloxidionen nahe der Oberfläche der Elektrode zu Gluconolacton. In der elektrochemischen Sensorik erweist sich die Cyclovoltammetrie (CV) aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit bei niedrigen Nachweisgrenzen, der genauen quantitativen Analyse und der schnellen und klaren Charakterisierung als effizientes Verfahren [15, 16]. Diese oxidbasierten Glukosesensoren haben sicherlich das Potenzial, in der echten Diagnose eingesetzt zu werden und müssen weiter untersucht werden.

Es besteht zunehmendes Interesse an der Herstellung von Elektroden mit kostengünstigen Metalloxidmaterialien wie NiO, CuO, TiO₂ , ZnO und Verbundstoffe, die eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Glucose zeigen können, indem sie die elektrokatalytische Aktivität verbessern [17,18,19,20,21,22,23,24]. Wenn es um reaktionsbasierte Sensorik geht, könnten Nanomaterialien von Interesse sein, da sie eine größere Oberfläche für Reaktionen und damit eine bessere Sensorik bieten können. In jüngster Zeit hat eine Vielzahl von Materialien in nanostrukturierter Form großes Potenzial in der Sensorik, Elektronik und Optoelektronik gezeigt [25,26,27]. Eine bekannte Tatsache über Nanostrukturen ist die Fähigkeit, eine physikalische Eigenschaft durch Änderung ihrer Größe und/oder Morphologie zuzuschneiden, was den Nanomaterialien die Vielseitigkeit verleiht, in verschiedenen Anwendungen verwendet zu werden. Daher ist für Sensoren auch die Gestaltung der Elektrodenoberfläche einer der Schlüsselparameter. Unter vielen Nanomaterialien auf Ni-Basis weisen bemerkenswerte Eigenschaften wie Katalyse [28,29,30] und eine hohe Empfindlichkeit aufgrund eines großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses auf. Ein ökonomischer und dennoch empfindlicher Glukosesensor kann mit NiO-Nanostruktur-basierten Sensoren Realität werden, indem das Gerät entsprechend konstruiert und das Material synthetisiert wird. In dieser Arbeit wurde eine Arbeitselektrode bestehend aus blütenblattartigen NiO-Nanostrukturen für die Glucosemessung mittels elektrochemischer Untersuchungen als Wirkstoff hergestellt. Ein mit Fluoren dotiertes Zinnoxid (FTO) beschichtetes leitfähiges Glassubstrat wurde verwendet, um die NiO-Nanostrukturen (NSs) durch Hydrothermaltechnik zu wachsen.

Experimentell

Für die Ausrichtung während der Herstellung dieser NiO NSs wurde Nickelnitratvorläufer gemischt mit Kaliumpersulfat in Gegenwart einer geringeren Menge an Ammoniumlösung verwendet. Nach 5 h kontinuierlichem Erhitzen bei 150 °C wurde der abgeschiedene Film mit entionisiertem Wasser gespült und an der Luft getrocknet. Anschließend wurde der NiO-NSs-Film 2 h bei 250 °C getempert. Auf der leitenden Oberfläche von FTO-beschichtetem Glas wurden gleichmäßige und gut ausgerichtete NiO-NSs erhalten. Die Mikrostruktur des Films wurde mit einem XRD (Rigaku SmartLab X-ray Diffraktometer unter Verwendung monochromatischer Cu-Kα-Strahlung) untersucht λ = 1,54 Å) zusammen mit Elektronenmikroskopie (Supra55 Zeiss). Zur elementaren Bestätigung wurden energiedispersive Röntgenspektroskopie (Oxford Instrument) und Röntgenphotoelektronenspektrometer (ESCA System, SPECS GmbH, Deutschland) mit Al Kα-Strahlung (1486,6 eV) verwendet. Rasterkraftmikroskopie wurde auf einem Bruker (MultiMode 8-HR)-Gerät durchgeführt, und die Analyse hochauflösender Nanostrukturen wurde mit der WSxM-Software durchgeführt [31]. Für die Glukosemessung mit NiO-NSs wurden geeignete elektrochemische Messungen mit der elektrochemischen Arbeitsstation Keithley 2450-EC durchgeführt. Die Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Methode wurde auch auf Autosorb iQ, Version 1.11 (Quantachrome Instruments) für die Oberflächenanalyse verwendet.

