Poreus koolstofsubstraat dat de waarnemingsprestaties van kopernanodeeltjes in de richting van glucose verbetert

Abstract

Een nauwkeurige sensor om snel de glucoseconcentratie te bepalen is van groot belang voor de gezondheid van het menselijk lichaam, aangezien diabetes wereldwijd een zeer frequent voorkomend fenomeen is geworden. In dit werk werden kopernanodeeltjes ondergebracht in poreuze koolstofsubstraten (Cu NP@PC), gesynthetiseerd door het calcineren van de filterpapieren geïmpregneerd met koperionen bij hoge temperatuur, ontworpen als de elektrode-actieve materialen voor elektrochemische detectie van glucose. Tijdens de vorming van poreuze koolstof werden de koperen nanodeeltjes spontaan ondergebracht in de gevormde holtes en vormden de halfbedekte composieten. Voor de elektrochemische glucose-oxidatie vertonen de bereide Cu NP@PC-composieten een veel superieure katalytische activiteit met een stroomdichtheid van 0,31 mA/cm² bij de potentiaal van 0,55 V in aanwezigheid van 0,2 mM glucose. Op basis van de hoge elektrochemische oxidatie-activiteit vertonen de huidige Cu NP@PC-composieten ook een superieure glucosewaarneming. De gevoeligheid is vastgesteld op 84,5 μA /(mmol^. L) met een lineair bereik van 0,01 ~ 1,1 mM en een lage detectielimiet (LOD) van 2,1 μmol/L. Vergeleken met dat van niet-poreuze, door koolstof ondersteunde kopernanodeeltjes (Cu NP/C), kan dit redelijk zijn door de verbeterde massaoverdracht en het versterkte synergetische effect tussen koperen nanodeeltjes en poreuze koolstofsubstraten.

Inleiding

Diabetes heeft de afgelopen jaren wereldwijd veel aandacht gekregen en bevordert de snelle en nauwkeurige bepaling van de glucoseconcentratie [1]. Er zijn verschillende technieken ontwikkeld [2]. Met de voordelen van eenvoudige bediening, snelle respons en hoge gevoeligheid, zijn elektrochemische methoden van bijzonder belang bij glucosemeting, en de actieve materialen van de elektrode zijn van het grootste belang voor de sensoren [3, 4]. Tot dusverre omvatten de gerapporteerde materialen met een goede glucoseresponsactiviteit edele metalen (goud [4], zilver [5], platina [6], palladium [7]), niet-edelmetaal (koper [8], nikkel [9] ), metaaloxiden (zinkoxide [10], mangaanoxide [11], nikkeloxide [12], ijzeroxide [13]), en koolstofmaterialen (koolstof nanobuisjes [14], koolstof nanodots [15], mesoporeuze koolstof [16 ]), enz. Onder deze materialen laten op koper gebaseerde composieten het grote potentieel zien voor het bouwen van een efficiënt detectieplatform voor glucose, als gevolg van de lage kosten [3], goede elektrische geleidbaarheid [17], het gecontroleerde specifieke oppervlak. Ondertussen is gemeld dat de elektrochemische prestaties van op koper gebaseerde materialen aanzienlijk zullen worden verbeterd door composieten te vormen met koolstofhoudende substraten zoals grafeem [18, 19], koolstofnanovezels [20], koolstofnanobuisjes [21] en mesoporeuze koolstoffen [22] . Zhang et al. bereidde de koperen nanodeeltjes op laser-geïnduceerde grafeencomposieten en ontwikkelde met succes een flexibele enzymvrije glucose amperometrische biosensor. De sensor profiteerde van zijn eenvoud en hoge gevoeligheid en zou naar verwachting worden gebruikt in draagbare of implanteerbare biosensoren [23]. Met behulp van de boogontladingsmethode werden de composietmaterialen van CuO en enkelwandige koolstofnanobuizen gesynthetiseerd door de groep van Wang. Het sterk geleidende netwerk, mogelijk gemaakt door koolstofnanobuisjes, leidde tot een hoge gevoeligheid en goede selectiviteit bij het meten van glucose [21]. Vanwege de goede geleidbaarheid van koperen nanodraden en snelle elektronenoverdracht in tweedimensionale lagen van gereduceerd grafeenoxide (rGO), hebben Ju et al. synthetiseerde een composiet van eendimensionale koperen nanodraden en tweedimensionale rGO-nanobladen, met een gevoeligheid van 1625 \(\upmu\)A/(mM·cm² ) en een detectielimiet van 0,2 \(\upmu\)M voor de detectie van glucose [3]. De vele prestatieverbeteringen van op koper gebaseerde materialen zijn bereikt, maar het is nog steeds niet genoeg voor de echte toepassingen van draagbare apparaten. Dit betekent dat het nodig is om nieuwe sjablonen of overeenkomsten voor koperen nanodeeltjes te zoeken.

