Hochempfindliches nichtenzymatisches Glucosesensing mit hohl-porösem Nickeloxid

Zusammenfassung

Übergangsmetalloxide (TMOs) sind aufgrund ihrer niedrigen Kosten und chemischen Robustheit attraktive Elektrokatalysatoren, doch ihre intrinsische Aktivität reicht oft nicht für anspruchsvolle Anwendungen aus. Die Einführung einer hohl-porösen Architektur hat sich als effektiver Weg erwiesen, die elektrokatalytische Leistung zu steigern, indem die spezifische Oberfläche vergrößert, geordnete Diffusionspfade bereitgestellt und Elektronentransferdistanzen verkürzt werden. In dieser Studie fertigten wir ein kubisches hohl-poröses NiO (NiO HPA) über eine koordinierende Ätz- und Fällungsstrategie (CEP) gefolgt von Kalzinierung an. Als Glucosesensor angewendet, erreichte die NiO HPA-Elektrode eine bemerkenswerte Empfindlichkeit von 1323 µA mM⁻¹ cm⁻² und eine extrem niedrige Detektionsgrenze von 0,32 µM. Diese herausragenden Kennwerte resultieren aus der großen Oberfläche, den gut definierten Hohlräumen und dem schnellen Elektronentransfer des Materials. Die Ergebnisse zeigen, dass NiO HPA eine vielversprechende Plattform für nichtenzymatische Glucoseüberwachung darstellt, und das hohl-poröse Design einen allgemeinen Nano-Engineering-Ansatz für hochleistungsfähige Elektrokatalysatoren bietet.

Hintergrund

Genauigkeit, Schnelligkeit und Erschwinglichkeit der Glucosebestimmung sind in klinischer Biochemie, pharmazeutischer Analytik, Lebensmittelsicherheit und Umweltüberwachung entscheidend. Unter den verfügbaren Techniken sticht die elektrochemische Detektion durch hohe Empfindlichkeit, niedrige Kosten und niedrige Detektionsgrenzen hervor. Konventionelle Glucoseoxidase-basierte Sensoren sind jedoch durch Enzyminstabilität limitiert. Erdreiche TMOs wurden als Alternativen vorgeschlagen, da sie kosteneffizient, strukturell stabil und elektrochemisch aktiv sind. Dennoch mangelt es konventionellen TMO-Elektroden an der für den praktischen Einsatz erforderlichen katalytischen Effizienz. Daher bleibt das rationale Design von TMO-Elektrokatalysatoren eine drängende Herausforderung.

Die katalytische Kinetik einer Elektrode ist eng mit ihrer Mikroarchitektur verknüpft. Die Vergrößerung der Oberfläche, die Anpassung von Porenstrukturen und die Entwicklung hierarchischer Architekturen können die Aktivität drastisch verbessern, indem sie reichlich aktive Stellen, effizienten Massentransport und kurze Elektronentransferpfade bereitweisen. Hohlstrukturen kombinieren insbesondere eine funktionale Schale mit einem inneren Hohlraum, was den Elektrolytkontakt erhöht und Volumenausdehnung bei wiederholten Messungen abmildert. Durch Integration dieser Merkmale kann eine hohl-poröse Architektur ein konventionelles TMO in einen hochaktiven Elektrokatalysator verwandeln.

Nickeloxid ist ein prototypisches TMO, das Glucoseoxidation über das Ni²⁺/Ni³⁺-Redoxpaar in alkalischen Medien katalysieren kann, was es zu einem attraktiven Kandidaten für Glucosesensing macht. Hier berichten wir über ein kubisches NiO HPA, hergestellt durch eine Cu₂O-templatierte CEP-Methode gefolgt von Kalzinierung. Im Vergleich zu einem gebrochen-hohlen Gegenstück (NiO BHPA) weist NiO HPA überlegene Empfindlichkeit und niedrigere Detektionsgrenzen auf, was den Wert des hohl-porösen Designs unterstreicht. Diese einfache Synthesestrategie bietet einen praktischen Weg zu hochleistungsfähigen elektrochemischen Sensoren.

