基于空心多孔氧化镍的灵敏非酶电化学葡萄糖检测

背景

以快速、准确和低成本的过程检测葡萄糖对于临床生物化学、药物分析、食品工业和环境监测具有重要意义 [1,2,3]。在众多技术中，电化学检测因其高灵敏度、低成本和有吸引力的检测下限而被认为是最方便的方法之一 [4,5,6]。然而，常见的基于葡萄糖氧化酶的电化学传感器由于酶的性质而存在稳定性不足的缺点[7,8,9]。为了解决这些问题，推荐使用基于 TMO 的地球丰富的电催化剂，因为它们具有较低的成本、物理化学稳定性和氧化还原电活性 [10,11,12]。然而，传统TMOs的整体电催化活性距离应用要求还很远。合理设计葡萄糖的高活性TMO电催化剂仍是一个挑战。

通常，动力学过程对已建立的电催化材料的电催化活性起着决定性作用。受动力学和微结构之间密切联系的启发，可以通过微结构工程来提高电催化活性，包括表面积、孔结构和结构特征 [13, 14]。多孔结构提供了大的比表面积 (SSA) 并提供了大量的活性位点。此外，多孔结构还为分析物和中间产物提供了足够的扩散通道，这有利于传质过程 [15, 16]。另一方面，结合功能壳和内部空隙的中空结构可以提供更大的电解质-电极接触面积并减少质量和电子传输的长度[17]。此外，可用的内腔有效地防止电活性纳米粒子聚集并适应伴随重复测量的体积变化和结构应变[18]。总之，通过设计中空多孔结构可以获得高活性的TMO电催化剂。

作为一种典型的过渡金属氧化物，由于 Ni ³⁺ 的氧化还原对，NiO 被报道为葡萄糖电氧化的有效催化剂 /Ni ²⁺ 在碱性介质中，意味着在电化学葡萄糖传感器中的潜在应用。在这项工作中，立方 NiO HPA 是通过 Cu2O 模板化的配位蚀刻和沉淀 (CEP) 方法和后煅烧构建的。中空多孔结构提供大的 SSA、明确的内部空隙、丰富的有序转移通道和高电子转移效率。与破碎的 NiO HPA (NiO BHPA) 相比，NiO HPA 电极用于检测葡萄糖，具有更高的灵敏度和更低的检测限，展示了中空多孔结构的优势。这种构建中空多孔结构的简便策略为开发用于电化学传感器的高效纳米材料提供了有效方法。

实验

材料

CuCl2·2H2O、NiCl2·6H2O、Na2S2O3·5H2O、聚乙烯吡咯烷酮（PVP、M w =40,000)，NaOH购自成都科隆。葡萄糖 (Glu.)、乳糖 (Lact.)、蔗糖 (Sucr.)、果糖 (Fruc.)、L-抗坏血酸 (AA)、尿酸 (UA) 和 Nafion 溶液（低级脂肪族化合物的 5wt%醇和水）购自 Sigma-Aldrich，未经进一步纯化。

Cu2O模板的合成

根据我们之前的工作[19]合成了立方Cu2O模板。在该典型程序中，在 55°C 搅拌下将 20 毫升 NaOH (2 M) 逐滴加入 200 毫升 CuCl2·2H2O (10 mM) 中。 0.5 小时后，将 4 mL AA (0.6 M) 逐滴加入上述溶液中。将悬浮液进一步陈化 3 小时并通过离心用水洗涤数次。 XRD 图案以及 SEM 和 TEM 图像显示在附加文件 1：图 S1 中。

NiO HPA 的合成

NiO HPA 通过 CEP 方法合成。首先，通过超声处理将 Cu2O（10mg）和 NiCl2·6H2O（3mg）分散到 10mL 乙醇-水混合溶剂（体积比 =1:1）中 7 分钟。然后，在剧烈搅拌下将 PVP (0.33 g) 添加到溶液中 30 分钟。将四毫升 Na2S2O3 (1 M) 滴入系统中；反应在室温下进行 3 小时，直到悬浮液的颜色从红色变为浅绿色。 Ni(OH)2 前体用温热的乙醇-水洗涤数次，并在室温下干燥。最后，在 400°C 的空气气氛下以 1°C/min 的缓慢升温速率连续 2 小时获得 NiO HPA。 NiO BHPA 通过对 NiO HPA 进行强超声处理 2 h 得到。