Met de speciale driedimensionale raamwerkstructuur [24] hebben poreuze koolstoffen niet alleen overvloedige bindingsplaatsen om de dispersie van metaalactieve centra te bevorderen, maar bieden ze ook een groter specifiek oppervlak dat de toegankelijkheid van elektronen en reactieve stoffen verbetert [25,26 ,27]. In de afgelopen jaren zijn poreuze koolstoffen erkend als een type veelbelovende modificatie- en substraatmaterialen, die de elektrochemische detectieactiviteit van metalen materialen aanzienlijk kunnen verbeteren. Bijvoorbeeld, Li et al. onderzocht de composieten van Co₇ Fe₃ legering nanodeeltjes ingebed in poreuze koolstof nanosheets (Co₇ Fe₃ /NPCS's). De resultaten toonden een veel breed lineair bereik voor de detectie van glucose (van 0,001 tot 14,00 mM), vanwege het nanobegrensde effect van de poreuze koolstof [28]. Met behulp van de metaal-organische raamwerken (MOF's) als zelfopofferende sjablonen om poreuze koolstofmaterialen te bereiden, werden de nikkelnanodeeltjes ingebed op nanoporeuze koolstofnanostaafjes bereid door Jia et al. vertoonde goede glucosewaarnemingseigenschappen met de snelle responstijden (binnen 1,6 s) [29]. Song et al. construeerde een composiet (Cu@C-500) bestaande uit koperen nanodeeltjes uniform ingebed poreus koolstofbed door Cu MOF als grondstof te gebruiken. Vanwege de hiërarchische porositeit vertoonde het een hoge gevoeligheid en lage detectielimiet, en bood het een groot potentieel in glucosesensorapparaten [30]. Daarom wordt verwacht dat, met de unieke structurele en elektronische effecten, poreus koolstofmateriaal een uitstekende partner zal zijn voor het verder verbeteren van de elektrochemische prestaties van koperen nanomaterialen in de glucosemeting.

Hierin, in dit werk, werden de composieten van koperen nanodeeltjes ondergebracht in poreuze koolstofsubstraten ontworpen en gesynthetiseerd door het goedkope filterpapier geïmpregneerd met koperionen bij hoge temperatuur te calcineren. Tijdens het gesynthetiseerde proces vond tegelijkertijd de vorming van poreuze koolstof en de accommodatie van koperen nanodeeltjes plaats, wat kan worden aangetoond door scanning-elektronenmicroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie. Voor de elektrochemische metingen laten de resultaten zien dat de voorbereide monsters (Cu NP@PC) een hoge elektrokatalytische activiteit voor glucose-oxidatie vertonen met een stroomdichtheid van 0,31 mA/cm⁻² bij een potentiaal van 0,55 V in aanwezigheid van 0,2 mM glucose, wat veel beter is dan die van de Cu NP/C. Voor de glucosemeting is de gevoeligheid bepaald op 84,5 μA (mmol/L)⁻¹ en de detectielimiet wordt berekend op 2,1 mol/L, veel beter dan die van de meeste eerder gerapporteerde materialen. Bovendien werd de goede selectiviteit van aanwezige materialen ook aangetoond door het anti-interferentie-experiment.

