Gevoelige, niet-enzymatische elektrochemische glucosedetectie op basis van hol poreus NiO

Abstract

Overgangsmetaaloxiden (TMO's) hebben uitgebreide onderzoeksaandacht getrokken als veelbelovende elektrokatalytische materialen. Ondanks lage kosten en hoge stabiliteit kan de elektrokatalytische activiteit van TMO's nog steeds niet voldoen aan de eisen van toepassingen. Geïnspireerd door kinetiek, wordt het ontwerp van een holle poreuze structuur beschouwd als een veelbelovende strategie om superieure elektrokatalytische prestaties te bereiken. In dit werk werd kubische NiO holle poreuze architectuur (NiO HPA) geconstrueerd door middel van het coördinerende ets- en precipitatieprincipe (CEP) gevolgd door nacalcinatie. De NiO HPA-elektrode wordt gebruikt om glucose te detecteren en vertoont een uitstekende elektrokatalytische activiteit in termen van hoge gevoeligheid (1323 μA mM⁻¹ cm⁻² ) en lage detectielimiet (0,32 μM). De uitstekende elektrokatalytische activiteit kan worden toegeschreven aan een groot specifiek oppervlak (SSA), geordende diffusiekanalen en versnelde elektronenoverdrachtssnelheid afgeleid van de unieke holle poreuze kenmerken. De resultaten tonen aan dat de NiO HPA praktische toepassingen zou kunnen hebben bij het ontwerp van niet-enzymatische glucosesensoren. De constructie van holle poreuze architectuur biedt een effectieve strategie voor nano-engineering voor hoogwaardige elektrokatalysatoren.

Achtergrond

Detectie van glucose met een snel, nauwkeurig en goedkoop proces is belangrijk voor klinische biochemie, farmaceutische analyse, voedingsindustrie en milieumonitoring [1,2,3]. Onder de vele technieken wordt elektrochemische detectie beschouwd als een van de meest geschikte benaderingen vanwege de hoge gevoeligheid, lage kosten en aantrekkelijke lagere detectielimiet [4,5,6]. De gebruikelijke op glucose-oxidase gebaseerde elektrochemische sensoren worden echter beperkt door het nadeel van onvoldoende stabiliteit als gevolg van de aard van enzymen [7,8,9]. Om deze problemen aan te pakken, werden aard-overvloedige elektrokatalysatoren op basis van TMO's aanbevolen vanwege hun lagere kosten, fysisch-chemische stabiliteit en redox-elektroactiviteit [10,11,12]. De algehele elektrokatalytische activiteit van conventionele TMO's is echter nog ver verwijderd van de vereisten van toepassingen. Het is nog steeds een uitdaging om rationeel hoogactieve TMO-elektrokatalysatoren voor glucose te ontwerpen.

Over het algemeen speelt het kinetiekproces een beslissende rol in de elektrokatalytische activiteit van gevestigde elektrokatalytische materialen. Geïnspireerd door de nauwe band tussen kinetiek en microstructuren, kan verbeterde elektrokatalytische activiteit worden bereikt door de engineering van microstructuren, inclusief oppervlakte, poriestructuur en architectuurkenmerken [13, 14]. De poreuze structuur biedt een groot specifiek oppervlak (SSA) en biedt hoeveelheden actieve plaatsen. Bovendien biedt de poreuze structuur ook voldoende diffusiekanalen voor analyt en tussenproducten, wat gunstig is voor het massatransportproces [15, 16]. Aan de andere kant kunnen holle structuren die functionele schillen en binnenruimten combineren een groter elektrolyt-elektrode contactoppervlak bieden en de lengte voor zowel massa- als elektronentransport verminderen [17]. Bovendien voorkomen de beschikbare binnenholten effectief de aggregatie van elektroactieve nanodeeltjes en accommoderen ze de volumeverandering en structurele belasting die gepaard gaan met herhaalde metingen [18]. Concluderend kunnen hoogactieve TMO-elektrokatalysatoren worden verkregen door het ontwerp van holle poreuze architectuur.