Ergebnisse und Diskussion

Mikrostrukturelle Details und Morphologie von NiO-NSs wurden mit Elektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Abbildung 1a zeigt sehr dichte rosenblattähnliche Strukturen, die auf dem FTO-beschichteten leitfähigen Glassubstrat gewachsen sind. Die Dicke dieser Blütenblätter beträgt ungefähr 25–30 nm, bedeckt mit sehr feinen dornenähnlichen Strukturen auf der Oberseite. Der Film ist über mehr als hundert Mikrometer dicht und gleichmäßig. Die Gleichmäßigkeit über größere Bereiche macht es für Sensoranwendungen geeignet. Eine Querschnittsansicht der NiO-NSs ist im Einschub von Fig. 1a zu sehen, der die vertikale Ausrichtung und die Höhe der Blütenblätter zeigt. Eine TEM-Aufnahme dieser NiO-NSs ist in der zusätzlichen Datei 1 zu sehen:Abbildung S1. Abbildung 1b zeigt das SEM-Bild von NiO-Nanoblättern, das zeigt, dass einheitliche NiO-NPs über einen weiten Bereich wachsen. Weitere Details zu Form und Größe dieser Nanoblätter wurden mit AFM-Bildern in Abb. 1c–e untersucht. Abbildung 1c, d zeigen zwei- bzw. dreidimensionale AFM-Bilder. Es zeigt ungefähr gleichmäßig verteilte Blütenblätter mit hochdichten Nanoblüten (NPs), die vertikal ausgerichtet sind. AFM-Bilder in Abb. 1e und Einschub von Abb. 1c zeigen NiO-NSs mit höherer Auflösung. Die schwarze Linie in Abb. 1e zeigt ein Linienprofil der Nanostruktur, das Aufschluss über die durchschnittliche Dicke der NPs gibt. Es ist offensichtlich, dass Nanoblätter Breiten im Bereich von ~ 25-30 nm aufweisen. Das energiedispersive Röntgenspektrum (EDX) in Abb. 1f zeigt die chemische Zusammensetzung von NiO-NPs, die auf hochreine NiO-NSs mit angemessenem Ni/O-Verhältnis schließen lassen. Einige Peaks, die elementarem Zinn (Sn) entsprechen, können auch von FTO-beschichtetem Glas gesehen werden, das als Substrat verwendet wird. Abbildung 1 zeigt deutlich, dass dichte NiO-NSs in Blütenblattform einheitlich mit einer gewissen Porosität auf einem FTO-beschichteten Glassubstrat hergestellt wurden.

a , b Oberflächenmorphologien von NiO-Nanostrukturen mit blütenblattähnlicher Struktur im Querschnitt (Einschub). c –e AFM-Bilder mit Linienprofilierung. f EDX-Spektren für die elementare Konformation

Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) wird zur Analyse von Bestandteilen und chemischen Oberflächenzusammensetzungen von NiO-Nanoblättern durchgeführt. Der XPS-Übersichtsscan (Abb. 2a) zeigt die Zusammensetzung von Nickel und Sauerstoff mit dem Substratpeak von Zinn (Sn), was mit den EDX-Ergebnissen übereinstimmt. Bei etwa 855,7 eV (2p_3/2 .) werden zwei charakteristische Ni 2p-Peaks beobachtet ) und 873,4 eV (2p_1/2 .) ) im hochauflösenden Scan (Abb. 2b). Das entfaltete Spektrum enthält sieben Peaks, wobei zwei stärkere Peaks bei 855,7 und 873,4 eV Ni ²⁺ . entsprechen in Ni-O-Bindungen, mit zwei (schwachen) Satellitenpeaks [32]. Das XRD-Muster in Fig. 2c zeigt deutlich Beugungspeaks in der Reihenfolge abnehmender XRD-Peakintensitäten bei 43 °, 37 °, 63 °, 76 ° bzw. 79 °. Die Peakpositionen und ihre relativen Intensitäten stimmen gut mit der kubisch-flächenzentrierten (FCC) Struktur von NiO-NSs überein, was eine kristalline Natur der NPs offenbart [33]. Die oben erwähnte morphologische und strukturelle Charakterisierung des präparierten Substrats sagt das Vorhandensein von niedrigdimensionalen blütenblattartigen Strukturen von NiO voraus, und diese werden auf mögliche Glukosesensoreigenschaften untersucht.