Experimenteel

Reagentia

Kopernitraat (Cu(NO₃ )₂ ·3H₂ O, AR), ethanol (C₂ H₅ OH, 99,8%), glucose (C₆ H₁₂ O₆ , 96%), ureum (CH₄ N₂ O, AR, 99%), citroenzuur (C₆ H₈ O₇ , AR, 99,5%), ammoniumacetaat (CH₃ COONH₄ , AR), natriumchloride (NaCl, AR, 99,5%), kaliumhydroxide (KOH, AR, 85%). Alle hierboven genoemde reagentia werden gekocht bij Aladdin. De 5% D520 Nafion-oplossing verkregen van DuPont en het filterpapier werd gekocht van Hangzhou Fuyang BEIMU Pulp Co., Ltd. Carbonpapier van het Japanse Toray geleidend carbonpapier (TGP-060). Het water dat in het hele experiment is gebruikt, is ultrazuiver met een geleidbaarheid van 18,25 MΩ⋅cm.

Instrumenten

Röntgendiffractie (XRD) spectra werden verkregen van instrument X'Pert PRO MPD multifunctionele poeder röntgendiffractometer. Fouriertransformatie infraroodspectra (FT-IR) in het bereik van 1000-4000 cm⁻¹ werden opgenomen met de IS50 FT-IR-spectrometer. Raman-spectra werden gemeten in het inVia Qontor (Renishaw, VK) systeem bij een golflengte van 532 nm. Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS)-metingen werden uitgevoerd op een Thermo ESCALAB 250XI-spectrometer met een vermogen van 120 W. De morfologieën van het monster werden gekarakteriseerd door Hitachi S4800 scanning-elektronenmicroscoop (SEM) met een werkversnellingsspanning van 20 kV. De transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden werden verzameld van de Tecnai G2 F20. De Brunauer-Emmett-Teller (BET) -metingen werden uitgevoerd op het fysieke adsorptieapparaat met specifiek oppervlak (ASAP2020M).

Synthese van Cu NP@PC en Cu NP/C

Typisch werd de synthese van Cu NP@PC voltooid door pyrolyse in twee stappen bij hoge temperatuur. Eerst mochten de commerciële filterpapieren gedurende 1 uur bij 250 ° C worden voorbehandeld in een buisoven onder een stikstofatmosfeer. Vervolgens werd een stuk behandeld lichtgeel filtreerpapier ter grootte van 10 mm \(\times\) 50 mm gedrenkt in blauwe transparante kopernitraatoplossing met een concentratie van 0,1 M, en na 10 min eruit gehaald. Na drogen bij kamertemperatuur werd het filterpapier in een schone porseleinen boot gedaan en achtereenvolgens behandeld bij 180 ° C, 240 ° C, 900 ° C gedurende respectievelijk 2 uur, 2 uur en 1 uur in een buisoven onder stikstofbescherming. . Ten slotte werd het Cu NP@PC-product verzameld toen het systeem werd afgekoeld tot kamertemperatuur en werd het gemalen vóór elektrochemische tests. Voor de controlemonsters werd de synthese van Cu NP/C en zuivere koolstof volgens dezelfde procedure uitgevoerd, behalve dat de concentratie kopernitraat respectievelijk 0,2 M en 0 M was.

