基于FTO生长的介孔NiO纳米花瓣的高灵敏非酶葡萄糖传感器

摘要

我们报道了一种非酶葡萄糖传感器，基于氟掺杂氧化锡（FTO）玻璃上水热生长的介孔、良好排列的氧化镍（NiO）纳米花瓣（NPs）。结构分析（XRD、SEM、TEM、AFM、EDX、XPS）确认了致密、垂直取向的NP形貌，平均厚度25–30 nm。BET比表面积115 m²/g，孔径3.7 nm，表明优异的电化学可及性。传感器在0.5 V下对50 μM至1.2 mM葡萄糖呈线性响应，灵敏度3.9 μA μM⁻¹ cm⁻²，检测限1 μM，响应时间<1 s。对抗坏血酸、尿酸和多巴胺干扰可忽略，是可靠的非酶葡萄糖探针。

背景

糖尿病管理依赖准确、实时的葡萄糖监测。传统酶传感器依赖葡萄糖氧化酶（GOx），受限于寿命短、对温度、pH和有毒试剂敏感。金属氧化物基非酶传感器通过直接在电极表面氧化葡萄糖规避这些问题。NiO、CuO、TiO₂、ZnO纳米结构因高比表面积和催化活性成为有前景候选材料。纳米结构化进一步增加活性表面积，提升传感器性能。本文呈现生长于FTO上的NiO纳米花瓣，专为优化葡萄糖氧化而设计。

实验

硝酸镍和过硫酸钾混合，加入微量氨水引导NiO纳米片排列。前驱体溶液在FTO玻璃上150 °C水热处理5 h，洗涤、干燥，250 °C退火2 h。XRD（Rigaku SmartLab, Cu-Kα, λ=1.54 Å）、SEM（Zeiss Supra55）、TEM、AFM（Bruker MultiMode 8-HR）、EDX（Oxford Instruments）、XPS（SPECS）表征结构和组成。BET分析（Quantachrome Autosorb iQ）量化比表面积和孔隙率。电化学测量用Keithley 2450-EC工作站，三电极体系，Ag/AgCl（1 M KCl）参比电极，Pt丝对电极，电解液0.1 M NaOH。

结果与讨论

SEM和AFM图像（图1）显示致密堆积、玫瑰花瓣状NiO结构均匀覆盖FTO衬底。每个花瓣厚25–30 nm，具细刺状特征增大表面积。TEM确认形貌，EDX显示高纯NiO，底物Sn极少。XPS显示Ni²⁺以Ni-O键存在，确认面心立方晶体结构（XRD峰位43°、37°、63°、76°、79°）。BET测得介孔网络，比表面积114.936 m²/g，孔径分布集中3.7 nm（图2）。

电化学测试（图3）显示NiO-NPs@FTO电极为表面控制过程：峰值电流随扫描速率线性变化，表明高效电荷转移。0.1 M NaOH中循环伏安曲线显示0-0.6 V间明显氧化峰。加入5 mM葡萄糖后峰值电流加倍，确认葡萄糖氧化。反应路径：NiO形成NiO(OH)，氧化葡萄糖生成葡萄糖内酯进而生成葡萄糖酸，产生可测电流（灵敏度3.9 μA μM⁻¹ cm⁻²）。电化学阻抗谱（EIS）显示加入葡萄糖后半圆半径减小、低频线变陡，佐证电化学活性。

标定曲线（图4）显示100 μM-1.2 mM葡萄糖线性关系良好（R²=0.9948），+0.5 V安培响应呈亚秒级响应且重复性优异。对尿酸、抗坏血酸、叶酸选择性测试显示干扰可忽略，葡萄糖脉冲后电流下降显示可重复使用。与近期非酶传感器相比，NiO-NPs电极具备更高灵敏度和更快响应。

结论

水热生长的致密NiO纳米花瓣在FTO上提供高灵敏非酶葡萄糖传感器。检测限1 μM，响应时间<1 s，选择性强，适用于生物医学诊断和药物分析。

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