Bestandteilsanalyse der hergestellten NiO-Nanoblätter mit XPS a Umfrage-Scan, b Tiefenscan von 2p Ni, c XRD für die Strukturanalyse und d Oberflächen- und Textstudie mit BET-Isothermenmessung mit N₂ Adsorption/Desorption

Wie bereits erwähnt, basiert der Sensormechanismus auf der Reaktivität von Glucose mit NiO, wodurch größere Oberflächen benötigt werden, die analysiert werden sollten, bevor die Sensoreigenschaften untersucht werden. Die spezifische Oberfläche und andere Parameter, wie Art der Isotherme, durchschnittliche Porengröße und Gesamtporenvolumen wurden durch das N . ermittelt ₂ Adsorption/Desorption nach der BET-Methode. Abbildung 2d zeigt die Isotherme vom Typ IV und die Hysterese vom Typ H3, gemessen bei 77 K mit einem relativen Druckbereich von 0,025  ≤ P /P ₀ 1,00 [18]. Die gemessene Oberfläche, geschätzt durch BET- und Langmuir-Methoden im P /P ₀ Bereich von 0,05–0,30, ermittelt als 114,936 m ² /g und Porengrößenverteilung um 3,7 nm. Dies weist darauf hin, dass NiO-NPs mesoporös sind und eine relativ gleichmäßige Porengrößenverteilung aufweisen. Das Gesamtporenvolumen in der Probe beträgt 0,267 cm ³ . /g geschätzt bei einem relativen Druck (P /P ₀ ) von 0,99.

Eine ausreichende Oberfläche für die Glukose-Erfassung der NiO-NPs scheint verfügbar zu sein, wurde unten mit elektrochemischen CV-Messungen untersucht, wie in Abb. 3 gezeigt. Für CV-Messungen wurde ein Drei-Elektroden-System mit NiO-NPs@FTO-Probe als Arbeitselektrode verwendet , Ag/AgCl (1 M KCl) und Platindraht als Referenz- bzw. Gegenelektrode verwendet. Abbildung 3a zeigt I –V Kurven mit unterschiedlichen Spannungs-Sweep-Raten zwischen 10 und 100 mV/s. Die Elektrode ist sehr stabil, wie durch Wiederholen der CV-Scans für 3000 Zyklen getestet (zusätzliche Datei 1:Abbildung S2). Aus Abb. 3a ist ersichtlich, dass ein Strom von ~ 0,25 mA/cm ² floss mit einer Abtastrate von 10 mV/s (schwarze Kurve) und steigt auf ~ 2,5 mA/cm ² wenn die Scanrate auf 100 mV/s erhöht wurde (hellgrüne Kurve). Eine zehnfache Stromerhöhung durch eine zehnfache Erhöhung der Abtastrate bedeutet eine lineare Variation zwischen den beiden. Eine solche lineare Stromschwankung als Funktion einer Abtastrate, wie in Abb. 3a Einschub ersichtlich, wird meistens einer oberflächenkontrollierten Reaktion zugeschrieben und ist für Sensoranwendungen besser geeignet.

a Zyklische Voltammetrie (CV) von NiO-NPs@FTO bei verschiedenen Scanraten. b Elektrochemische Glukosemessung (10 μM) mit CV-Technik. c CV-Scan einer glukoseimmobilisierten NiO-NPs@FTO-Elektrode bei verschiedenen Scanraten. b Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) zur Darstellung der Glukosemessung. Einsätze in a und c zeigen eine lineare Stromänderung als Funktion der Abtastrate