Elektrochemische metingen

In dit werk werden alle elektrochemische tests uitgevoerd op een CHI 760E elektrochemisch werkstation met een standaard systeem met drie elektroden bij kamertemperatuur. Voorafgaand aan het experiment werden verschillende stukken carbonpapier (5 mm × 5 mm) als stroomafnemers gespoeld met water, ethanol en een nacht gedroogd bij 60 ° C. Voor de bereiding van katalysatorinkt werd een monster van 10 mg (Cu NP@PC, Cu NP/C of pure koolstofpoeders) gemengd met ethanol, water en Nafion (5%) oplossing in een bepaalde verhouding van 10:10:1 tot een gelijkmatige dispersie vormen. Vervolgens werd de katalysatorinkt van 40 μL op een schoon carbonpapier gedruppeld met een lading van 1,6 mg/cm² , die als werkelektrode werd gebruikt. Een Ag/AgCl (verzadigde KCl) elektrode en een grafietstaaf werden respectievelijk als referentie-elektrode en tegenelektrode gebruikt. Voor de elektrochemische experimenten werden cyclische voltammetrie en lineaire sweep-voltammetrie toegepast om de potentiële prestaties van het bereide materiaal voor glucose-oxidatie kwalitatief te onderzoeken. De chronoamperometrie werd gebruikt om de detectieprestaties van het bereide materiaal kwantitatief te evalueren. In het hele proces werd 0,1 M KOH-oplossing gekozen als elektrolyt.

Resultaten en discussie

Zoals getoond in Fig. la, voor de synthese van doelmaterialen, liet de voorverwarmingsbehandeling de onstabiele onzuiverheden en vocht van het filterpapier verwijderen, waarbij de kleur veranderde in lichtgeel. Vervolgens werden, om de metalen nanodeeltjes te ondersteunen, het behandelde filterpapier geïnfiltreerd in de koperionenoplossing. Tijdens het calcinatieproces bij hoge temperatuur in een buisoven werden de koperatomen en kleine kristallieten gevormd. Omdat de kiemvorming en groeisnelheid van koperen nanodeeltjes lager is dan de pyrolysesnelheid van koolstof, kunnen deze aanvankelijke kopermicrokristallen de ontbinding en verdamping van koolstof katalyseren, wat leidt tot de vorming van gaten [31]. Ten slotte werden de bruinzwarte Cu NP@PC-monsters bereid. Merk op dat de overmatige concentratie van koperionen de kiemvormingssnelheid zal verhogen, wat de vorming van niet-poreuze koolstofmaterialen veroorzaakt. Om de componenten van het voorbereide monster te identificeren, werden röntgendiffractie (XRD) patronen verzameld, zoals weergegeven in figuur 1b. Zowel Cu NP@PC- als Cu NP/C-monsters vertonen de diffractiepieken van koper en koolstof. De drie scherpe karakteristieke pieken die zich onder diffractiehoeken van 43,2 °, 50,3 ° en 73,9 ° bevinden, kunnen respectievelijk worden toegeschreven aan de roostervlakken van (111), (200) en (220) van de koperen nanodeeltjes (PDF#04-0836) [32, 33]. De brede piek met het centrum rond 25° komt overeen met het (002) kristallijne vlak van de gegrafitiseerde koolstof, wat het elektronentransport in daaropvolgende elektrochemische reacties zal bevorderen [3, 25, 34]. Om de specifieke samenstellingen van koolstof te analyseren, werden de Raman-spectra van Cu NP@PC en Cu NP/C verzameld. Zoals getoond in Fig. 1c kunnen de D-band en G-band ondubbelzinnig worden bepaald door de piek rond 1350 cm⁻¹ en 1600 cm⁻¹ , respectievelijk [35]. Zoals gemeld wordt de G-band veroorzaakt door de relatieve beweging van sp ² koolstofatomen, terwijl de D-band verbonden is met de ademhalingsmodus van koolstofringen [36]. Hierin was de berekende D/G-bandverhouding van Cu NP@PC 0,899, hetzelfde als de waarde van Cu NP/C. Daarom is de verdeling van amorf koolstof en nanokristallijn grafiet vergelijkbaar in twee monsters. Dit duidt op bijna dezelfde componenten van twee bereide materialen, d.w.z. dat zowel Cu NP@PC als Cu NP/C bestaan uit koperen nanodeeltjes en koolstofstructuren. Om de microstructuurinformatie verder te onthullen, werden de FTIR-spectra van Cu NP@PC en Cu NP/C onderzocht. Zoals weergegeven in Fig. 1d, is te zien dat de signalen op 1734 cm⁻¹ en 1628 cm⁻¹ verschijnen in Cu NP@PC, wat kan worden toegeschreven aan de rektrilling van C=O [39] en de rektrilling van C–O [40]. Vergeleken met de Cu NP/C is de band op 2363 cm⁻¹ van de Cu NP@PC wordt toegeschreven aan koolstofdioxide in de lucht. Er werd een lichte absorptieband waargenomen bij 3466 cm⁻¹ van de Cu NP@PC en Cu NP/C kunnen worden toegeschreven aan de rektrilling van de O–H-binding in een watermolecuul [37].

