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Methodenartikel

NiO-Nanoblüten für nicht-enzymatische amperometrische Erkennung von Glukose

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DOI:

10.3791/68896

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30. Dezember 2025

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1A-MAD Laboratory, Department of Physics, Indian Institute of Technology, Jodhpur, 2Department of Physics, Indian Institute of Technology, Ropar, 3Rishabh Centre for Research and Innovation in Clean Energy, Indian Institute of Technology, Jodhpur

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Das Hauptziel dieses Artikels ist es, Forschern und Wissenschaftlern beim Verständnis des Glukosesensorprozesses mittels Elektrochemie zu helfen und Parameter zu optimieren, um die Glukosesensorantwort zu maximieren. Der Prozess zur Herstellung eines Glukosesensors wird ausführlich beschrieben, mit Richtlinien zur Erlangung der besten chronoamperometrischen Reaktion.

Zusammenfassung

Nicht-enzymatische Glukosesensoren, die nanostrukturierte Metalloxidmaterialien verwenden, gehören derzeit zu den derzeit am umfangreichsten erforschten Themen. Mehrere Übergangsmetalloxide (TMOs), wie Eisenoxide (α-Fe2O3, γ-Fe 2O3, Fe3O4 usw.), Nickeloxid (NiO), Kupferoxid (CuO), Chromtrioxid (CrO3) usw. wurden als enzymnachahmende Katalysatoren für die Glukoseoxidation verwendet. Neben der Verwendung verschiedener TMO-Materialien wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Auswirkungen unterschiedlicher Morphologien dieser Materialien zu untersuchen. Die Literatur zeigt, dass die blüten- und drahtförmigen Katalysatoren aufgrund ihrer großen Oberfläche besser abschneiden.

Diese Studie zeigt die nicht-enzymatischen Glukosesensoreigenschaften von NiO-Nanoblüten-dekorierten glasigen Kohlenstoffelektroden (NiO NF@GCE). Das zentrale Ziel dieser Arbeit ist es, Licht auf die Prozesse bei der Herstellung und Charakterisierung von glukosesensitiven NiO-Nanoblüten auf GCE zu werfen. Die amperometrische Detektion von Glukose zeigt einen linearen Anstieg des Stroms gegenüber physiologisch relevanten Glukosekonzentrationen zwischen 0 mM und 15 mM. Die Elektroden bieten eine ausgezeichnete Empfindlichkeit von 281,69 μA mM-1·cm-2 und eine Detektionsgrenze von 10 μM. Die Ergebnisse zeigen, dass der lineare Detektionsbereich zunimmt, während die Empfindlichkeit mit einer Zunahme der Lademasse des Nanomaterials nach einer bestimmten Belastungskonzentration abnimmt. Außerdem zeigten die Elektroden eine hohe Selektivität gegenüber Glukose in Gegenwart anderer interferierender Arten wie Ascorbinsäure, Fruktose, Saccharose und NaCl. Der Einfluss der Belastungskonzentration auf die Selektivität von NiO-NF-modifizierten Elektroden zeigt eine Abnahme der Selektivität mit der Zunahme der Belastung des Nanomaterials nach einer bestimmten optimalen Belastungsmasse.

Einleitung

Medizinische Technologien haben in den letzten zwei Jahrzehnten rasante Fortschritte erlebt. Biosensorgeräte, die eine Echtzeit-Krankheitsüberwachung ermöglichen, stellen einen bedeutenden Fortschritt dar, der durch die Entwicklung von Glukosesensoren1 begründet wurde. Seit der Erfindung von Clarks Glukoseelektroden2 haben sich die Glukosesensoren erheblich weiterentwickelt. Sie sind immer noch am häufigsten im Biosensing verbreitet und halten einen großzügigen Anteil von 80 % am gesamten Biosensorenmarkt3. Die meisten kommerziellen Glukosesensoren verwenden jedoch einen enzymatischen Nachweismodus. Die enzymatischen Sensoren hängen stark von der Temperatur, dem pH-Wert der analytischen Lösung, der Speicherzeit und derTemperatur 4 ab. Aufgrund dieser Nachteile sind nicht-enzymatische Glukosesensoren der neue Trend in der Glukosemessung.