Für Sensorstudien wurden CV-Messungen mit NiO-NSs-Film als Arbeitselektrode (NiO-NPs@FTO) bei einer Scanrate von 50 mV/s mit (rot) und ohne (schwarz) Glukose (5 mM) im Anwesenheit von 0,1 M NaOH-Elektrolyt, wie in Abb. 3b gezeigt. Die CV-Diagramme, die bei unterschiedlichen Scanraten in Gegenwart von Glukose aufgezeichnet wurden, sind auch in Abb. 3c gezeigt, die auch erhöhte Stromwerte im Vergleich zum Fall ohne Glukose zeigen und mit steigenden Scanraten weiter ansteigen. Diese von der Scanrate abhängigen CV-Kurven in Fig. 3c stimmen mit den obigen Diskussionen über die Glukoseerfassung und die oberflächenkontrollierte Reaktion überein. Wie aus den schwarzen und roten Kurven in Abb. 3b ersichtlich ist, wird ein Reaktionsspitzenstrom beobachtet, der darauf hinweist, dass die NiO-NPs@FTO-Elektrode die Redoxreaktion im Potenzialbereich von 0,0 bis 0,6 V durchläuft. Der Spitzenstromwert wird verdoppelt in Gegenwart von Glukose, dh der Strom der NiO-NPs@FTO-Elektrode mit Glukose ist größer als der ohne Glukose, was auf die Oxidation von Glukosemolekülen zurückgeführt werden kann, die innerhalb einer größeren Oberfläche der NiO-NSs immobilisiert sind. Dies scheint der wahrscheinlichste Mechanismus der Glukosemessung zu sein, da die folgenden Redoxreaktionen an geeigneten Stellen ablaufen.

Während der CV-Messung Ni ²⁺ oxidiert zu Ni ³⁺ durch wässrige Elektrolytlösung in der Zelle an der NiO-NPs@FTO-Elektrode (Reaktion 1). Oxidiertes Ni ³⁺ wirkt als Katalysator für Glukose und oxidiert Glukose, indem es sich selbst reduziert (Reaktion 2). Bei der Oxidation wandelt sich Glucose in Gluconolacton um, das folglich sofort in Gluconsäure umgewandelt wird (Reaktion 3) und diese Verbindung reagiert mit Wassermolekülen, um Gluconat und Hydroniumionen zu bilden (Reaktion 4). Diese Ionen nahe der Oberfläche der Arbeitselektrode führen zu einem erhöhten Strom als detektierbares Signal mit einer sehr guten spezifischen Empfindlichkeit von 3,9 μA/μM/cm ² .

Um die durch „Glukose-Dotierung“ induzierte Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit weiter zu unterstützen, wurde die elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) von NiO-NP-gefertigten Arbeitselektroden mit und ohne Glukose gemessen (Abb. 3d). Ein einzelner niedergedrückter Halbkreis im Hochfrequenzbereich und eine geneigte Linie im Niederfrequenzbereich sind im Nyquist-Plot (Cole-Cole) in Abb. 3d zu sehen. Im Allgemeinen zeigt der Hochfrequenzhalbkreis die elektrochemische Reaktionsimpedanz zwischen der in der Elektrolytlösung vorhandenen Glucose und der NiO-Nanostruktur-Grenzfläche, während die geneigte Linie im unteren Frequenzbereich das aktive Material (NiO) und die Impedanz der leitfähigen Elektrodengrenzfläche zeigt [34]. Die Wirkung von Glukose auf das Cole-Cole-Diagramm in Fig. 3d ist klar unterscheidbar und daher kann dieselbe Messung verwendet werden, um das Vorhandensein von Glukose zu erfassen. Dies zeigt deutlich die Glucose-Erfassungseigenschaft des Materials, das aus nanoblattförmigen NiO-NSs besteht.