een Schematische weergave van de voorbereiding van monsters van Cu NP@PC en Cu NP/C; b Het röntgendiffractiepatroon (XRD) van Cu NP@PC en Cu NP/C; c Raman-spectra van Cu NP@PC en Cu NP/C; en d FTIR-spectra van Cu NP@PC en Cu NP/C

Om de morfologieën en structuren van de bereide materialen te observeren, werden de scanning elektronenmicroscoop (SEM) experimenten uitgevoerd. Voor het Cu NP@PC-monster laat het SEM-beeld in Fig. 2a zien dat overvloedige gaten willekeurig zijn verdeeld over het oppervlak van de koolstoflaag, en de koperen nanodeeltjes bevinden zich gewoon in deze gaten. Figuur 2b laat zien dat bijna alle koperen nanodeeltjes half binnen en half buiten zijn. Zoals is gemeld, omvat de elektrochemische reactie gewoonlijk elektronen- en massatransport. De helft van de binnenkant zal dus bevorderlijk zijn voor elektronenoverdracht met het koolstofsubstraat, terwijl de andere helft kan fungeren als actieve plaatsen, in wisselwerking met stoffen. Dit zal uiteindelijk de efficiëntie van elektrochemische reacties verbeteren. In Fig. 2c werd geen poreuze koolstof gevonden en alle koperen nanodeeltjes worden ondersteund op het oppervlak van koolstof in het Cu NP / C-monster. Sommige agglomeraties kwamen zelfs voor in figuur 2d. Bovendien was de grootte van de koperen nanodeeltjes van twee monsters respectievelijk 0,406 en 0,398 m, gebaseerd op honderd metalen nanodeeltjes. De grootte van de kopernanodeeltjes die onder twee verschillende koperionconcentraties zijn gegroeid, is dus niet veel verschillend, wat aangeeft dat een toenemende koperionconcentratie alleen de morfologie van de koolstof kan regelen. Bovendien is uit het TEM-beeld in figuur 2e te zien dat de vergrote koperen nanodeeltjes een grootte hebben die vergelijkbaar is met deze gaten en gedeeltelijk daarin zijn ingekapseld, wat opnieuw aangeeft dat de succesvolle vorming van de doelcomposieten. Om de poreuze eigenschappen van bereide materialen verder te onthullen, werden de stikstofadsorptie-isothermen van Cu NP@PC en Cu NP/C bestudeerd. Zoals getoond in Fig. 2f, was het berekende BET-oppervlak van de Cu NP@PC-nanomaterialen 309,95 m² /g, veel hoger dan die van Cu NP/C. Dit komt overeen met de resultaten van de SEM en TEM.

een , b De scanning elektronenmicroscoop (SEM) beelden van Cu NP@PC bij verschillende vergrotingen; c , d De scanning elektronenmicroscoop (SEM) beelden van Cu NP/C bij verschillende vergrotingen; e Het transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beeld van Cu NP@PC; en f Brunauer-Emmett-Teller (BET) oppervlakteanalyse van Cu NP@PC en Cu NP/C