材料特性

通过X射线衍射（XRD，Rigaku D/Max-2400）表征产物的组成和结构。组合物通过 X 射线光电子能谱（XPS，ESCALAB250Xi）进一步分析，284.8 eV 的 C 1s 峰作为内标。使用场发射扫描电子显微镜（FESEM，FEI Quanta 250，Zeiss Gemini 500）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM，FEI F20）观察产品的形貌和微观结构。应用Brunauer-Emmett-Teller（BET，Belsort-max）分析比表面积和孔结构。

电化学测量

所有电化学测量均在 μIII Autolab 电化学工作站上在 0.1 M NaOH 中进行。 NiO HPA（或 NiO BHPA）修饰的玻碳电极（GCE，Ф）的三电极配置 =3 mm) 作为工作电极和 Ag/AgCl（在饱和 KCl 中）和铂圆盘电极（Ф =2 mm) 分别作为参比电极和对电极。通常，GCE 用氧化铝浆（3、0.5 和 0.05 微米）抛光。然后，将 NiO HPA（10 毫克）溶解在 0.1 毫升 Nafion 和 0.9 毫升蒸馏水的混合物中。最后，将 5 μL 混合物滴到预处理过的 GCE (70.77 μg/cm ² ) 并在室温下干燥。还在相同条件下制备了 NiO BHPA 修饰的 GCE，以验证 NiO HPA 的优势。通过循环伏安法 (CV)、计时电流法 (CA) 和电化学阻抗谱 (EIS) 测量修饰电极以评估其电催化活性。 EIS 测量在 0.01-100 kHz 的频率范围内进行，扰动幅度为 5 mV，与开环电位相比。

结果与讨论

特征

如图 1a 所示，位于 37.21°、43.27°、62.87° 和 75.42° 的衍射峰对应于面心立方 NiO 的（111）、（200）、（220）和（311）面（ JCPDS.no.47-1049) [20]。没有其他衍射峰，表明产品的纯度。 XPS 被进一步用于分析 NiO HPA 的元素组成和氧化态。调查光谱（图 1b）显示 O 1s 和 Ni 2p 峰分别位于 531.5 和 855.7 eV，揭示了产品的主要元素。在 Ni 2p 光谱（图 1c，参见附加文件 1：表 S1 中的拟合线）中，两个主要峰位于 855.8 eV (Ni 2p3/2) 和 873.5 eV (Ni 2p1/2)，具有自旋能量分离清楚地研究了 17.7 eV，这是 NiO 相的特征 [21]。 Ni 2p3/2 和 Ni 2p1/2 的卫星峰分别位于 861.5 和 880.0 eV 附近。从图 1d（参见附加文件 1：表 S2 中的拟合线），O1 在 529.8 eV 处的拟合峰是 Ni-OH 物种中的 Ni-O 键。结合能为 831.3 eV 的 O2 峰通常与化学吸附的氧、羟基和配位不足的晶格氧有关。 532.7 eV 处的 O3 峰值是表面上/附近的物理和化学吸附水的多样性 [22,23,24]。 XPS和XRD分析证实NiO制备成功。

一 制备的 NiO HPA 的 XRD 图。产品 b 的 XPS 光谱 调查，c Ni 2p 和 d O 1s

Ni(OH)2 前驱体（附加文件 1：图 S2）和 NiO HPA（图 2）的形态通过 SEM 和 TEM 清楚地观察到。所获得的 NiO 的 SEM 图像（图 2a、b）呈现出均匀的立方特征，边缘长度约为 600 nm。从图 2c，可以清楚地观察到 NiO HPA 的粗糙壳由大量互连的细颗粒组成。如图 2d 所示，NiO 产品的边框为黑色，内部为半透明。结合图 2a-c 中的 SEM 观察结果，可以确认 NiO 产品的立方空心特性。如图 2e 所示，立方体的壳厚度约为 40 nm，比 Ni(OH)2 前驱体的壳厚度（约 60 nm）更薄。壳厚度的收缩归因于热处理后前驱体中 H2O 的损失。在图 2f 中，标记的相邻晶格条纹的间距分别约为 0.21 和 0.24 nm，对应于 NiO 的（200）和（111）面。选区电子衍射 (SAED) 环可以索引到 NiO 内外的 (111)、(200) 和 (220) 晶面，这与 XRD 结果非常吻合 [25]。此外，图 2g 中的元素映射图像显示出 Ni 和 O 的表面丰富分布。如图 2h 所示，线扫描 EDX 剖面显示 O 和 Ni 的近表面分布均匀，再次证实了空心结构。 NiO HPA 将提供足够的活性位点和丰富的扩散通道，有利于电解质和葡萄糖的传质过程。此外，NiO HPA的薄壳明显缩短了电子的转移距离并加快了转移速率，使NiO HPA具有良好的电催化活性。

一 –c SEM 和 d , e NiO HPA 的 TEM 图像。 f NiO HPA 的 HRTEM 图像。 g NiO HPA 立方体的 STEM 和 EDX 映射图像。 h NiO HPA立方体的线扫描EDX光谱

为了了解相关的形成机制，收集并通过 TEM 观察在 0、10、20、30 和 180 分钟时制备的沉淀物。如图 3a 所示，固体立方 C​​u2O 晶体的边长约为 600 nm。随着 S2O3 ²⁻ 的引入 ，由于较高的扩散强度，Cu2O 的配位蚀刻优先发生在拐角处 [26]。随着反应的进行，内部的 Cu2O 模板显着收缩成八面体状结构，直到完全去除。如图 3b 所示，反应体系的颜色逐渐变浅，同时生成淡绿色沉淀。结合 TEM 结果，整体 CEP 路线和形成机制如图 3c 所示。 CEP 机制可以描述如下： (i) Cu ⁺ 更喜欢形成可溶性 [Cu2(S2O3 ²⁻ ) x ] ^{2 − 2x} 通过与 S2O3 ²⁻ 结合复合 (反应 (1)) 和同时 OH ⁻ 被释放; (ii) S2O3 ²⁻ 的部分水解 促进OH ⁻ 的供给 （反应（2））。 (iii) 反应 (1) 和 (2) 从左到右同步驱动反应 (3)，促进 Ni(OH)2 壳层的形成 [27]。关于动力学因素，Cu2O的蚀刻速率取决于S2O3 ²⁻ 的扩散 从外部到内部空间，Ni(OH)2 壳的生长速率与 OH ⁻ 的传输相关 从内部到外部 [28]。同步控制对 Cu2O 的蚀刻速率和 Ni(OH)2 壳的沉淀速率导致形成明确的空心 Ni(OH)2 前驱体。最终通过Ni(OH)2前驱体的后煅烧得到NiO HPA。

一 在不同反应时间监测的产物的 TEM 图像。 b 添加蚀刻剂后，悬浮液在不同反应时间的光学照片。 c NiO HPA 生长机理示意图

NiO HPA 和 NiO BHPA（附加文件 1：图 S3）的表面积和孔隙率也通过 BET 方法进行了表征。 NiO HPA 的 SSA 为 27.08 m ² /g 和 0.087 cm ³ 的孔体积 /g（图 4a），远大于报道的 NiO 材料 [29]。关于孔径分布，NiO HPA 主要呈现在 7 nm 附近的集中分布，这与 NiO 纳米粒子之间的有序通道有关。大的 SSA 和有序的通道可以有效地改善分析物的吸收和传质过程，从而增强电催化活性。破碎样品的 SSA 和孔体积为 5.24 m ² /g 和 0.078 cm ³ /g（图 4b），远小于 NiO HPA。这可以归因于超声处理后原始中空结构的坍塌。值得注意的是，没有观察到 NiO BHPA 集中的孔分布（图 4b 的插图），表明有序扩散通道被完全破坏。 SSA的减少和有序扩散通道的破坏不利于动力学，这可能导致电催化活性差。因此，与破碎样品相比，NiO HPA 具有有益的电催化微结构。

a的N2吸附-解吸等温线 NiO HPA 和 b NiO BHPA。 a 的插图 和 b 分别为对应的孔径分布

电化学性能

图 5a 显示了含有和不含 1 mM 葡萄糖的 NiO HPA 和 NiO BHPA 电极的 CV。在曲线 III 中清楚地研究了位于 0.48 和 0.38 V 处的一对明确的峰，它们与 Ni ²⁺ 相关 /Ni ³⁺ 氧化还原对。曲线III的氧化还原峰值电流明显高于曲线I。这与空心结构的坍塌和SSA的减少有关。添加葡萄糖后，在两个电极上都清楚地观察到电流响应（曲线 II 和 IV）。 NiO HPA 电极表现出比 NiO BHPA 电极更高的电流响应。此外，NiO HPA 电极（0.43 V）上葡萄糖电氧化的起始电位低于 NiO BHPA 电极（0.46 V），显示出更高的电催化活性。高电催化活性归因于大量的活性位点、有序的孔结构和中空多孔结构提供的高电子转移率。 Ni ²⁺ 驱动NiO HPA电极上葡萄糖的电氧化 /Ni ³⁺ 氧化还原对在碱性介质中按下列反应[30, 31]：

一 NiO BHPA (I, II) 和 NiO HPA (III, IV) 电极（II, IV）和不存在（I, III）在 0.1 M NaOH 中存在 1 mM 葡萄糖，扫描速率为 50 mV/s 的 CV。 b NiO HPA 和 NiO BHPA 在 0.1 M NaOH 溶液中的 Nyquist 图 EIS 和等效电路。 c NiO HPA 电极在含有 1 mM 葡萄糖和 d 的 0.1 M NaOH 中以不同扫描速率的 CV 峰值电流与扫描速率平方根的关系

如上图，OH ⁻ 在电催化反应中起重要作用。显然，碱性介质加速了Ni ²⁺ 的氧化还原 /Ni ³⁺ 与中性介质相比（附加文件 1：图 S4），导致更高的电催化活性。

NiO HPA 和 NiO BHPA 电极的奈奎斯特图如图 5b 所示。每幅图的特点是高频区域为半圆，低频区域为直线。通常，实轴上的截距代表溶液电阻（R s)，由本征电阻、离子电阻和接触电阻组成。与电子转移阻力相关的半圆直径用R表示 克拉如附加文件 1：表 S3 所示，NiO HPA 电极表现出较小的 R s 和 R ct 比 NiO BHPA。这些事实可归因于源自中空特征的有益电子转移动力学。低频范围内阻抗图的斜率对应于 Warburg 阻抗 (Z w)，代表扩散阻力[32]。很明显，NiO HPA 有利于扩散动力学；然而，NiO BHPA 阻碍了电解质的扩散。这可以归因于超声后有序扩散通道的破坏。在上述EIS讨论的基础上，NiO HPA电极与破碎样品相比对电子和传质动力学更有利，暗示了NiO HPA作为葡萄糖电催化剂的优势。

NiO HPA 电极的动力学由在 1 mM 葡萄糖溶液中具有不同扫描速率的 CV 确定（图 5c）。如图 5d 所示，阳极和阴极峰值电流与扫描速率的平方根成正比，展示了典型的扩散控制动态过程。此外，阳极/阴极峰没有观察到明显的正/负偏移，表明源自中空多孔结构的无阻碍扩散动力学。

NiO HPA 电极的选择性、再现性和稳定性

为了获得优化的工作电位，考虑了不同电位下葡萄糖的电流响应和 AA 的干扰，数据显示在图 6a 中。从图 6b 中的统计数据中，选择 0.6 V 是因为 NiO HPA 电极在 0.6 V 时对葡萄糖表现出最大的电流响应，对 AA 的干扰最小。图 6c 显示了 NiO HPA 和 NiO BHPA 对不同电流的典型电流响应0.6 V 的葡萄糖浓度。对于两个电极可以清楚地观察到显着的电流响应，并且电流响应随着葡萄糖浓度的增加而增加。图 6d 显示了 NiO HPA 和 NiO BHPA 电极的响应电流与葡萄糖浓度之间的关系。 NiO HPA 电极呈现 0.32 至 1100 μM 的线性范围，灵敏度为 1323 μA mM ^-1 cm ⁻² , 高于 NiO BHPA 电极 (753 μA mM ⁻¹ cm ⁻² ）。此外，NiO HPA 电极 (0.32 μM) 的检测限 (LOD) 远低于 NiO BHPA (14.2 μM)。为了体现 NiO HPA 的优势，将 NiO HPA 电极的性能与表 1 中其他报道的基于 NiO 的葡萄糖检测电极进行了比较。发现 NiO HPA 电极在高灵敏度和低 LOD 方面对葡萄糖表现出令人满意的电催化活性，表明在电化学葡萄糖传感器中的潜在应用。这主要是由于高度多孔的中空结构具有丰富的活性位点、更快的传质动力学和加速的电子转移动力学。

一 添加 0.1 mM 葡萄糖和 0.01 mM AA 后，NiO HPA 电极在不同电位下的电流响应。 b 葡萄糖和AA在不同电位下的响应电流。 c NiO HPA 和 NiO BHPA 电极在 0.6 V 下的 CA，连续添加葡萄糖。 d 响应电流与葡萄糖浓度的关系

选择性是评价葡萄糖传感器性能的重要指标。一些易氧化的化合物，如乳酸、蔗糖、果糖、尿酸和氨基酸，通常与人体血液中的葡萄糖共存。值得注意的是，这些干扰物质的生理水平或多或少是葡萄糖浓度的十分之一 [33]。因此，通过在电流测量期间向 0.1 mM 葡萄糖引入 0.01 mM 以上的干扰物质来评估 NiO HPA 电极的选择性。如图 7a 所示，未观察到 Lact.、Sucr.、Fruc. 和 UA 的严重干扰。主要干扰物质 AA 仅对葡萄糖表现出 8.7% 的干扰电流。此外，第二次添加 50 μM 葡萄糖仍保留其原始响应的约 (89 ± 0.2)%，表明具有出色的抗干扰性能。出色的选择性可归因于 NiO HPA 电极和干扰物质之间的静电排斥作用。 NiO HPA 电极在 0.1 M NaOH 中会带负电，因为电解液的 pH 值高于 NiO 的等电点 [34]。此外，主要干扰物质（AA）在碱性溶液中容易失去质子并具有带负电荷的外壳[35]。干扰物外壳与 NiO HPA 电极之间的静电排斥导致选择性提高。 NiO HPA 电极的稳定性是通过测量其在 30 天内对 0.1 mM 葡萄糖的电流响应来估计的。在图 7b 中，电流响应在 30 天后仍保持其初始响应的 83.13%，表明 NiO HPA 电极在室温下具有出色的长期稳定性。 NiO HPA 电极对 0.1 mM 葡萄糖的电流响应在 2000 秒的操作时间内是稳定的，其原始响应损失了 9.82%。五个独立制备的 NiO HPA 电极在 0.6 V 时对 0.1 mM 葡萄糖的电流响应表现出可接受的 RSD 为 3.12%。此外，测量了相同 NiO HPA 电极对 0.1 mM 葡萄糖的电流响应十次，电流响应显示RSD 为 2.36%，显示出卓越的重现性。 NiO HPA电极表现出高灵敏度、优异的稳定性和显着的重现性，使其在实际应用中具有吸引力。

一 NiO HPA 电极在 0.6 V 施加电位下对连续添加 50 μM 葡萄糖和 5 μM 干扰物质的电流响应。插图是干扰电流的统计数据。 b NiO HPA 电极对 0.1 mM 葡萄糖的长期稳定性。插图是 NiO HPA 电极随运行时间的稳定性。 c 五个 NiO HPA 电极对 0.1 mM 葡萄糖的电流响应。 d NiO HPA 电极对 0.1 mM 葡萄糖的十次测量

人血清中葡萄糖的检测

进一步应用 NiO HPA 电极检测人体血液中的葡萄糖水平，并将结果与​​医疗设备进行比较（表 2）。血清样本由当地医院提供，并在测量前用碱性电解质稀释 [36, 37]。记录在 0.6 V 测量的响应电流，根据工作方程计算相应的葡萄糖浓度。 NiO HPA 电极对葡萄糖的检测显示出 2.85% 的 RSD。此外，NiO HPA 电极的回收率在 92% 到 102% 之间，在测定人血清中的葡萄糖方面表现出优异的实用性。

结论

总之，我们已经通过 CEP 方法成功地制造了一种用于葡萄糖的 NiO HPA 电催化剂。 NiO HPA 具有较大的 SSA、有序的孔结构和较短的电子传递路径，有利于电催化动力学。作为非酶促葡萄糖检测电极，NiO HPA 表现出更高的灵敏度，达到 1323 μA mM ^-1 cm ⁻² 与 NiO BHPA 相比，LOD 低 0.32 μM。在选择性方面，对常见干扰物质的干扰低于 8.7%。同时，NiO HPA 电极在 30 天后保留了其原始响应的 89.02%。此外，所设计的 NiO HPA 已成功应用于检测人血清中的葡萄糖。与医疗设备相比，NiO HPA 具有公认的稳定性和实用性。中空多孔结构的设计为获得低成本、高性能的葡萄糖电催化剂铺平了道路。