用于超灵敏葡萄糖传感的介孔氧化镍 (NiO) 纳米瓣

背景

糖尿病是一种慢性疾病，血液中的葡萄糖水平升高，如果未确诊和治疗，可能对健康非常有害，最终可能导致死亡 [1, 2]。糖尿病管理中的不同治疗方案包括根据血液中葡萄糖水平调整药物剂量，这是该疾病的主要原因。因此，准确可靠的葡萄糖传感器来检测血液中的水平是控制糖尿病的最重要参数。通常，葡萄糖传感器使用一种酶，即葡萄糖氧化酶 (GOx)，将葡萄糖转化为葡萄糖酸和 H2O2 [3,4,5,6,7]。葡萄糖的浓度是通过监测流过电极的电子数量来确定的，以形成过氧化物形式的氢 [8]。在酶促生物传感器中，定量传感是通过控制电位和测量电流来完成的，因为物质（被传感）与工作电极上的材料（充当传感器）的活性区域发生反应。以相同原理工作的酶促葡萄糖传感器显示出对葡萄糖的高灵敏度。这些传感器的局限性包括寿命较短、环境条件（如温度、pH 值）和所用化学品的毒性。为了解决这些问题，最近开发了许多基于金属氧化物的非酶葡萄糖传感器 [9,10,11,12,13,14]。这些非酶葡萄糖传感器的传感机制基于葡萄糖通过电极表面附近的金属氧化物离子氧化为葡萄糖酸内酯。在电化学传感中，循环伏安法 (CV) 被证明是一种有效的技术，因为它在低检测限下具有高灵敏度、准确的定量分析以及快速清晰的表征 [15, 16]。这些基于氧化物的葡萄糖传感器当然具有用于实际诊断的潜力，需要进一步研究。

人们对用低成本金属氧化物材料制造电极越来越感兴趣，例如 NiO、CuO、TiO2、ZnO 和复合材料，这些材料可以通过提高电催化活性对葡萄糖表现出高灵敏度 [17,18,19,20 ,21,22,23,24]。当涉及到基于反应的传感时，纳米材料可能会引起人们的兴趣，因为它们可以为反应提供更多的表面积，从而提供更好的传感。近年来，纳米结构形式的各种材料在传感、电子和光电子领域显示出巨大的潜力 [25,26,27]。关于纳米结构的既定事实是通过改变其尺寸和/或形态来定制物理特性的能力，这赋予纳米材料用于不同应用的多功能性。因此，对于传感器，电极表面的设计也是关键参数之一。其中，镍基纳米材料表现出显着的特性，例如催化 [28,29,30] 和由于大的表面积与体积比而具有的高灵敏度。通过适当设计设备和合成材料，基于 NiO 纳米结构的传感器可以实现经济而灵敏的葡萄糖传感器。在本文中，通过电化学研究制造了一种由花瓣状 NiO 纳米结构组成的工作电极，用于葡萄糖传感，用作活性化合物。掺芴的氧化锡（FTO）涂层导电玻璃基板已用于通过水热技术生长NiO纳米结构（NSs）。

实验

在这些 NiO NSs 的制备过程中, 硝酸镍前体与过硫酸钾在较少量的铵溶液存在下混合用于对齐。在 150°C 下连续加热 5 小时后，沉积的薄膜用去离子水冲洗并在空气中干燥。随后，NiO-NSs 膜在 250°C 下退火 2 小时。在 FTO 涂层玻璃的导电表面上获得了均匀且排列良好的 NiO NSs。通过XRD（使用单色Cu-Kα辐射λ的Rigaku SmartLab X射线衍射仪）研究薄膜的微观结构 =1.54 Å）以及电子显微镜（Supra55 Zeiss）。使用 Al Kα 辐射 (1486.6 eV) 的能量色散 X 射线光谱仪（牛津仪器）和 X 射线光电子能谱仪（ESCA 系统，SPECS GmbH，德国）已用于元素确认。原子力显微镜已在布鲁克（MultiMode 8-HR）机器上进行，高分辨率纳米结构的分析是使用 WSxM 软件进行的 [31]。对于使用 NiO-NS 进行葡萄糖传感，已使用 Keithley 2450-EC 电化学工作站进行了适当的电化学测量。在 Autosorb iQ 1.11 版（Quantachrome Instruments）上也采用了布鲁瑙尔-埃米特-泰勒 (BET) 方法进行表面分析。