Om de elektronische structuur van de monsters te onderzoeken, werd röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) uitgevoerd. Figuur 3a en b tonen de volledige XPS-enquêtespectra van respectievelijk Cu NP@PC en Cu NP/C, die het bestaan van Cu, C en O laten zien. Voor het Cu-element toont figuur 3c het gedeconvolueerde Cu 2 p XPS-spectra van de Cu NP@PC en Cu NP/C. Beide signalen werden geproduceerd op dezelfde piekposities, wat duidt op dezelfde samenstelling van twee monsters. Twee duidelijke pieken bij 952,5 eV en 932,8 eV worden toegeschreven aan de Cu 2p _3/2 en Cu 2p _1/2 van Cu (0), wat wijst op de aanwezigheid van metaalkoper [38]. De bindingsenergieën bij 953,7 eV en bij 934,8 eV worden toegewezen aan de Cu 2p _3/2 en Cu 2p _1/2 van de Cu(II)[39,40,41]. De aanwezigheid van Cu(II) kan ook worden bevestigd door zwakke satellietpieken bij 944,2 eV en 941,4 eV[10]. Uit de passende pieken die overeenkomen met Cu(0) en Cu(II), worden de verhoudingen van Cu(0)/Cu(II) in Cu NP@PC en Cu NP/C geschat op respectievelijk 2,2 en 1,8. Dit kan worden verklaard door het feit dat de koperatomen aan het oppervlak in Cu NP@PC niet gemakkelijk kunnen worden geoxideerd vanwege de inkapseling van een poreuze koolstoflaag. Ondertussen kunnen meer metaalkoperatomen een belangrijke rol spelen bij de glucosemeting. Voor de C1s spectrum van de twee monsters in Fig. 3d, komen drie signalen op 289 eV, 286 eV en 284,8 eV overeen met respectievelijk de C=O, C–O, C–C/C–H, wat wijst op het bestaan van zuurstofhoudende functionele groepen zoals carboxylgroep [42, 43] en in overeenstemming met de resultaten van FTIR.

een XPS-onderzoeksspectrum van Cu NP@PC; b XPS-onderzoeksspectrum van Cu NP/C; c Cu 2p XPS-spectra van Cu NP@PC en Cu NP/C; en d C 1 XPS-spectra van Cu NP@PC en Cu NP/C

Op basis van de voordelen van poreuze koolstof werden de elektrochemische detectie-eigenschappen van Cu NP@PC en Cu NP/C ten opzichte van glucose onderzocht in 0,1 M KOH-oplossing. Het pure koolstofmateriaal zonder koperen nanodeeltjes wordt als referentiemonster gebruikt. Zoals getoond in Fig. 4a, tonen de cyclische voltametrische curven (CV) de grootste stroomrespons van Cu NP@PC met de aanwezigheid van 0,2 mM glucose in elektrolyt, in vergelijking met die van Cu NP/C en zuiver koolstofmonster. Met name de stroomdichtheid van 0,31 mA/cm⁻² werd verkregen bij een potentiaal van 0,55 V. Dit geeft aan dat het bereide Cu NP@PC de beste katalysator is voor glucose-oxidatie, wat redelijk kan zijn door zijn poreuze structuur. Zoals is gemeld, kan de porositeit het massatransport bevorderen [29]. Hierin werd, om het verbeterde massatransport aan te tonen, het effect van scansnelheden op de glucose-oxidatie onderzocht op Cu NP@PC gemodificeerde elektrode. Zoals getoond in figuur 4b, neemt de stroomdichtheid toe in een gradiënt waarbij de scansnelheid verandert van 20, 40, 60 tot 80 mV/s. Figuur 4c toont de fittingcurve tussen de stroomdichtheid (J _p ) en de vierkantswortel van scansnelheid (v ^1/2 ). De lineaire relatie kan worden uitgedrukt als:J _p = 0,00254 v ^1/2 − 0,00359 (correlatiecoëfficiënt:R ² = 0.995), wat wijst op een door diffusie gecontroleerd proces van de glucose-oxidatie op de Cu NP@PC gemodificeerde elektrode [44]. Verder laten de elektrochemische impedantiespectra (EIS) in figuur 4d zien dat de ladingsoverdrachtsweerstand van Cu NP@PC lager is dan die van Cu NP/C. Daarom kan, door het bevorderde massatransport en het verbeterde elektronenoverdrachtsproces te combineren, de katalytische oxidatie van glucose op de Cu NP@PC-gemodificeerde elektrode worden geschetst in figuur 4e. Het Cu(II) werd eerst geoxideerd tot Cu(III), dat vervolgens een elektron accepteerde en werd gereduceerd tot Cu(II). Tijdens dit proces doneerde het glucosemolecuul een elektron en werd het geoxideerd tot gluconolacton. Dankzij de porositeit van de materialen kan het gevormde gluconolacton snel in de oplossing worden overgebracht en vervolgens worden gehydrolyseerd tot gluconzuur [3, 45].

een CV-curven van Cu NP@PC, Cu NP/C en zuivere koolstofmonsters voor glucose-oxidatiereactie; (0,2 mM glucose, 0,1 M KOH, scansnelheid:100 mV/s.) b CV-curven van Cu NP@PC in 0,1 M KOH bij verschillende scansnelheden (20, 40, 60, 80 mV/s); c Plot van stroomdichtheid bij 0,4 V in relatie tot de vierkantswortel van scansnelheid; d De elektrochemische impedantiespectra van Cu NP@PC en Cu NP/C; en e Het schematisch diagram van het mechanismeproces van glucoseconversie op de Cu NP@PC

Volgens de superieure elektrochemische katalytische oxidatieprestatie werd de potentiële detectieprestatie van Cu NP@PC ten opzichte van glucose onderzocht. Om de huidige respons van Cu NP@PC op de glucoseconcentratie kwalitatief te bestuderen, werd cyclische voltammetrie uitgevoerd in de concentraties van 2, 4, 6, 8 en 10 mM. Zoals getoond in Fig. 5a, neemt de stroomdichtheid van de Cu NP@PC-gemodificeerde elektrode geleidelijk toe naarmate de glucoseconcentratie toeneemt, wat duidt op de potentiële uitstekende detectieprestaties. Voor het kwantificeren van de glucosedetectie-eigenschappen van Cu NP@PC werd de chronoamperometrie (I-t) uitgevoerd en werd de potentiaal van 0,55 V gekozen. Zoals getoond in Fig. 5b, neemt de stroomdichtheid van Cu NP@PC-gemodificeerde elektrode stap voor stap toe met de glucoseconcentratie die toeneemt van 0,01 tot 1,1 mM. Uit de I–t-curven, in Fig. 5d, kan de aangepaste kalibratiecurve tussen glucoseconcentraties en responsstromen worden uitgedrukt als:y = 0.3378 x + 0,0077 (correlatiecoëfficiënt:R ² = 0.997). Ondertussen werd de gevoeligheid bepaald op 84,5 μA (mmol/L)⁻¹ . Volgens de formule van LOD = 3σ /q [46] (σ verwijst naar de standaarddeviatie van de blanco respons en q is de helling van die lineaire regressiecurve), de detectielimiet werd berekend op 2,1 mol/L. Deze twee indexen zijn veel beter dan die van de meeste eerdere rapporten, zoals weergegeven in figuur 6b [47,48,49,50,51,52]. Ter vergelijking:de stroomdichtheid van de I-t-curve van de Cu NP/C-gemodificeerde elektrode vertoont ook een gradiëntverandering met toenemende glucoseconcentratie, zoals weergegeven in figuur 5c. De omvang van de verandering was echter aanzienlijk verminderd. Zoals getoond in Fig. 5d, werd de passende lineaire curve tussen glucoseconcentraties en responsstroom weergegeven als:y = 0,007 x + 0,0017 (correlatiecoëfficiënt R ² = 0.998). De gevoeligheid was 1,75 μA (mmol/L)⁻¹ en de detectielimiet werd geschat op 10 mol/L. Daarom werden, vergeleken met de resultaten van Cu NP/C, de detectieprestaties van het Cu NP@PC-monster ook verbeterd door het poreuze koolstofsubstraat.