Die Wiederholbarkeit eines Gerätes ist einer der wichtigen Parameter für die effektive Leistung als echter Sensor. Abbildung 4a ist die elektrochemische Zelle für die Glukosemessung mit CV- und amperometrischen Techniken. Abbildung 4b entspricht dem CV-Scan von NiO-NPs@FTO in Gegenwart verschiedener Glukosekonzentrationen von 100 μM–1,2 mM. Abbildung 4c zeigt die lineare Beziehung der Glukosekonzentration zur Stromdichte mit einem linearen Anpassungsfaktor (R ² ) von 0,9948. Abbildung 4d zeigt das amperometrische Verhalten der NiO-NPs@FTO-Elektrode bei Zugabe von wässriger Glucoselösung unterschiedlicher Mengen in 0,1 M NaOH-Elektrolyt, gemessen bei + 0,5 V. Bei dieser Vorspannung zeigt die NiO-NPs@FTO-Elektrode systematische Stromänderungen bei einer Konzentration von 50 μl Glukoselösung wird 1 μM in den Elektrolyten gegeben. Um das ausschließliche Glucose-Erfassungsverhalten zu veranschaulichen, wurde die Wirkung anderer Verbindungen, die mit Glucose-ähnlicher Harnsäure (UA), Ascorbinsäure (AA) und Folsäure (FA) vorhanden sind, durch Durchführung von Kontrollexperimenten überprüft. Die Reaktionen der genannten Spezies bei verschiedenen Konzentrationen wurden durch Zugabe dieser Enzyme in der 57. und 65. Sekunde untersucht (Pfeil in Abb. 4d markiert), die während der amperometrischen Messung keine signifikanten Änderungen des Stroms zeigen, während Glukose gemessen wurde, wenn sie zwischendurch bei 60. zugegeben wurde zweite. Die Selektivität der Glukosemessung im Vergleich zu anderen Verbindungen ist in Zusatzdatei 1 deutlicher zu sehen:Abbildung S3. Eine weitere wichtige Beobachtung ist die Verringerung des Stroms nach einer glukoseinduzierten Spitze, die den Sensor wiederverwendbar macht. Die NiO-NS-Elektrode zeigt im Vergleich zu verschiedenen anderen Sensorelektroden eine sehr gute Empfindlichkeit, wie in Tabelle 1 zu sehen ist, die einige der neueren Glukosemesselektroden zusammenfasst. Die überragende Empfindlichkeit der NiO-NS-basierten Elektrode (untere Reihe in Tabelle 1) macht sie zu einem guten Kandidaten für Glukosesensoranwendungen, bei denen weitere Studien an echten Proben wie Blut oder Lebensmitteln durchgeführt werden können, sofern zutreffend.

a Schematische Darstellung des elektrochemischen Glukosesensoraufbaus unter Verwendung von NiO-NPs@FTO als Arbeitselektrode mit Leitelektrolyt NaOH (0,1 M). b Sequentielle Glukosezugabe von 50 μM während des CV-Scans mit der Vergrößerungsansicht im Einschub. c Linearer Zusammenhang der Glukosekonzentration mit dem aktuellen d amperometrische Reaktion (bei + 0,5 V) bei einer Zugabe von 10 μM Glukose

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass durch die Verwendung einer Elektrode mit hydrothermal gewachsenen hochdichten, ausgerichteten NiO-Nanostrukturen (NSs) mit einem hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis ein ausgezeichnetes Glucose-Erfassungsverhalten mit verbesserter Empfindlichkeit erreicht wurde. Die mit der einfachen Technik gezüchteten NiO-NSs zeigen bessere Glukosesensorfähigkeiten in Bezug auf Stabilität und Empfindlichkeit im Vergleich zu ihren Gegenstücken, die mit anderen Techniken gezüchtet wurden. Die vorgeschlagene Sensorelektrode zeigt einen breiten Erfassungsbereich von Glukosekonzentrationen mit einer hohen spezifischen Empfindlichkeit von 3,9 μA/μM/cm ² und eine schnelle Reaktionszeit von weniger als 1 s. Darüber hinaus zeigt es eine inerte Reaktion auf die anderen in Glukose vorhandenen Enzyme wie Ascorbinsäure, Folsäure und Harnsäure, was es zu einem effizienten nicht-enzymatischen Glukosesensor macht. Alle diese erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass der vorgeschlagene Glukosesensor ein effizientes Analysewerkzeug zur Überwachung von Glukosekonzentrationen in Arzneimitteln und Humanserum sein und in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt werden kann.