Experimenteller Teil

Materialien

Alle Reagenzien waren analytischer Grad: CuCl₂·2H₂O, NiCl₂·6H₂O, Na₂S₂O₃·5H₂O, Polyvinylpyrrolidon (PVP, M = 40 000) und NaOH von Chengdu Kelong. Glucose, Laktose, Saccharose, Fruktose, L-Ascorbinsäure, Harnsäure und eine 5 Gew.-% Nafion-Lösung (Alkohol/Wasser-Gemisch) wurden von Sigma-Aldrich ohne weitere Reinigung bezogen.

Synthese des Cu₂O-Templates

Cu₂O-Würfel wurden nach unserem vorigen Protokoll hergestellt. Kurz: 20 mL 2 M NaOH wurden tropfenweise zu 200 mL 10 mM CuCl₂·2H₂O bei 55 °C unter Rühren gegeben. Nach 30 min wurden 4 mL 0,6 M Ascorbinsäure tropfenweise zugegeben. Die Mischung reifte 3 h, dann wurde wiederholt zentrifugiert gewaschen. XRD-, SEM- und TEM-Analysen sind in Supplementary Figure S1 gezeigt.

Synthese von NiO HPA

NiO HPA wurde via CEP synthetisiert. 10 mg Cu₂O und 3 mg NiCl₂·6H₂O wurden in 10 mL Ethanol-Wasser (1:1) dispersiert und 7 min soniziert. 0,33 g PVP wurde unter starkem Rühren 30 min zugesetzt. Dann wurden 4 mL 1 M Na₂S₂O₃ hinzugefügt; die Reaktion lief 3 h bei Raumtemperatur ab, wobei die Farbe von rot nach hellgrün wechselte, was die Ni(OH)₂-Bildung anzeigte. Der Niederschlag wurde mit warmem Ethanol-Wasser gewaschen und getrocknet. Kalzinierung bei 400 °C (1 °C min⁻¹) für 2 h an der Luft ergab NiO HPA. NiO BHPA wurde durch 2 h intensive Sonikation von NiO HPA hergestellt.

Materialcharakterisierung

XRD (Rigaku D/Max-2400) bestätigte Phasenreinheit. XPS (ESCALAB250Xi) nutzte C 1s bei 284,8 eV als Referenz. Morphologien wurden per FESEM (FEI Quanta 250, Zeiss Gemini 500) und HR-TEM (FEI F20) untersucht. BET-Oberfläche und Porenstruktur wurden mit einem Belsort-max-Analysator gemessen.

Elektrochemische Messungen

Alle Tests erfolgten in 0,1 M NaOH im Drei-Elektroden-Aufbau: NiO HPA (oder BHPA) modifizierte Glaskohleelektrode (GCE, Ø 3 mm) als Arbeits-, Ag/AgCl (ges. KCl) als Referenz- und Pt-Scheibe (Ø 2 mm) als Gegenelektrode. Die GCE wurde sequenziell mit 3 µm, 0,5 µm und 0,05 µm Aluminiumoxid-Schlämmen poliert. Eine 10 mg NiO HPA Suspension in 0,1 mL Nafion + 0,9 mL Wasser wurde auf die GCE (70,77 µg cm⁻²) getropft und getrocknet. Zyklische Voltammetrie (CV), Chronoamperometrie (CA) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) wurden an einem Autolab-Potentiostaten durchgeführt. EIS wurde von 0,01–100 kHz mit 5 mV Störung aufgezeichnet.