Als typisch overgangsmetaaloxide werd NiO gerapporteerd als een efficiënte katalysator voor elektro-oxidatie van glucose vanwege het redoxpaar van Ni³⁺ /Ni²⁺ in alkalisch medium, wat mogelijke toepassingen in elektrochemische glucosesensoren impliceert. In dit werk werd kubieke NiO HPA geconstrueerd via een Cu₂ Coördinerende ets- en precipitatiemethode (CEP) met O-matrijs en nacalcinering. De holle poreuze structuur zorgt voor grote SSA, goed gedefinieerde inwendige holtes, overvloedige geordende overdrachtskanalen en een hoge efficiëntie van elektronenoverdracht. De NiO HPA-elektrode wordt gebruikt om glucose te detecteren en heeft een hogere gevoeligheid en een lagere detectielimiet in vergelijking met gebroken NiO HPA (NiO BHPA), wat de voordelen van de holle poreuze architectuur aantoont. Deze gemakkelijke strategie om holle poreuze architectuur te construeren, biedt een valide methode voor de ontwikkeling van zeer efficiënte nanomaterialen voor elektrochemische sensoren.

Experimenteel

Materialen

CuCl₂ ·2H₂ O, NiCl₂ ·6H₂ O, Na₂ S₂ O₃ ·5H₂ O, polyvinylpyrrolidon (PVP, M _w = 40.000), en NaOH werd gekocht bij Chengdu Kelong. Glucose (Glu.), lactose (Lact.), sucrose (Sucr.), fructose (Fruc.), L-ascorbinezuur (AA), urinezuur (UA) en Nafion-oplossing (5 gew.% in mengsel van lagere alifatische alcoholen en water) werden zonder verdere zuivering bij Sigma-Aldrich gekocht.

Synthese van Cu₂ O-sjabloon

De kubieke Cu₂ O-sjablonen werden gesynthetiseerd volgens ons eerdere werk [19]. In deze typische procedure werd 20 ml NaOH (2 M) druppelsgewijs toegevoegd aan 200 ml CuCl₂ ·2H₂ O (10 mM) onder roeren bij 55 ° C. Na 0,5 uur werd 4 ml AA (0,6 M) druppelsgewijs in de bovenstaande oplossing gebracht. De suspensie werd gedurende 3 uur verder verouderd en meerdere malen gewassen met water door middel van centrifugeren. Het XRD-patroon en SEM- en TEM-afbeeldingen worden weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1.

Synthese van NiO HPA

NiO HPA werd gesynthetiseerd door een CEP-methode. Eerst Cu₂ O (10 mg) en NiCl₂ ·6H₂ O (3 mg) werd gedurende 7 minuten door middel van ultrasone trillingen gedispergeerd in 10 ml ethanol-water gemengd oplosmiddel (volumeverhouding =-1:1). Vervolgens werd PVP (0,33 g) gedurende 30 minuten onder krachtig roeren aan de oplossing toegevoegd. Vier milliliter Na₂ S₂ O₃ (1 M) is in het systeem gedropt; de reactie werd gedurende 3 uur bij kamertemperatuur voortgezet totdat de kleur van de suspensie veranderde van rood in lichtgroen. De Ni(OH)₂ voorloper werd verschillende keren gewassen met warm ethanol-water en gedroogd bij kamertemperatuur. Ten slotte werd NiO HPA achtereenvolgens verkregen onder een luchtatmosfeer bij 400 ° C gedurende 2 uur met een langzame hellingssnelheid van 1 ° C / min. NiO BHPA werd verkregen door een sterke ultrasone behandeling van NiO HPA gedurende 2 uur.

Materiële karakteriseringen

De samenstelling en structuur van de producten werden gekenmerkt door röntgendiffractie (XRD, Rigaku D/Max-2400). De samenstelling werd verder geanalyseerd met röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS, ESCALAB250Xi) met de C 1s-pieken bij 284,8 eV als interne standaard. De morfologieën en microstructuren van de producten werden waargenomen met behulp van veldemissie scanning elektronenmicroscoop (FESEM, FEI Quanta 250, Zeiss Gemini 500) en transmissie-elektronenmicroscoop met hoge resolutie (HRTEM, FEI F20). Brunauer-Emmett-Teller (BET, Belsort-max) werd toegepast om het specifieke oppervlak en de poriestructuur te analyseren.

Elektrochemische metingen

Alle elektrochemische metingen werden uitgevoerd in 0,1 M NaOH op een μIII Autolab elektrochemisch werkstation. Een configuratie met drie elektroden met NiO HPA (of NiO BHPA) gemodificeerde glasachtige koolstofelektrode (GCE, Ф = 3 mm) als de werkelektroden en Ag/AgCl (in verzadigde KCl) en platinaschijfelektrode (Ф = 2 mm) als respectievelijk de referentie-elektrode en tegenelektrode. Typisch werd GCE gepolijst met aluminiumoxideslurry (3, 0,5 en 0,05 m). Vervolgens werd de NiO HPA (10 mg) opgelost in een mengsel van 0,1 ml Nafion en 0,9 ml gedestilleerd water. Ten slotte werd 5 μL van het mengsel op de voorbehandelde GCE gedruppeld (70,77 μg/cm² ) en gedroogd bij kamertemperatuur. NiO BHPA-gemodificeerde GCE werd ook onder dezelfde omstandigheden bereid om de voordelen van NiO HPA te verifiëren. De gemodificeerde elektroden werden gemeten met cyclische voltammetrie (CV), chronoamperometrie (CA) en elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) om de elektrokatalytische activiteit ervan te evalueren. EIS-metingen werden uitgevoerd over het frequentiebereik tussen 0,01-100 kHz met een verstoringsamplitude van 5 mV versus het open-cirkelpotentieel.

Resultaten en discussie

Karakteriseringen

Zoals getoond in Fig. 1a, komen de diffractiepieken op 37,21 °, 43,27 °, 62,87 ° en 75,42 ° overeen met (111), (200), (220) en (311) facetten van vlakgecentreerde kubische NiO ( JCPDS.nr.47-1049) [20]. Er zijn geen andere diffractiepieken die de zuiverheid van de producten aangeven. XPS werd verder gebruikt om de elementsamenstelling en oxidatietoestand van NiO HPA te analyseren. Het onderzoeksspectrum (Fig. 1b) toont O 1s- en Ni 2p-pieken bij respectievelijk 531,5 en 855,7 eV, waardoor de belangrijkste elementen van de producten worden onthuld. In het Ni 2p-spectrum (Fig. 1c, zie montageregels in Aanvullend bestand 1:Tabel S1), twee hoofdpieken op 855.8 eV (Ni 2p_3/2 ) en 873,5 eV (Ni 2p_1/2 ) met een spin-energiescheiding van 17,7 eV zijn duidelijk onderzocht, wat het kenmerk is van de NiO-fase [21]. De satellietpieken van Ni 2p_3/2 en Ni 2p_1/2 bevinden zich op respectievelijk ongeveer 861,5 en 880,0 eV. Uit figuur 1d (zie montageregels in aanvullend bestand 1:tabel S2), is de montagepiek van O1 bij 529,8 eV de Ni-O-binding in Ni-OH-soorten. O2-piek bij een bindingsenergie van 831,3 eV wordt meestal geassocieerd met chemisch gesorbeerde zuurstof, hydroxylen en ondergecoördineerde roosterzuurstof. De piek van O3 bij 532,7 eV is de veelheid van fysisch en chemisch gesorbeerd water op/nabij het oppervlak [22,23,24]. De analyse van XPS en XRD bevestigen de succesvolle voorbereiding van NiO.

een XRD-patroon van bereid NiO HPA. XPS-spectra voor de producten b enquête, c Ni 2p, en d O 1s

De morfologieën van Ni(OH)₂ voorloper (aanvullend bestand 1:figuur S2) en NiO HPA (figuur 2) werden duidelijk waargenomen door SEM en TEM. De SEM-afbeeldingen (Fig. 2a, b) van zoals verkregen NiO presenteren een uniform kubisch kenmerk met een randlengte van ongeveer 600 nm. Uit figuur 2c blijkt duidelijk dat de ruwe schil van NiO HPA bestaat uit hoeveelheden onderling verbonden fijne deeltjes. Zoals weergegeven in figuur 2d, is de rand van NiO-producten zwart en is de binnenkant doorschijnend. Gecombineerd met de SEM-waarnemingen in Fig. 2a-c, kunnen de kubieke holle kenmerken van de NiO-producten worden bevestigd. Zoals weergegeven in figuur 2e, is de schaaldikte van de kubus ongeveer 40 nm, wat dunner is dan die van Ni(OH)₂ voorloper (ongeveer 60 nm). De krimp van de schaaldikte wordt toegeschreven aan het verlies van H₂ O in de voorloper na warmtebehandeling. In figuur 2f is de afstand voor gemarkeerde aangrenzende roosterranden respectievelijk ongeveer 0,21 en 0,24 nm, wat overeenkomt met (200) en (111) facetten van NiO. De geselecteerde oppervlakte-elektronendiffractie (SAED) ringen kunnen worden geïndexeerd op (111), (200) en (220) facetten van NiO binnen en buiten, wat goed overeenkomt met de XRD-resultaten [25]. Bovendien vertonen de elementaire afbeeldingsafbeeldingen in figuur 2g een oppervlakterijke verdeling van Ni en O. Zoals weergegeven in figuur 2h, toont het lijnscan EDX-profiel de uniforme distributie nabij het oppervlak van O en Ni, wat de holle architectuur opnieuw bevestigt. NiO HPA zou voldoende actieve sites en overvloedige diffusiekanalen bieden, die het massaoverdrachtsproces voor elektrolyt en glucose bevorderen. Bovendien verkort de dunne schil van NiO HPA blijkbaar de overdrachtsafstand van elektronen en versnelt de overdrachtssnelheid, waardoor NiO HPA veelbelovende elektrokatalytische activiteit krijgt.

een –c SEM en d , e TEM-beelden van NiO HPA. v Het HRTEM-beeld van NiO HPA. g De STEM- en EDX-afbeeldingsafbeeldingen van een NiO HPA-kubus. u De line-scan EDX-spectra van een NiO HPA-kubus

Om het relevante vormingsmechanisme te begrijpen, werd het precipitaat bereid op 0, 10, 20, 30 en 180 minuten verzameld en geobserveerd door TEM. Zoals weergegeven in Fig. 3a, is de massieve kubieke Cu₂ O-kristal heeft een randlengte van ongeveer 600 nm. Met de introductie van S₂ O₃ ²⁻ , de coördinerende ets van Cu₂ O komt bij voorkeur voor op de hoek vanwege de hogere diffusie-intensiteit [26]. Naarmate de reactie vordert, wordt het inwendige Cu₂ O-sjablonen krimpen aanzienlijk tot een octaëderachtige structuur totdat ze volledig zijn verwijderd. Zoals waargenomen in figuur 3b, wordt de kleur van het reactiesysteem geleidelijk ondiep en worden tegelijkertijd de lichtgroene precipitaten gegenereerd. In combinatie met TEM-resultaten werden de algemene CEP-route en het vormingsmechanisme geïllustreerd in figuur 3c. Het CEP-mechanisme kan als volgt worden beschreven:(i) Cu⁺ geeft er de voorkeur aan oplosbaar [Cu₂ . te vormen (S₂ O₃ ²⁻ )_x ]^2 − 2x complex door de combinatie met S₂ O₃ ²⁻ (reactie (1)) en tegelijkertijd OH⁻ is vrijgegeven; (ii) De gedeeltelijke hydrolyse van S₂ O₃ ²⁻ bevordert de aanvoer van OH⁻ (reactie (2)). (iii) Reacties (1) en (2) sturen reactie (3) synchroon van links naar rechts, waardoor de vorming van Ni(OH)₂ wordt vergemakkelijkt schelp [27]. Wat betreft kinetische factoren, de etssnelheid van Cu₂ O hangt af van de verspreiding van S₂ O₃ ²⁻ van buiten naar binnen en de groeisnelheid van Ni(OH)₂ shell is gecorreleerd met het transport van OH⁻ van binnen naar buiten [28]. Synchroon regelen van etssnelheid richting Cu₂ O en precipitatiesnelheid van Ni(OH)₂ shell leidt tot de vorming van goed gedefinieerde holle Ni(OH)₂ voorloper. NiO HPA wordt uiteindelijk verkregen door de nacalcinering van Ni(OH)₂ voorloper.

$$ {\mathrm{Cu}}_2\mathrm{O}+x{\mathrm{S}}_2{\mathrm{O}}_3^{2-}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{ O}\naar {\left[{\mathrm{Cu}}_2{\left({\mathrm{S}}_2{\mathrm{O}}_3\right)}_x\right]}^{2-2x }+2{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-} $$ (1) $$ {\mathrm{S}}_2{\mathrm{O}}_3^{2-}+{\ mathrm{H}}_2\mathrm{O}\rightleftharpoons {\mathrm{H}\mathrm{S}}_2{\mathrm{O}}_3^{2-}+{\mathrm{O}\mathrm{H }}^{-} $$ (2) $$ {\mathrm{Ni}}^{+}+2{\mathrm{OH}}^{-}\to \mathrm{Ni}{\left(\mathrm {OH}\right)}_2 $$ (3)

een TEM-beelden van de producten werden op verschillende reactietijden gecontroleerd. b Optische foto's van de suspensie bij verschillende reactietijden na toevoeging van etsmiddel. c Schematische weergave van het voorgestelde groeimechanisme van NiO HPA

Het oppervlak en de porositeit van NiO HPA en NiO BHPA (aanvullend bestand 1:figuur S3) werden ook gekenmerkt door de BET-methode. NiO HPA heeft een SSA van 27,08 m² /g en een porievolume van 0,087 cm³ /g (Fig. 4a), dat veel groter is dan de gerapporteerde NiO-materialen [29]. Wat betreft de poriegrootteverdeling, presenteert NiO HPA voornamelijk een geconcentreerde verdeling rond 7 nm, wat gerelateerd is aan de geordende kanalen tussen NiO-nanodeeltjes. De grote SSA en geordende kanalen kunnen de absorptie van analyt en het massatransportproces effectief verbeteren, wat leidt tot verbeterde elektrokatalytische activiteit. De SSA en het porievolume van het gebroken monster zijn 5,24 m² /g en 0,078 cm³ /g (Fig. 4b), die veel kleiner is dan die van NiO HPA. Dit kan worden toegeschreven aan de ineenstorting van de oorspronkelijke holle structuur na ultrasone behandeling. Er wordt met name geen geconcentreerde porieverdeling waargenomen voor NiO BHPA (inzet van figuur 4b), wat wijst op volledige vernietiging van geordende diffusiekanalen. De afname van SSA en vernietiging van geordende diffusiekanalen zijn nadelig voor de kinetiek, wat kan resulteren in een slechte elektrokatalytische activiteit. Dienovereenkomstig bezit NiO HPA gunstige microstructuren voor elektrokatalyse in vergelijking met de gebroken monsters.

N₂ adsorptie-desorptie-isothermen van a NiO HPA en b NiO BHPA. Inzet van a en b zijn respectievelijk de corresponderende poriegrootteverdeling

Elektrochemische prestaties

Figuur 5a toont de CV's van NiO HPA- en NiO BHPA-elektroden met en zonder 1 mM glucose. Een paar goed gedefinieerde pieken op 0,48 en 0,38 V worden duidelijk onderzocht in curve III, die gerelateerd zijn aan Ni²⁺ /Ni³⁺ redox paar. De redoxpiekstroom van curve III is duidelijk hoger dan die van curve I. Dit hangt samen met de ineenstorting van de holle architectuur en de afname van SSA. Bij de toevoeging van glucose worden duidelijk stroomreacties waargenomen op beide elektroden (kromme II en IV). NiO HPA-elektrode vertoont een hogere stroomrespons dan die van NiO BHPA-elektrode. Bovendien is het beginpotentieel voor elektro-oxidatie van glucose op NiO HPA-elektrode (0,43 V) lager dan die van NiO BHPA-elektrode (0,46 V), wat een hogere elektrokatalytische activiteit onthult. De hoge elektrokatalytische activiteit wordt toegeschreven aan grote hoeveelheden actieve plaatsen, geordende poriestructuur en hoge elektronenoverdrachtssnelheid die wordt geboden door de holle poreuze structuur. De elektro-oxidatie van glucose op NiO HPA-elektrode wordt aangedreven door Ni²⁺ /Ni³⁺ redoxkoppel in alkalisch medium volgens de volgende reacties [30, 31]:

$$ \mathrm{NiO}\to {\mathrm{Ni}}^{2+}+{\mathrm{O}}^{2-} $$ (4) $$ {\mathrm{Ni}}^{ 2+}+{\mathrm{OH}}^{-}\to {\mathrm{Ni}}^{3+}+{e}^{-} $$ (5) $$ {\mathrm{Ni} }^{3+}+\mathrm{glucose}\to {\mathrm{Ni}}^{2+}+\mathrm{gloconic}\ \mathrm{acid} $$ (6)

een CV's van NiO BHPA (I, II) en NiO HPA (III, IV) elektrode met (II, IV) en zonder (I, III) de aanwezigheid van 1 mM glucose in 0,1 M NaOH met een scansnelheid van 50 mV/s. b Nyquist diagrammen EIS en equivalent circuit van NiO HPA en NiO BHPA in 0,1 M NaOH-oplossing. c CV's van NiO HPA-elektrode met verschillende scansnelheden in 0,1 M NaOH met 1 mM glucose en d de relatie tussen piekstroom en vierkantswortel van scansnelheden

Zoals hierboven weergegeven, OH⁻ speelt een belangrijke rol in de elektrokatalytische reactie. Het is duidelijk dat alkalisch medium de redox van Ni²⁺ . versnelt /Ni³⁺ vergeleken met neutraal medium (aanvullend bestand 1:figuur S4), wat leidt tot hogere elektrokatalytische activiteit.

Nyquist-grafieken van NiO HPA- en NiO BHPA-elektroden werden weergegeven in figuur 5b. Elke plot wordt gekenmerkt door een halve cirkel in het hoogfrequente gebied en een rechte lijn in het laagfrequente gebied. Over het algemeen vertegenwoordigt het snijpunt op de reële as de oplossingsweerstand (R _s ), die is samengesteld uit intrinsieke weerstand, ionische weerstand en contactweerstand. De halve cirkeldiameter gerelateerd aan de weerstand tegen elektronenoverdracht wordt weergegeven door R _ct . Zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Tabel S3 vertoont NiO HPA-elektrode een kleinere R _s en R _ct dan NiO BHPA. De feiten kunnen worden toegeschreven aan de gunstige kinetiek van elektronenoverdracht die is afgeleid van het holle kenmerk. De helling van de impedantiegrafiek in het lage frequentiebereik komt overeen met de Warburg-impedantie (Z _w ), die de diffusieweerstand weergeeft [32]. Het is duidelijk dat NiO HPA de diffusiekinetiek bevordert; de NiO BHPA belemmert echter de diffusie van elektrolyt. Dit kan worden toegeschreven aan de vernietiging van de geordende diffusiekanalen na ultrasoon. Op basis van bovenstaande EIS-discussies is de NiO HPA-elektrode gunstiger voor zowel de elektronen- als de massaoverdrachtskinetiek in vergelijking met het gebroken monster, wat de voordelen van NiO HPA als elektrokatalysator voor glucose impliceert.

De kinetiek van NiO HPA-elektrode werd bepaald uit de CV's met verschillende scansnelheden in 1 mM glucose-oplossing (figuur 5c). Zoals weergegeven in figuur 5d, zijn de anodische en kathodische piekstromen evenredig met de vierkantswortel van scansnelheden, wat een typisch diffusie-gecontroleerd dynamisch proces aantoont. Verder wordt er geen significante positieve/negatieve verschuiving waargenomen voor anodische/kathodische piek, wat impliceert dat een ongehinderde diffusiekinetiek afkomstig is van de holle poreuze structuur.

De selectiviteit, reproduceerbaarheid en stabiliteit van NiO HPA-elektroden

Om een geoptimaliseerd werkpotentieel te verkrijgen, werd rekening gehouden met de huidige respons van glucose en interferentie van AA onder verschillende potentialen en werden de gegevens weergegeven in Fig. 6a. Uit de statistische gegevens in Fig. 6b werd 0,6 V geselecteerd door het feit dat de NiO HPA-elektrode een maximale stroomrespons op glucose en minimale interferentie met AA bij 0,6 V vertoont. Afbeelding 6c toont de typische amperometrische responsen van NiO HPA en NiO BHPA op verschillende glucoseconcentratie bij 0,6 V. Er worden duidelijk opmerkelijke stroomreacties waargenomen voor de twee elektroden, en de stroomreacties nemen toe naarmate de glucoseconcentratie toeneemt. Afbeelding 6d geeft de relatie weer tussen responsstromen en glucoseconcentratie voor NiO HPA- en NiO BHPA-elektroden. NiO HPA-elektrode heeft een lineair bereik van 0,32 tot 1100 μM met een gevoeligheid van 1323 μA mM⁻¹ cm⁻² , wat hoger is dan die van NiO BHPA-elektrode (753 μA mM⁻¹ cm⁻² ). Bovendien is de detectielimiet (LOD) van NiO HPA-elektrode (0,32 M) veel lager dan die van NiO BHPA (14,2 M). Om de voordelen van NiO HPA te demonstreren, werden de prestaties van de NiO HPA-elektrode vergeleken met andere gerapporteerde op NiO gebaseerde glucosedetectie-elektroden in tabel 1. Het is gebleken dat de NiO HPA-elektrode een bevredigende elektrokatalytische activiteit ten opzichte van glucose vertoont in termen van hoge gevoeligheid en lage LOD , wat wijst op mogelijke toepassingen in elektrochemische glucosesensoren. Dit wordt in wezen toegeschreven aan de overvloedige actieve plaatsen, snellere massatransportkinetiek en versnelde elektronenoverdrachtskinetiek afgeleid van de zeer poreuze holle architectuur.

een Amperometrische respons van NiO HPA-elektrode bij verschillende potentialen met toevoeging van 0,1 mM glucose en 0,01 mM AA. b De responsstroom van glucose en AA bij verschillende potentialen. c CA van NiO HPA en NiO BHPA-elektrode bij 0,6 V met de opeenvolgende toevoeging van glucose. d De relatie tussen responsstroom en de glucoseconcentratie

Selectiviteit is een belangrijke indicator om de prestaties van glucosesensoren te beoordelen. Sommige gemakkelijk geoxideerde verbindingen, zoals Lact., Sucr., Fruc., UA en AA, bestonden normaal gesproken naast glucose in menselijk bloed. Met name het fysiologische niveau van deze storende soorten is ongeveer een tiende van de glucoseconcentratie [33]. Zo werd de selectiviteit van NiO HPA-elektrode geëvalueerd door 0,01 mM boven interfererende soorten te introduceren tijdens amperometrische meting naar 0,1 mM glucose. Zoals weergegeven in figuur 7a, is er geen ernstige interferentie waargenomen voor Lact., Sucr., Fruc. en UA. De belangrijkste interfererende soorten AA vertonen slechts 8,7% interferentiestroom naar glucose. Bovendien behoudt de tweede toevoeging van 50 μM glucose nog steeds ongeveer (89 ± 0,2)% van zijn oorspronkelijke respons, wat wijst op uitstekende anti-interferentieprestaties. De uitstekende selectiviteit kan worden toegeschreven aan het elektrostatische afstotende effect tussen NiO HPA-elektrode en storende soorten. NiO HPA-elektrode zou negatief geladen zijn in 0,1 M NaOH omdat de pH van elektrolyt boven het iso-elektrische punt van NiO ligt [34]. Bovendien zijn de belangrijkste interfererende soorten (AA) gemakkelijk om protonen te verliezen in alkalische oplossing en hebben ze een negatief geladen schil [35]. De elektrostatische afstoting tussen de schil van interfererende stof en NiO HPA-elektrode leidt tot verbeterde selectiviteit. De stabiliteit van de NiO HPA-elektrode werd geschat door de huidige respons op 0,1 mM glucose gedurende 30 dagen te meten. In figuur 7b behoudt de huidige respons na 30 dagen nog steeds 83,13% van zijn initiële respons, wat een uitstekende langetermijnstabiliteit van de NiO HPA-elektrode bij kamertemperatuur onthult. De huidige respons van NiO HPA-elektrode op 0,1 mM glucose is stabiel gedurende een operatietijd van 2000 s met een verlies van 9,82% van de oorspronkelijke respons. De vijf onafhankelijk geprepareerde NiO HPA-elektroden vertonen een acceptabele RSD van 3,12% voor huidige responsen op 0,1 mM glucose bij 0,6 V. Bovendien werden de huidige responsen voor dezelfde NiO HPA-elektrode op 0,1 mM glucose tien keer gemeten en de huidige responsen vertonen een RSD van 2,36%, wat een opmerkelijke reproduceerbaarheid aantoont. De NiO HPA-elektrode drukt een hoge gevoeligheid, uitstekende stabiliteit en opmerkelijke reproduceerbaarheid uit, wat hem aantrekkelijk maakt voor praktische toepassingen.

een De huidige respons van NiO HPA-elektrode op opeenvolgende toevoeging van 50 M glucose en 5 μM storende soorten bij een toegepaste potentiaal van 0,6 V. Inzet zijn de statistische gegevens van de interferentiestroom. b Langetermijnstabiliteit van NiO HPA-elektrode voor 0,1 mM glucose. Inzet is de stabiliteit van NiO HPA-elektrode met de looptijd. c Huidige reacties van vijf NiO HPA-elektroden op 0,1 mM glucose. d Tien metingen van een NiO HPA-elektrode naar 0,1 mM glucose

Detectie van glucose in menselijk serum

NiO HPA-elektrode werd verder toegepast om het glucosegehalte in menselijk bloed te detecteren en de resultaten werden vergeleken met medische apparatuur (tabel 2). De serummonsters werden geleverd door een plaatselijk ziekenhuis en vóór metingen verdund met alkalische elektrolyten [36, 37]. De responsstroom gemeten bij 0,6 V werd geregistreerd om de overeenkomstige glucoseconcentratie te berekenen volgens de werkvergelijking. NiO HPA-elektrode vertoont een RSD van 2,85% voor detectie van glucose. Bovendien vertoont de NiO HPA-elektrode een geaccrediteerd herstel tussen 92 en 102%, wat een uitstekende uitvoerbaarheid aantoont bij de bepaling van glucose in menselijk serum.

Conclusies

Samenvattend hebben we met succes een NiO HPA-elektrokatalysator voor glucose gefabriceerd via een CEP-methode. De NiO HPA biedt een grote SSA, een geordende poriestructuur en een korte elektronische overdrachtsroute, die gunstig zijn voor de elektrokatalytische kinetiek. Als niet-enzymatische glucosedetectie-elektrode vertoont NiO HPA een hogere gevoeligheid van 1323 μA mM⁻¹ cm⁻² en lagere LOD van 0,32 μM vergeleken met NiO BHPA. In de term selectiviteit wordt minder dan 8,7% interferentie onderzocht voor de veelvoorkomende interfererende soorten. Tegelijkertijd behoudt de NiO HPA-elektrode na 30 dagen 89,02% van zijn oorspronkelijke respons. Bovendien werd de ontworpen NiO HPA met succes toegepast om glucose in menselijk serum te detecteren. NiO HPA biedt geaccrediteerde stabiliteit en bruikbaarheid in vergelijking met medische apparatuur. Het ontwerp van een holle poreuze architectuur maakt een zeer efficiënte manier mogelijk om goedkope en hoogwaardige elektrokatalysatoren voor glucose te verkrijgen.

Atomic-Layer-Deposition van indiumoxide nanofilms voor dunnefilmtransistors Vervaardiging, karakterisering en biologische activiteit van avermectine nano-afgiftesystemen met verschillende deeltjesgroottes

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal