本文的主要目的是帮助研究人员和科学家理解利用电化学进行葡萄糖传感的过程，并优化参数以最大化葡萄糖传感响应。文中详细描述了葡萄糖传感器的制备过程，并提供了获得最佳计时电流响应的指导原则。
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本文内容
摘要
摘要
采用纳米结构金属氧化物材料的非酶葡萄糖传感器是目前研究最为广泛的课题之一。多种过渡金属氧化物（TMOs），如氧化铁（α-Fe2O3、γ-Fe2O3、Fe3O4等）、氧化镍（NiO）、氧化铜（CuO）、三氧化铬（CrO3）等，已被用作模拟酶催化葡萄糖氧化的催化剂。除了使用不同的TMO材料外，研究人员还投入了大量精力研究这些材料不同形貌对其性能的影响。文献表明，由于具有较大的比表面积，花状和线状催化剂表现出更优异的性能。
本研究展示了氧化镍纳米花修饰的玻碳电极（NiO NF@GCE）在非酶促葡萄糖传感方面的性能。本工作的核心目标是阐明在玻碳电极上制备和表征用于葡萄糖检测的氧化镍纳米花的过程。安培法检测葡萄糖的结果显示，在0 mM至15 mM的生理相关葡萄糖浓度范围内，电流呈线性增加。该电极具有优异的灵敏度，达281.69 µA mM-1·cm-2，检出限为10 µM。结果表明，在纳米材料负载量超过某一特定浓度后，检测的线性范围随负载质量的增加而增大，但灵敏度随之降低。此外，该电极在存在其他干扰物质（如抗坏血酸、果糖、蔗糖和NaCl）时，对葡萄糖仍表现出高选择性。负载浓度对NiO NF修饰电极选择性的影响显示，当纳米材料的负载量超过某一最佳负载质量后，选择性随之下降。
引言
近二十年来，医疗技术取得了迅速发展。能够实现疾病实时监测的生物传感器是其中的重要进展，这一领域最初由葡萄糖传感器的开发所引领1。自克拉克（Clark）葡萄糖电极发明以来2，葡萄糖传感器已取得显著进步。目前，葡萄糖传感器仍是生物传感领域最普遍的应用，占据整个生物传感器市场高达80%的份额3。然而，大多数商用葡萄糖传感器采用酶法检测模式。酶法传感器的性能高度依赖于分析溶液的温度、pH值、储存时间及储存温度4。由于存在这些局限性，非酶法葡萄糖传感器正成为葡萄糖检测的新趋势。
目前这一代葡萄糖传感器5采用金属和金属氧化物纳米颗粒用于葡萄糖检测。这些金属氧化物在环境条件下具有高度稳定性，因此相较于酶而言是更理想的选择。一种材料若要作为葡萄糖检测的换能器，必须具备四个重要特性。第一个特性是高电催化活性6，这使得过渡金属氧化物（TMOs）成为理想选择。由于其具有多个稳定的氧化态，可在电化学转化过程中用于氧化葡萄糖，因而成为合适的候选材料。第二个特性是具有高比表面积，以提供尽可能多的葡萄糖氧化反应位点。这些金属氧化物的纳米结构化以及形貌调控使其性能优于其块体材料。第三个特性是高电导率，以确保因葡萄糖氧化而引起....
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方案
1. NiO 纳米结构花的合成
- 首先，将 NiCl2·2H2O 溶于 10 mL 乙醇中，配制 6 mM 的溶液。
- 在另一个烧杯中，将 10 mL 聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶于去离子水（DI）中，配制成 3% 的溶液。在 40 kHz（50 W）条件下超声处理 5 分钟，并机械搅拌额外 5 分钟。重复该循环两次，以完全溶解固体 PVP。
注意：若仍有 PVP 未溶解，请再进行一次超声和搅拌循环。 - 待 PVP 完全溶解后，在剧烈搅拌下用移液枪将 10 mL PVP 溶液逐滴加入 10 mL 镍前驱体溶液中。PVP 加入后继续搅拌混合物 30 分钟。
注意：PVP 的加入是获得目标形貌的关键步骤。 - 将 18 mM 的尿素溶液（用 10 mL 去离子水与乙醇 1:1 混合液配制）逐滴加入上述混合液中，使溶液总体积达到 30 mL。
- 搅拌溶液 10 分钟后，转移至聚四氟乙烯容器中，并密封于不锈钢高压反应釜内。
- 密封完成后，将高压反应釜置于电热鼓风干燥箱中，在 160 °C 下反应 6–8 小时。反应结束后，自然冷却至室温。
- 将所得产物在 26.88 × g 条件下离心，收集沉淀用于后续使用。收集到的绿色沉淀 Ni(OH)2 呈凝胶状，上清液为澄清溶剂。倾....
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结果
对NiO纳米花的表征旨在确认其结构和形貌特性。采用X射线衍射（XRD）和拉曼光谱法研究其结构特性，而形貌特征则通过扫描电子显微镜进行确认。
NiO 纳米花的 XRD 图谱显示在 图 1A 中，范围为 20–80°。步长设置为 0.02626°/步，实验扫描速率为 12°/min。XRD 分析显示在 37.2°、43.2°、62.8°、75.3° 和 79.3° 处有清晰的衍射峰，分别对应于 (111)、(200)、(220)、(311) 和 (222) 晶面。这些峰与文献9 报道的结果高度一致，证实了相纯 NiO 的形成，且 Ni(OH)2 和 Ni2O3 相的存在可忽略不计。该结构也通过拉曼光谱得到进一步确认，检测到对应于 NiO 相的四个特征峰。拉曼光谱在 400–1600 cm-1 范围内采集，使用波长为 532 nm 的绿色激光。激光功率为 1 mW，采集时间为 10 s。NiO .......
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讨论
生物分析物的安培检测法是葡萄糖传感中常用的方法。该方法可准确地移植到其他金属氧化物上，例如 ZnO、CuO、Fe2O3、CrO3、MnO2 等。即使对于抗坏血酸、尿酸等不同的分析物，检测过程也基本相同。然而，不同体系的过程参数和优化条件各不相同。该方法高度依赖于以下两个参数。
最佳纳米材料负载量是获得最优响应的关键条件之一。负载参数的三个可量化特性为负载量、均匀的表面覆盖以及良好的附着性。如方法部分所述，首先需要确定特定传感用纳米材料的最佳负载浓度，该内容在方法部分和代表性结果部分均有详细描述。简要总结如下：每次涂覆分散液时，纳米材料会以均匀厚度沉积在电极表面。初始阶段，由于纳米材料质量较小，玻碳电极（GCE）表面尚未被NiO纳米花颗粒完全覆盖。当达到完全表面覆盖后，继续增加负载仅会使薄膜/层的厚度增加。过厚的膜会阻碍NiO颗粒表面与溶液中葡萄糖分子反应所产生的电子向GCE的传递，从而导致电流响应开始下降。在NiO NF 4的负载条件下，所形成的薄膜性能最优，因此被选用于后续实验，以确保最佳性能.......
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披露
作者们没有与现有文献相矛盾的内容需要披露
致谢
Ambesh Dixit 感谢印度政府科学技术部（项目编号：DST/TTI/BDTD/08/2024）以及印度政府微、小型和中型企业部（项目编号：IDEARJ016782）提供的支持。Vijay Kumar Singh 感谢印度政府提供的财政援助。作者们还感谢印度理工学院焦特布尔分校科研创新中心（CRDS）为本研究提供的表征设施。Piyush Choudhary 感谢印度教育部（MoE）、微、小型和中型企业部（MSME）以及印度政府分别提供的经费支持和奖学金资助。所有作者均感谢新德里固体物理实验室的高级科学家 Akhilesh Pandey 在拉曼表征方面提供的帮助，并感谢印度理工学院焦特布尔分校 A-MAD 团队在本课题上给予的支持与协助。Piyush Choudhary 特别感谢 Verma Bunty Sardar 在视频制作过程中提供的协助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Ag/AgCl (3M KCl)参比电极和 | Palmsens | PS111 | |
| 去离子水 | N/A | N/A | |
| 电化学工作站 | Palmsens | Palmsens4 | |
| 乙醇(99.9%) | 常熟松盛精细化工 | 64-17-5 | |
| 玻碳电极 | Palmsens | PS103 | |
| 1 mL 微量移液器 | Thermofischer | 4642090 | |
| 20 µL 微量移液器 | Thermofischer | 4642060 | |
| Nafion | Kanopy Techno Pvt. Ltd | KA06 | |
| NaOH | Qualigens | 1310-73-2 | |
| 二水合氯化镍 (NiCl2·2H2O) | Sigma Aldrich | 69098-15-3 | |
| 聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) | Thermofischer | 227470025 | |
| 铂丝对电极 | Palmsens | MW1032 | |
| 尿素 | Qualigens | 57-13-6 |
参考文献
- Mansour, M., Saeed Darweesh, M., Soltan, A. Wearable devices for glucose monitoring: A review of state-of-the-art technologies and emerging trends. Alex Eng J. 89, 224-243 (2024).
- Clark, L. C., Lyons, C. Electrode systems for continuous monit....
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重印与许可