结果与讨论

已经使用电子显微镜和原子力显微镜 (AFM) 研究了 NiO NSs 的微观结构细节和形态。图 1a 显示了在 FTO 涂层导电玻璃基板上生长的非常致密的玫瑰花瓣状结构。这些花瓣的厚度约为 25-30 纳米，上面覆盖着非常细的刺状结构。薄膜致密均匀，超过百微米。更大区域的均匀性使其适合传感应用。 NiO NS 的横截面图可以在图 1a 的插图中看到，图中显示了垂直排列和花瓣的高度。这些 NiO NS 的 TEM 显微照片可以在附加文件 1：图 S1 中看到。图 1b 显示了 NiO 纳米花瓣的 SEM 图像，表明均匀的 NiO 纳米颗粒在大面积上生长。使用图 1c-e 中的 AFM 图像研究了有关这些纳米花瓣形状和尺寸的更多细节。图 1c、d 分别显示了二维和三维 AFM 图像。它显示了近似均匀分布的花瓣，其中高度密集的纳米花瓣 (NPs) 垂直排列。图 1e 中的 AFM 图像和图 1c 的插图显示了更高分辨率的 NiO NS。图 1e 上的黑线显示了纳米结构的线条轮廓，它提供了有关 NP 平均厚度的信息。很明显，纳米花瓣的宽度在~ 25-30 nm 的范围内。图 1f 中的能量色散 X 射线 (EDX) 光谱显示了 NiO NPs 的化学成分，表明具有足够的 Ni/O 比率的高纯度 NiO NSs。从用作基板的 FTO 涂层玻璃中也可以看到一些对应于元素锡 (Sn) 的峰。图 1 清楚地表明，在 FTO 涂层玻璃基板上已均匀地制造出花瓣状致密的 NiO NSs，并具有一定的孔隙率。

一 , b NiO 纳米结构的表面形态显示花瓣状结构及其横截面图（插图）。 c –e 带有线轮廓的 AFM 图像。 f 元素构象的EDX光谱

X 射线光电子能谱 (XPS) 用于分析 NiO 纳米花瓣的成分和表面化学成分。 XPS 测量扫描（图 2a）描绘了镍和氧的组成，锡 (Sn) 的基底峰与 EDX 结果一致。在高分辨率扫描中在大约 855.7 eV (2p3/2) 和 873.4 eV (2p1/2) 处观察到两个特征 Ni 2p 峰（图 2b）。解卷积谱图包含七个峰，其中两个更强的峰分别位于 855.7 和 873.4 eV，对应于 Ni ²⁺ 在 Ni-O 键中，具有两个卫星（弱）峰 [32]。图 2c 中的 XRD 图案清楚地显示了衍射峰，按照 XRD 峰强度降低的顺序，分别位于 43°、37°、63°、76° 和 79°。峰值位置及其相对强度与 NiO-NS 的面心立方 (FCC) 结构非常吻合，揭示了 NP 的结晶性质 [33]。上述制备的底物的形态和结构表征预测了 NiO 低维花瓣状结构的存在，并将对其可能的葡萄糖传感特性进行研究。

使用 XPS a 对制备的 NiO 纳米花瓣进行成分分析 调查扫描，b 2p Ni 的深度扫描，c XRD 用于结构分析，d 用N2吸附/解吸法测量BET等温线的表面积和文本研究