Die aktuelle Generation derGlukosesensoren 5 verwendet Metall- und Metalloxid-Nanopartikel zur Glukosemessung. Diese Metalloxide sind unter Umgebungsbedingungen sehr stabil und daher eine ideale Wahl gegenüber den Enzymen. Damit ein Material als Transducer für Glukose verwendet werden kann, muss es vier wichtige Eigenschaften besitzen. Das erste Merkmal ist die hohe elektrokatalytische Aktivität6, was TMOs zur idealen Wahl für diesen Zweck macht. Die Verfügbarkeit mehrerer stabiler Oxidationszustände, die zur Oxidation von Glukose während des elektrochemischen Übergangsprozesses verwendet werden können, macht sie zu einem geeigneten Kandidaten. Das zweite ist eine große Oberfläche, um maximale Stellen für die Glukoseoxidation bereitzustellen. Die Nanostrukturierung dieser Metalloxide und die Manipulation der Morphologien verschaffen ihnen einen Vorteil gegenüber ihren eigenen Massgegenstücken. Die dritte ist die hohe elektrische Leitfähigkeit für effiziente Veränderungen im Elektronentransfer durch Glukoseoxidation. Schließlich ist der vierte Punkt die gute Redoxfähigkeit für effektive Reversibilität und Antifouling der Elektrode. Ein vollständig reversibler Übergang bei Metalloxiden ist schwer zu finden. Allerdings können quasi-reversible Prozesse eine gute Alternative sein. NiO-NFs sind eine der besten Optionen für nicht-enzymatische Glukosemessung, da sie in allen vier Kriterien hervorragend erfüllen. NiO übertrifft andere TMOs in Bezug auf Empfindlichkeit, wobei nur CuO eine vergleichbare Leistung zeigt. Andere TMOs, obwohl sie mehrere oxidative Zustände besitzen, haben eine solche Leistung nicht gezeigt. Die höchste berichtete Glukosesensitivität in Literatur7 befindet sich auf einer Ni-basierten Elektrode mit Ni-dotiertem Co3O4. Abgesehen von all den oben genannten Vorteilen sind die NiO-Nanopartikel leicht zu synthetisieren, kosteneffizient, skalierbar und bieten eine hohe Stabilität im alkalischen Medium8. Angesichts seiner alkalischen Stabilität ist NaOH der bevorzugte Elektrolyt für NiO-basierte, nicht-enzymatische Glukosesensorexperimente.

Der Artikel zielt daher darauf ab, NiO NF als glukosesensorisches Material zu verwenden. Die gewählte Basiselektrode ist eine glasartige Kohlenstoffelektrode (GCE), eine der standardisiertesten Elektroden. Es ist jedoch ähnlich anwendbar für andere Substrate, wie Metallschaumelektroden (Ni- und Cu-Schaum), Indiumzinnoxid (ITO) beschichtetes Glas, Fluorzinnoxid (FTO) beschichtetes Glas, Metallelektroden (Au, Ag, Cu usw.) und Siebdruckelektroden. Das GCE kann durch andere erwähnte Elektroden ersetzt werden, und die Prozesse können äquivalent auf diese übertragen werden. Noch wichtiger ist, dass dies auch auf andere Analyten wie Ascorbinsäure, Harnsäure usw. übertragen werden kann. Für Experimente zur chronoamperometrischen Detektion von Glukose wird eine Schritt-für-Schritt-Anleitung bereitgestellt, mit Schwerpunkt auf der Optimierung von Parametern, die die Sensor-Sensor-Leistungsmetriken maximieren.