Ergebnisse und Diskussion

Charakterisierungen

XRD-Muster (Abb. 1a) zeigen Peaks bei 37,21°, 43,27°, 62,87° und 75,42°, die den (111), (200), (220) und (311) Ebenen von flächenzentriert kubischem NiO (JCPDS #47-1049) entsprechen und Phasenreinheit bestätigen. XPS-Übersichtsspektren (Abb. 1b) zeigen O-1s- und Ni-2p-Signale bei 531,5 eV bzw. 855,7 eV. Das Ni-2p-Spektrum (Abb. 1c) weist charakteristische Dublett-Peaks bei 855,8 eV (Ni 2p₃/₂) und 873,5 eV (Ni 2p₁/₂) mit 17,7 eV Trennung auf, typisch für NiO. Satellitenpeaks erscheinen bei 861,5 eV und 880,0 eV. O-1s-Dekonvolution (Abb. 1d) identifiziert Ni–O (529,8 eV), chemisorbierten Sauerstoff/Hydroxyl (831,3 eV) und adsorbiertes Wasser (532,7 eV). Diese Analysen bestätigen die erfolgreiche Synthese von NiO HPA.

a XRD-Muster von NiO HPA. b XPS-Übersicht, c Ni 2p und d O 1s Spektren.

SEM- und TEM-Bilder (Abb. 2) zeigen gleichmäßige kubische NiO HPA mit Kantenlänge ~600 nm und Schalenstärke ~40 nm. Die hohle Morphologie wird durch das transluzente Innere und das Linien-Scan-EDX-Profil (Abb. 2h) bestätigt, das einen deutlichen Konzentrationsabfall im Kern zeigt. HRTEM (Abb. 2f) löst Gitterstreifen von 0,21 nm (200) und 0,24 nm (111) auf, passend zu XRD. SAED-Muster bestätigen die kubische Kristallstruktur. Elementarmapping (Abb. 2g) zeigt homogene Verteilung von Ni und O.

a–c SEM-Bilder, d–e TEM-Bilder, f HRTEM, g STEM-EDX-Mapping und h EDX-Linien-Scan von NiO HPA.

Zeitaufgelöste TEM (Abb. 3) und optische Bildgebung (Abb. 3b) illustrieren den CEP-Mechanismus: Cu₂O-Ecken werden bevorzugt von S₂O₃²⁻ geätzt, wobei Cu²⁺–S₂O₃-Komplexe gebildet und OH⁻ freigesetzt wird. Das freigesetzte OH⁻ fällt Ni²⁺ als Ni(OH)₂ aus, wodurch eine Schale entsteht, die den schrumpfenden Cu₂O-Kern umhüllt. Die kontrollierte Synchronisation von Ätzung und Fällung ergibt einen gut definierten hohlen Ni(OH)₂-Vorläufer, der bei Kalzinierung in NiO HPA umgewandelt wird.

a TEM zu verschiedenen Zeiten, b optische Fotos, c CEP-Schema.

BET-Analyse (Abb. 4) zeigt, dass NiO HPA eine spezifische Oberfläche von 27,08 m² g⁻¹ und ein Porenvolumen von 0,087 cm³ g⁻¹ besitzt, mit einer ausgeprägten Porengrößenverteilung um ~7 nm – indikativ für geordnete interpartikuläre Kanäle. Im Gegensatz dazu hat NiO BHPA eine drastisch reduzierte spezifische Oberfläche (5,24 m² g⁻¹) und vernachlässigbare Porenverteilung aufgrund strukturellen Zusammenbruchs durch Sonikation. Diese Unterschiede beeinflussen direkt die elektrokatalytische Leistung.

a N₂-Adsorptions-Desorption für NiO HPA, b für NiO BHPA. Inset: Porengrößenverteilung.

Elektrochemische Leistung

CVs (Abb. 5a) zeigen deutliche Ni²⁺/Ni³⁺-Redoxpeaks bei 0,48 V und 0,38 V für die NiO HPA-Elektrode. Der Peaksstrom ist deutlich höher als bei NiO BHPA, was die höhere spezifische Oberfläche und die intakte hohle Architektur widerspiegelt. Glucosezugabe erzeugt eine klare katalytische Antwort auf beiden Elektroden, aber NiO HPA zeigt höheren Strom und niedrigeres Einsetzpotenzial (0,43 V vs. 0,46 V). Der Glucoseoxidationsmechanismus involviert das Ni²⁺/Ni³⁺-Paar: NiO → Ni²⁺ + O²⁻, Ni²⁺ + OH⁻ → Ni³⁺ + e⁻, Ni³⁺ + Glucose → Ni²⁺ + Glucosaure.

a CVs von NiO BHPA (I, II) und NiO HPA (III, IV) in 0,1 M NaOH mit/ohne 1 mM Glucose. b EIS-Nyquist-Plots und Ersatzschaltbild. c CVs bei variierenden Scanraten; d Peaksstrom vs. √Scanrate.