如前所述，传感机制的基础是葡萄糖与 NiO 的反应性，因此需要更高的表面积，这应该在研究传感特性之前进行分析。比表面积和其他参数，如等温线的类型、平均孔径和总孔体积已通过 N 获得 2吸附/解吸采用BET法。图 2d 显示了在 77 K、相对压力范围为 0.025 ≤ P 时测量的 IV 型等温线和 H3 型滞后 /P 0 ≤ 1.00 [18]。在P中通过BET和Langmuir方法估计的测量表面积 /P 0 范围为 0.05–0.30，发现为 114.936 m ² /g 和孔径分布在 3.7 nm 左右。这表明 NiO NPs 是具有相对均匀孔径分布的介孔。发现样品中的总孔体积为 0.267 cm ³ /g 估计在相对压力 (P /P 0) 的 0.99。

下面使用电化学 CV 测量研究了一个足够的表面可用于 NiO-NPs 的葡萄糖传感，如图 3 所示。对于 CV 测量，三电极系统已采用 NiO-NPs@FTO 样品作为工作电极、Ag/AgCl (1 M KCl) 和铂丝分别用作参比电极和反电极。图 3a 显示了 I –V 不同电压扫描速率在 10 到 100 mV/s 之间变化的曲线。通过重复 CV 扫描 3000 次循环测试，电极非常稳定（附加文件 1：图 S2）。从图 3a 中可以明显看出，~ 0.25 mA/cm ² 的电流 以 10 mV/s 的扫描速率流动（黑色曲线）并增加到 ~ 2.5 mA/cm ² 当扫描速率增加到 100 mV/s（浅绿色曲线）时。通过将扫描速率增加十倍而使电流增加十倍意味着两者之间的线性变化。这种作为扫描速率函数的电流线性变化，如图 3a 插图所示，通常被认为是由表面控制反应引起的，并且更适合传感应用。

一 NiO-NPs@FTO 在不同扫描速率下的循环伏安法 (CV)。 b 使用 CV 技术进行电化学葡萄糖 (10 μM) 传感。 c 葡萄糖固定化 NiO-NPs@FTO 电极在不同扫描速率下的 CV 扫描。 b 电化学阻抗谱 (EIS) 显示葡萄糖传感。 a 中的插图 和 c 显示电流随扫描速率的线性变化

对于传感研究，使用 NiO NSs 薄膜作为工作电极 (NiO-NPs@FTO) 以 50 mV/s 的扫描速率进行了 CV 测量，使用（红色）和不使用（黑色）葡萄糖（5 mM），在存在 0.1 M NaOH 电解质，如图 3b 所示。在存在葡萄糖的情况下以不同扫描速率记录的 CV 图也显示在图 3c 中，其还显示与非葡萄糖情况相比增加的电流值，并随着扫描速率的增加而进一步增加。图 3c 中的这种依赖于扫描速率的 CV 曲线与上面关于葡萄糖传感和表面控制反应的讨论一致。从图 3b 中的黑色和红色曲线可以看出，观察到反应峰值电流，表明 NiO-NPs@FTO 电极在 0.0 至 0.6 V 的电位范围内发生氧化还原反应。峰值电流值翻倍在有葡萄糖的情况下，即有葡萄糖的 NiO-NPs@FTO 电极的电流比没有葡萄糖的要大，这可归因于固定在 NiO NSs 更大表面积内的葡萄糖分子的氧化。这似乎是葡萄糖感应最可能的机制，因为在适当位点发生的以下氧化还原反应可以支持这一机制。

CV测量时，Ni ²⁺ 氧化成 Ni ³⁺ 通过 NiO-NPs@FTO 电极上存在于电池中的电解水溶液（反应 1）。氧化镍 ³⁺ 充当葡萄糖的催化剂并通过自身还原来氧化葡萄糖（反应 2）。在氧化时，葡萄糖转化为葡萄糖酸内酯，葡萄糖酸内酯因此立即转化为葡萄糖酸（反应 3），该化合物与水分子反应形成葡萄糖酸和水合氢离子（反应 4）。工作电极表面附近的这些离子导致电流增加，作为可检测信号，具有非常好的比灵敏度，为 3.9 μA/μM/cm ² .

为了进一步支持“葡萄糖掺杂”诱导的电导率增强，使用和不使用葡萄糖测量了 NiO NP 制造的工作电极的电化学阻抗谱 (EIS)（图 3d）。在图 3d 的 Nyquist (cole-cole) 图中可以看到高频区域中的单个凹陷半圆和低频区域中的一条斜线。一般来说，高频半圆表示电解液中葡萄糖与NiO纳米结构界面之间的电化学反应阻抗，而低频区的斜线表示活性材料（NiO）和导电电极界面阻抗[34]。葡萄糖对图 3d 中 cole-cole 图的影响是明显可区分的，因此，可以使用相同的测量来检测葡萄糖的存在。这清楚地展示了纳米花瓣状NiO NSs材料的葡萄糖传感特性。

设备的可重复性是作为真正传感器发挥有效性能的重要参数之一。图 4a 是使用 CV 和电流分析技术进行葡萄糖传感的电化学电池。图 4b 对应于在 100 μM-1.2 mM 的各种葡萄糖浓度存在下 NiO-NPs@FTO 的 CV 扫描。图 4c 显示了葡萄糖浓度与电流密度的线性关系，具有线性拟合因子 (R ² ) 的 0.9948。图 4d 显示了 NiO-NPs@FTO 电极在 0.1 M NaOH 电解质中加入不同量的葡萄糖水溶液时在 + 0.5 V 下检测到的电流行为。在这种偏压下，NiO-NPs@FTO 电极表现出系统性的电流变化当浓度为 50 μL 的葡萄糖溶液时，电解液中加入 1 μM。此外，为了说明独特的葡萄糖传感行为，通过进行对照实验检查了与葡萄糖样尿酸 (UA)、抗坏血酸 (AA) 和叶酸 (FA) 一起存在的其他化合物的影响。通过在第 57 秒和第 65 秒（图 4d 中标记的箭头）添加这些酶来研究不同浓度下提到的物种的响应，在电流测量期间没有显示任何显着的电流变化，而在第 60 秒之间添加时检测到葡萄糖第二。与其他化合物相比，葡萄糖传感的选择性可以在附加文件 1：图 S3 中更清楚地看到。另一个重要的观察结果是葡萄糖诱导尖峰后电流减少，这使得传感器可重复使用。与各种其他传感器电极相比，NiO NS 电极显示出非常好的灵敏度，如表 1 所示，该表总结了一些最近的葡萄糖传感电极。基于 NiO NS 的电极（表 1 中的底行）具有出色的灵敏度，使其成为葡萄糖传感应用的理想候选者，可以在适用的情况下对血液或食物等真实样本进行进一步研究。

一 使用 NiO-NPs@FTO 作为工作电极和支持电解质 NaOH (0.1 M) 的电化学葡萄糖传感装置示意图。 b 在 CV 扫描期间连续添加 50 μM 的葡萄糖，插图为放大视图。 c 葡萄糖浓度与电流d的线性关系 添加 10-μM 葡萄糖时的电流响应（在 + 0.5 V）

结论

总之，通过使用具有水热生长的高密度、对齐的 NiO 纳米结构 (NSs) 和高表面积体积比的电极，已经实现了具有更高灵敏度的出色葡萄糖传感行为。与通过其他一些技术生长的对应物相比，通过简单技术生长的 NiO NSs 在稳定性和灵敏度方面表现出更好的葡萄糖传感能力。所提出的传感器电极表现出对葡萄糖浓度的广泛检测，具有 3.9 μA/μM/cm ² 的高特异性灵敏度 以及不到 1 秒的快速响应时间。除此之外，它对与葡萄糖一起存在的其他酶（如抗坏血酸、叶酸和尿酸）表现出惰性反应，这使其成为高效的非酶葡萄糖传感器。所有这些结果表明，所提出的葡萄糖传感器可以作为监测药物、人血清中葡萄糖浓度的有效分析工具，可用于生物医学相关应用。