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Protokoll

1. NiO-Synthese von nanostrukturierten Blüten

  1. Zuerst bereiten Sie eine 6 mM Lösung aus NiCl2·2H2Oin 10 mL Ethanol vor.
  2. In einem separaten Becher werden 10 ml 3%ige Polyvinylpyrrolidon (PVP)-Lösung in deionisiertem (DI) Wasser hergestellt. Ultraschallen Sie die Lösung 5 Minuten lang bei 40 kHz (50 W) und rühren Sie sie mechanisch weitere 5 Minuten um. Wiederhole den Zyklus zweimal, um das feste PVP vollständig aufzulösen.
    HINWEIS: Wenn PVP bleibt, führen Sie einen weiteren Zyklus von Sonikation und Rühren durch.
  3. Sobald das PVP vollständig gelöst ist, geben Sie die 10 ml PVP-Lösung tropfweise mit einer Pipette in 10 mL der Ni-Vorläuferlösung unter kräftigem Rühren. Rühre die Mischung 30 Minuten nach dem Hinzufügen von PVP weiter.
    HINWEIS: Die Hinzufügung von PVP ist ein entscheidender Schritt, um die gewünschte Morphologie zu erreichen.
  4. Geben Sie tropfweise 18 mM Lösung von Harnstoff (in einer 1:1-Mischung von DI: Ethanol in 10 mL) zur vorbereiteten Mischung, sodass das Gesamtvolumen der Lösung auf 30 ml steigt.
  5. Rühren Sie die Lösung 10 Minuten lang um, geben Sie sie in ein Polytetrafluorethylengefäß und versiegeln Sie sie in einem Edelstahlautoklaven.
  6. Sobald es richtig versiegelt ist, bewahre den Autoklaven 6–8 Stunden in einem elektrischen Ofen bei 160 °C. Nach dem Autoklavieren lassen Sie es natürlich auf Zimmertemperatur abkühlen.
  7. Zentrifugieren Sie das resultierende Produkt bei 26,88 x g und sammeln Sie das Präzipitat für die weitere Nutzung. Der gesammelte, grün gefärbte Niederschlag Ni(OH)2 ist gallertartig, und das Überlagerungsmittel besteht aus dem klaren Lösungsmittel. Dekantieren Sie das Lösungsmittel und waschen Sie den Niederschlag mindestens 2-3 Mal mit Ethanol oder DI. Trocknen Sie den gewaschenen Niederschlag bei 70 °C 10 Stunden lang in einem Elektroofen.
  8. Gib das getrocknete Pulver in einen Boxofen bei 450 °C für 4 Stunden zum Glühen und erhalte reine Phase NiO NF, die grau gefärbt ist.

2. Elektrodenfertigung

  1. Poliere GCE mit 0,05 μm Alumina-Nanopartikel-Schlamm auf einem sauberen Elektrodenpolierpad durch wiederholte Bewegungen in Form der Zahl 8. Spülen Sie sofort mit DI-Wasser ab und ultrasonisieren Sie mit einem Badesonikator in IPA und DI jeweils 2 Minuten bei 40 kHz (50 W).
    HINWEIS: Das GCE-Polieren ist ein einfaches Verfahren, bei dem die Oberfläche von Graphit durch mechanisches Reiben an feinem Pulverschlamm auf einem Reinigungspad gereinigt wird. Die häufigste Partikelgröße für die übliche Reinigung beträgt 0,05 μm.
  2. Fügen Sie eine bekannte Masse (3–15 mg) NiO-NF-Pulver zu 3 mL DI hinzu, um eine Nanopartikelsuspension herzustellen, sodass die Konzentration der Nanopartikel zwischen 1 und 5 mg/mL liegt.
  3. Geben Sie die Mischung für 10–20 Minuten in einen Ultraschall-Badegerät, um eine gleichmäßige Dispersion zu erzielen. Stellen Sie sicher, dass nach der Sonikation keine Niederschläge oder abgesetzte Partikel vorhanden sind.
    HINWEIS: Vermeiden Sie übermäßige Sonikation, wenn stabile Suspensionen mit kürzeren Ultraschallzeiten erreicht werden.
  4. Gusse 10 μL des Aliquot, indem du ihn auf die gereinigte Oberfläche der GCE-Elektroden fallen lässt. Je nach Konzentration der Ladelösung werden die Elektroden dann NiO NF 1, NiO NF 2, NiO NF 3, NiO NF 4 bzw. NiO NF 5 genannt.
    HINWEIS: Für konsistente Ergebnisse sollten Sie den Tropfen vorsichtig genau auf die Oberfläche des gläsernen Kohlenstoffs legen und nicht auf den Körper der Polymerelektrode. Wenn der Abfall von 10 μL zu groß erscheint, benutze ein kleineres Volumen der Federung, um nur die GCE-Oberfläche zu bedecken.
  5. Lassen Sie die Elektroden über Nacht bei Raumtemperatur trocknen (10–12 Stunden).
  6. Schließlich wird eine verdünnte Bindemittellösung (0,5 Gewichtsprozent in Ethanol) verwendet, um die Nanopartikel kompakt an die Oberfläche der Elektrode zu binden. Dafür werden 6 μL der Lösung vorsichtig auf die modifizierten Elektroden gegossen und 30 Minuten in Raumtemperatur getrocknet.
  7. Bewahren Sie die Elektroden bis zum weiteren Gebrauch in einem Desikator auf.
    HINWEIS: Vermeiden Sie längere Exposition gegenüber Umgebungsbedingungen, da dies die Reaktionen der Elektrode durch Veränderungen im Nafion verändern könnte.

3. Elektrochemischer Nachweisprozess

  1. Für die elektroanalytische Lösung nehmen Sie 20 ml 0,1 M NaOH-Lösung in der elektrochemischen Zelle.
  2. Verwenden Sie ein Drei-Elektroden-Setup, um die Glukosekonzentration zu analysieren. Der Ag/AgCl (3 M KCl) und der Pt-Draht sind jeweils Referenz- und Gegenelektrode.
  3. Aktivieren Sie die NiO-NF@GCE Elektrode, indem Sie sie mit 15 Zyklen zyklischer Voltammetrie (CV) stabilisieren. Das Potentialfenster des CV beträgt 0–0,8 V bei einer Schnellabtastrate von 200 mV/s. Das Ni+3/Ni+2-Reduktionsspitzenpotential liegt üblicherweise bei etwa 0,4–0,6 V.
  4. Nach der Stabilisierung wird eine Chronoamperometrie zur Echtzeitdetektion von Glukose mit der NiO-NF@GCE-Elektrode durchgeführt.
    1. Erstens wird die Basislinie durch Chronoamperometrie am Ni-Reduktionspotential oder Glukoseoxidationspotential (wie aus CV gewonnen) für 100 Sekunden festgelegt.
      HINWEIS: Die Stabilitätszeit kann unterschiedlich gewählt werden, wobei zu beachten ist, dass der Strom für mindestens 10 Sekunden konstant bleibt, bis zur gewählten Zeit für die Basisstromaufnahme.
    2. Sobald der Grundstrom etabliert ist, pausieren Sie das chronoamperometrische Experiment mit der Pause-Schaltfläche in der Software.
  5. Für die Analyse bereiten Sie eine 2 M große Glukoselösung vor.
  6. Heben Sie den Elektrodenstand an und fügen Sie 10 μL der Glukoselösung zur elektroanalytischen Lösung hinzu, sodass die Glukosekonzentration der vollständigen elektroanalytischen Lösung mit vernachlässigbarer Veränderung des Gesamtvolumens 1 mM beträgt. Rühren Sie die Lösung 30 Sekunden lang, um Homogenität zu erreichen.
  7. Dann setzen Sie die Elektroden wieder in ihren vorherigen Zustand zurück und setzen Sie die chronoamperometrische Messung nach 5 Sekunden fort, indem Sie den in der Software verfügbaren Wiedergabeknopf drücken.
  8. Wählen Sie ein 30-seündiges Analysefenster für die chronoamperometrische Detektion verschiedener Glukosekonzentrationen.
  9. Wiederholen Sie den Vorgang von Schritt 3,6 bis 3,8, um die Glukosekonzentration schrittweise auf bis zu 15 mM zu erhöhen und die chronoamperometrische Reaktion aufzuzeichnen.

4. Optimierung elektrochemischer Prozessparameter

HINWEIS: Der elektrochemische Detektionsprozess hat mehrere Parameter, wie z. B. die Bestimmung des Potentialfensters, die Bestimmung des besten Potentials der chronoamperometrischen Detektion, Zeit für die Bestimmung der Konzentration, die Belastungskonzentration des Materials usw. Obwohl es keine feste Methode oder Workflow-Reihenfolge zur Optimierung dieser Parameter gibt, können die folgenden Schritte dazu beitragen, sie bestmöglich zu optimieren.

  1. In einem typischen Anfangsexperiment beginnt man mit einer niedrigen Nanomaterialkonzentration (~1 mg/mL).
    HINWEIS: Um die Prozessparameter zu optimieren, werden zwei wichtige Sensoreigenschaften berücksichtigt. Erstens die Empfindlichkeit oder Empfindlichkeit gegenüber dem Analyten (in diesem Fall Glukose). Das Hauptziel ist es, die Empfindlichkeit oder Responsivität zu maximieren (Änderung der aktuellen Antwort pro zugesetzter Glukoseeinheit). Zweitens, aber von gleicher Bedeutung, ist der lineare Detektionsbereich. Ein dynamisch breiter Bereich linearer Verhaltensweisen ist für die Glukosedetektion unerlässlich.
  2. Optimieren Sie das Potentialfenster, in dem die Faradaische Reaktion stattfindet.
  3. Führen Sie zunächst einen breiten Scan von -1 V bis +1 V mit zyklischer Voltammetrie durch.
  4. Identifizieren Sie nun einen kleinen Potentialbereich, in dem die Farada-Reaktion stattfindet, anhand der Reduktions- und Oxidationsspitzen des elektrochemischen Prozesses. Zum Beispiel reicht ein Fenster von 0,1–0,8 V für NiO-NF@GCE-basierte Elektroden in 0,1 M NaOH aus.
  5. Sammle die zyklischen Voltammogramme für den elektrochemischen Prozess in diesem Potentialfenster.
  6. Fügen Sie der Lösung eine kleine Menge Glukose (typischerweise 1 mM) hinzu, um Redox-Peaks im zyklischen Voltammogramm (CV) erscheinen zu lassen und mehrere Peaks durch Verstärkung des Peaks entsprechend der Glukoseoxidation aufzulösen.
  7. Identifizieren Sie das anodische Peakpotential, das mit der Glukosekonzentration variiert, als elektrochemisches Potential, bei dem Glukose oxidiert wird. Messen Sie chronoamperometrische Reaktionen, die etwas über diesem Potential liegen.
  8. Sobald das Potentialfenster und das Potential der Glukoseoxidation identifiziert sind, ermitteln Sie die optimale Belastungskonzentration, indem Sie die Konzentration des Nanomaterials, das auf die Elektrode geworfen wurde, auf die Elektrode verändert. Im vorliegenden Fall ist 4 mg/mL die optimale Ladekonzentration.
    HINWEIS: Im Allgemeinen steigt bei den meisten in der Literatur beschriebenen NiO-basierten Elektroden die Empfindlichkeit mit einer Erhöhung der Belastungskonzentration um bis zu 3 mg/mL und nimmt danach ab. In der Regel zeigt die 3 mg/mL Federung die höchste Empfindlichkeit und den größten linearen Bereich. Daher ist derjenige, der bei jeder Glukoseerhöhung immer größere Veränderungen im Strom zeigt, am besten.
  9. Feinjustieren Sie andere Parameter wie das Analysefenster und das analytische Potenzial, indem Sie Empfindlichkeit, linearen Bereich und Konsistenz der erhaltenen Ergebnisse maximieren.
    1. Nutzen Sie ein 30-Sekunden-Analysefenster, um wiederholbare Ergebnisse zu erhalten, auch ohne Glukosezusatz.
    2. Beobachten Sie visuelle Hinweise in der chronoamperometrischen Kurve, um sicherzustellen, dass sich der Strom nach 30 Sekunden stabilisiert.
      HINWEIS: Für die Abstimmung von Parametern ist es wichtig, sich auf die Verbesserung der Konsistenz der Messung zu konzentrieren, da die Maximierung bereits erreicht wurde. Suchen Sie nach visuellen Hinweisen in der chronoamperometrischen Kurve. Der Stromspitze kehrt fast auf denselben Wert zurück, wenn keine Glukose hinzugefügt wird. Außerdem bleibt die Stromänderung (ΔI) bei gleichzeitiger Addition an jedem Inkrement, ebenfalls relativ konstant. Vermeiden Sie längere Analysephasen und halten Sie ein Gleichgewicht zwischen Konsistenz und Sensibilität aufrecht.
  10. Sobald alle Parameter optimiert sind, charakterisieren Sie mindestens zehn Elektroden unter den optimierten experimentellen Bedingungen, um die Kalibrierungskurve durch lineare Anpassung der Daten mit unterschiedlichen Konzentrationen nach 30 Sekunden für alle zehn Elektroden zu zeichnen.
    HINWEIS: In dieser Studie wurde ein kleinerer Satz von 5 Elektroden gewählt.

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Ergebnisse

Die Charakterisierung der NiO-Nanoblüten wurde durchgeführt, um ihre strukturellen und morphologischen Eigenschaften zu bestätigen. Die strukturellen Eigenschaften wurden mit Röntgenbeugungs- (XRD) und Raman-spektroskopischen Methoden untersucht. Die Morphologie hingegen wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie bestätigt.

Das XRD-Muster der NiO-Nanoblüten ist in Abbildung 1A für den Bereich von 20 bis 80° dargestellt. Die Schritt...

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Diskussion

Die amperometrische Detektion von Bioanalyten ist eine gängige Methode zur Glukosemessung. Dieser Prozess kann exakt mit anderen Metalloxiden wie ZnO, CuO, Fe2O3, CrO3, MnO2 usw. transponiert werden. Der Prozess bleibt auch bei verschiedenen Analyten wie Ascorbinsäure, Harnsäure usw. gleich. Die Prozessparameter und die Optimierung variieren jedoch von System zu System. Das Verfahren hängt stark von zwei unten genannten Parametern ab.

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts, was der verfügbaren Literatur widerspricht, offenzulegen

Danksagungen

Ambesh Dixit erkennt die DST der indischen Regierung durch Projekt Nr. DST/TTI/BDTD/08/2024. Vijay Kumar Singh dankt der indischen Regierung für finanzielle Unterstützung. Die Autoren erkennen außerdem das Center for Research and Development of Scientific Innovation (CRDS), IIT Jodhpur, für die in dieser Arbeit verwendeten Charakterisierungseinrichtungen an. Piyush Choudhary dankt dem MoE, MSME und der indischen Regierung für Finanzierung bzw. Stipendien. Alle Autoren möchten dem leitenden Wissenschaftler Akhilesh Pandey vom Solid State Physics Laboratory in Neu-Delhi für seine Unterstützung bei der Charakterisierung von Raman sowie der A-MAD-Gruppe des IIT Jodhpur für ihre Unterstützung und Unterstützung zu diesem Thema danken.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Ag/AgCl (3M KCl) Referenzelektroden und PalmsensPS111
DI-WasserN/AN/A
Elektrochemische ArbeitsstationPalmsens  Palmsens4
Ethanol (99,9 %)Changshu Song Sheng Feinchemikalien64-17-5
Glasige KohlenstoffelektrodenPalmsensPS103
Micropippete 1 mLThermofischer4642090
Micropippete 20 & Micro; LThermofischer4642060
Nafion Kanopy Techno Pvt. LtdKA06
NaOH Qualigens1310-73-2
Nickelchloriddihydrat (NiCl2&Middot; 2H2O)   Sigma Aldrich69098-15-3
Polyvinyl-Pyrrolidinon (PVP)Thermofischer227470025
Pt Drahtzähler ElektrodePalmsensMW1032
HarnstoffQualigens57-13-6

Referenzen

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