EIS-Analyse (Abb. 5b) zeigt, dass NiO HPA einen niedrigeren Lösungswiderstand (R_s) und Ladungstransferwiderstand (R_ct) als NiO BHPA aufweist, was schnellere Elektronenkinetik bestätigt. Der Warburg-Bereich deutet auf überlegene Diffusion in NiO HPA hin, zurückzuführen auf seine geordneten Poren. Kinestudien (Abb. 5d) bestätigen einen diffusionskontrollierten Prozess ohne signifikanten Peakshift, weiterer Beweis für effizienten Massentransport.

Selektivität, Reproduzierbarkeit und Stabilität

Potenzialoptimierung (Abb. 6a) identifizierte 0,6 V als optimale Betriebsspannung, die die Glucoseresponse maximiert und Ascorbinsäure-Interferenz minimiert. CA-Kurven (Abb. 6c) demonstrieren eine lineare Antwort von 0,32 bis 1100 µM mit einer Empfindlichkeit von 1323 µA mM⁻¹ cm⁻² und einer LOD von 0,32 µM. NiO BHPA zeigt 753 µA mM⁻¹ cm⁻² Empfindlichkeit und 14,2 µM LOD. Im Vergleich zur Literatur (Tabelle 1) bietet NiO HPA überlegene Leistung.

a Amperometrische Antwort bei verschiedenen Potentialen. b Strom vs. Potential für Glucose und Ascorbinsäure. c CA bei 0,6 V für successive Glucosezugaben. d Strom vs. Glucosekonzentration.

Interferenzstudien (Abb. 7a) zeigen vernachlässigbare Antworten auf Laktose, Saccharose, Fruktose und Harnsäure; Ascorbinsäure verursacht nur 8,7 % Interferenz. Die negative Oberflächenladung von NiO HPA in alkalischen Medien stößt negativ geladene Interferenzen ab, was die Selektivität erhöht. Langzeitstabilitätstests (Abb. 7b) ergeben 83 % Erhalt nach 30 Tagen und 9,8 % Verlust nach 2000 s Dauerbetrieb. Fünf unabhängig gefertigte Elektroden zeigen einen RSD von 3,12 % für 0,1 mM Glucose, und Wiederholungsmessungen an einer Elektrode ergeben einen RSD von 2,36 %, was exzellente Reproduzierbarkeit bestätigt.

a Successive Zugabe von 50 µM Glucose und 5 µM Interferenzen bei 0,6 V. b Langzeit- und Laufzeitstabilität. c Fünf-Elektroden-Reproduzierbarkeit. d Zehn-Messungs-Reproduzierbarkeit.

Detektion in menschlichem Serum

NiO HPA wurde zur Quantifizierung von Glucose in verdünntem menschlichem Serum angewendet. Der Sensor erreichte einen relativen Standardabweichung von 2,85 % und Rückgewinnungsraten zwischen 92 % und 102 %, was praktische Anwendbarkeit und Übereinstimmung mit klinischen Standards demonstriert.

Schlussfolgerungen

Wir haben erfolgreich einen hohl-porösen NiO-Elektrokatalysator über eine CEP-Route hergestellt, der außergewöhnliche Glucosesensing-Leistung liefert: Empfindlichkeit von 1323 µA mM⁻¹ cm⁻², LOD von 0,32 µM, < 8,7 % Interferenz und > 83 % Stabilität über 30 Tage. Die hohl-poröse Architektur bietet reichlich aktive Stellen, geordnete Diffusionspfade und kurze Elektronentransferdistanzen, die gemeinsam die elektrokatalytische Kinetik steigern. Diese Ergebnisse unterstreichen das hohl-poröse Design als generelle Strategie für die Entwicklung kostengünstiger, hochleistungsfähiger nichtenzymatischer Glucosesensoren.