een CV-curven van Cu NP@PC in 0,1 M KOH met de aanwezigheid van glucose bij verschillende concentraties van 2, 4, 6, 8 en 10 mM. Scansnelheid:100 mV/s; b De amperometrische reacties van Cu NP@PC na opeenvolgende toevoeging van glucose-oplossing in 0,1 M KOH bij 0,55 V (vs Ag/AgCl); c De amperometrische reacties van Cu NP/C na opeenvolgende toevoeging van glucose-oplossing in 0,1 M KOH bij 0,55 V (vs Ag/AgCl); en d De corresponderende kalibratiecurves van de Cu NP@PC en Cu NP/C voor glucosemeting. De foutbalken werden verkregen op basis van drie herhalingen van het experiment

een De responsstromen van Cu NP@PC na injectie van 0,01 mM glucose-oplossing, 0,01 mM ammoniumacetaat (NH₄ OAc), respectievelijk 0,01 mM natriumchloride (NaCl), 0,01 mM ureum (UA), 0,01 mM citroenzuur (CA); en b Het medeleven van LOD en gevoeligheid tussen Cu NP@PC en eerder gerapporteerde materialen

Zoals bekend is het anti-interferentievermogen een andere belangrijke factor om de detectieprestaties van de materialen te evalueren. In dit werk, om de selectiviteit van Cu NP@PC-gemodificeerde elektrode naar glucose te onderzoeken, verschillende interfererende stoffen, waaronder ammoniumacetaat (NH₄ OAc), natriumchloride (NaCl), ureum (UA), citroenzuur (CA) met een concentratie van 0,01 mM werden gekozen en werden achtereenvolgens in de elektrolyt geïnjecteerd [53]. Het is duidelijk dat de veranderingen in de stroomdichtheid die door de storende stoffen worden veroorzaakt, verwaarloosbaar kunnen zijn. Alleen wanneer 0,01 mM glucose werd geïnjecteerd, nam de stroomdichtheid significant toe, ongeacht de bovenstaande interferenties, zoals weergegeven in Fig. 6a. Bovendien kan dit voorgestelde systeem, door de urine als substraat te gebruiken, nog steeds de gevoeligheidsdetectie van glucose bereiken, vergelijkbaar met het commerciële testpapier (aanvullend bestand 1:figuur S3 en S4). Daarom hebben de Cu NP@PC-materialen een uitstekend elektrochemisch katalytische oxidatie- en detectievermogen voor glucose.

Conclusie

Een composiet bestaande uit koperen nanodeeltjes en poreuze koolstofsubstraten werd ontworpen en gesynthetiseerd door het commerciële filterpapier te calcineren dat met de koperionen was geïmpregneerd. Met de voordelen van de porositeit vertoonde het bereide Cu NP@PC een uitstekend vermogen voor de elektrochemische oxidatie en detectie van glucose. De gevoeligheid werd vastgesteld op 84,5 μA mM⁻¹ en de detectielimiet werd berekend op 2,1 M, wat veel beter is dan die van de meeste eerdere rapporten. Verder vertoonde de Cu NP@PC-gemodificeerde elektrode ook een goede selectiviteit voor glucose. Daarom zal de composiet die in dit werk is gemaakt, niet alleen een nieuwe kandidaat bieden voor het bouwen van draagbare glucosesensoren, maar ook een nieuwe gedachte voor de bereiding van poreuze koolstofmaterialen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De gegevens en conclusies in dit werk worden allemaal in dit document getoond.

Afkortingen

LOD:: Detectielimiet
rGO:: Gereduceerd grafeenoxide
MOF:: Metaal-organisch raamwerk
XRD:: Röntgendiffractie
SEM:: Scanning elektronenmicroscoop
TEM:: Transmissie-elektronenmicroscopie
BET:: Brunauer–Emmett–Teller
XPS:: Röntgenfoto-elektronenspectroscopie
CV:: Cyclische voltammetrische krommen
I-t:: Chronoamperometrie
UA:: Ureum
CA:: Citroenzuur

Drempelwisseling van Ag-Ga2Te3-selector met hoge duurzaamheid voor toepassingen op cross-point-arrays Maak een gemakkelijke herdistributie van MBE-Grown Ga-Droplets mogelijk via in-situ gepulseerde laseropnamen

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal