L’objectif principal de cet article est d’aider les chercheurs et scientifiques à comprendre le processus de détection du glucose en utilisant l’électrochimie et d’optimiser les paramètres pour maximiser la réponse de détection du glucose. Le processus de fabrication d’un capteur de glucose est décrit en détail avec des directives pour obtenir la meilleure réponse chronoampérométrique.
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Article de méthode
NiO Nanoflowers pour la détection ampérométrique non enzymatique du glucose
Dans cet article
Résumé
Résumé
Les capteurs de glucose non enzymatiques utilisant des matériaux métalliques oxydés nanostructurés font partie des sujets les plus étudiés actuellement. Plusieurs oxydes de métaux de transition (TMO), tels que les oxydes de fer (α-Fe2O3, γ-Fe 2O3, Fe3O 4, etc.), l’oxyde de nickel (NiO), l’oxyde de cuivre (CuO), le trioxyde de chrome (CrO 3), etc., ont été utilisés comme catalyseurs imitant les enzymes pour l’oxydation du glucose. Parallèlement à l’utilisation de différents matériaux TMO, des efforts considérables ont été déployés pour étudier l’impact des différentes morphologies de ces matériaux. La littérature montre que les catalyseurs en forme de fleur et de fil fonctionnent mieux grâce à leur grande surface.
Cette étude présente les propriétés non enzymatiques de détection du glucose des électrodes vitreuses de carbone décorées de nanofleurs de NiO (NiO NF@GCE). L’objectif central de ce travail est d’éclairer les processus impliqués dans la fabrication et la caractérisation des nanofleurs NiO sensibles au glucose sur le GCE. La détection ampérométrique du glucose montre une augmentation linéaire du courant par rapport aux concentrations de glucose physiologiquement pertinentes allant de 0 mM à 15 mM. Les électrodes offrent une excellente sensibilité de 281,69 μA mM-1·cm-2 et une limite de détection de 10 μM. Les résultats montrent que la plage linéaire de détection augmente tandis que la sensibilité diminue avec l’augmentation de la masse de charge du nanomatériau après une certaine concentration de charge. De plus, les électrodes ont montré une forte sélectivité envers le glucose en présence d’autres espèces interférentes, telles que l’acide ascorbique, le fructose, le saccharose et le NaCl. L’impact de la concentration de charge sur la sélectivité des électrodes modifiées par NiO NF montre une diminution de la sélectivité avec l’augmentation de la charge du nanomatériau après une certaine masse de charge optimale.
Introduction
Les technologies médicales ont connu des progrès rapides au cours des deux dernières décennies. Les dispositifs de biodétection permettant la surveillance en temps réel des maladies représentent une avancée majeure, pionnière avec le développement des capteurs deglucose 1. Depuis l’invention des électrodes deglucose 2 de Clark, les capteurs de glucose ont considérablement progressé. Ils restent les plus courants en biodétection et détiennent une part généreuse de 80 % de l’ensemble du marchédes biocapteurs 3. Cependant, la plupart des capteurs de glucose commerciaux utilisent un mode enzymatique de détection. Les capteurs enzymatiques dépendent fortement des performances en fonction de la température, du pH de la solution analytique, du temps de stockage et de la température4. En raison de ces inconvénients, les capteurs de glucose non enzymatiques représentent la nouvelle tendance dans la détection du glucose.
La génération actuelle de capteurs deglucose 5 utilise des nanoparticules métalliques et d’oxydes métalliques pour la détection du glucose. Ces oxydes métalliques sont très stables dans les conditions ambiantes et constituent donc un choix idéal par rapport aux enzymes. Pour qu’un matériau soit utilisé comme transducteur de glucose, il doit posséder quatre caractéristiques importantes. La première caractéristique est une activité électrocatalytiqueélevée 6, faisant des TMO le choix idéal à cet effet. La disponibilité de plusieurs états d’oxydation stables pouvant être utilisés pour oxyder le glucose lors du processus de transition électrochimique en fait un candidat approprié. La seconde est une grande surface pour fournir un maximum de sites d’oxydation du glucose. La nanostructuration de ces oxydes métalliques et la manipulation des morphologies leur confèrent un avantage sur leurs homologues en masse. Le troisième est une conductivité électrique élevée pour les variations efficaces du transfert d’électrons dues à l’oxydation du glucose. Enfin, le quatrième est la bonne capacité redox pour une réversibilité efficace et un antifouling de l’électrode. Une transition complètement réversible dans le cas des oxydes métalliques est difficile à trouver. Cependant, les processus quasi-réversibles peuvent être une bonne alternative. Les NiO NF sont l’une des meilleures options pour la détection non enzymatique du glucose car elles remplissent parfaitement les quatre critères. NiO surpasse les autres TMO en termes de sensibilité, seul CuO montrant des performances comparables. D’autres TMO, bien qu’ils possèdent plusieurs états oxydatifs, n’ont pas démontré de telles performances. La plus grande sensibilité au glucose rapportée dans lalittérature 7 se trouve sur une électrode à base de Ni avec du Co3O 4 dopé au Ni. Outre tous les avantages mentionnés ci-dessus, les nanoparticules de NiO sont faciles à synthétiser, économiques, évolutives et offrent une grande stabilité dans un milieualcalin 8. Compte tenu de sa stabilité alcaline, le NaOH est l’électrolyte de choix pour les expériences de détection du glucose non enzymatique à base de NiO.
L’article vise donc à utiliser NiO NF comme matériau de détection du glucose. L’électrode de base choisie est une électrode carbone vitreuse (ECG), qui est l’une des électrodes les plus standard. Cependant, elle est également applicable à d’autres substrats, tels que les électrodes en mousse métallique (mousse de Ni et Cu), le verre recouvert d’oxyde d’indium-étain (ITO), le verre recouvert d’oxyde d’étain de fluor (FTO), les électrodes métalliques (Au, Ag, Cu, etc.) et les électrodes sérigraphiées. Le GCE peut être remplacé par d’autres électrodes mentionnées, et les procédés peuvent être transférés de manière équivalente sur celles-ci. Plus important encore, cela peut aussi être traduit à d’autres analytes tels que l’acide ascorbique, l’acide urique, etc. Un guide étape par étape est fourni pour les expériences liées à la détection chronoampérométrique du glucose, en mettant l’accent sur l’optimisation des paramètres maximisant les métriques de performance de détection du capteur.
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Protocole
1. Synthèse nanostructurée de la flor NiO
- Préparez d’abord une solution de 6 mM de NiCl2,2H 2O dans 10 mL d’éthanol.
- Dans un bécher séparé, préparez 10 mL de solution de polyvinylpyrroldone (PVP) à 3 % dans de l’eau déionisée (DI). Ultrasoniser la solution pendant 5 minutes à 40 kHz (50 W) et remuer mécaniquement pendant 5 minutes supplémentaires. Répétez le cycle deux fois pour dissoudre complètement le PVP solide.
REMARQUE : Si le PVP persiste, effectuez un autre cycle de sonication et de brassage. - Une fois le PVP complètement dissous, ajoutez les 10 mL de solution PVP goutte dans les gouttes à l’aide d’une pipette dans 10 mL de la solution précurseur de Ni sous un brassage vigoureux. Continuez à remuer le mélange pendant 30 minutes après l’ajout en PVP.
REMARQUE : L’ajout du PVP est une étape cruciale pour obtenir la morphologie souhaitée. - Ajoutez une solution de 18 mM d’urée (dans un mélange 1:1 d’éthanol DI dans 10 mL) goutte dans l’eau préparée, portant le volume total de la solution à 30 mL.
- Remuez la solution pendant 10 minutes, transférez-la dans un récipient en polytétrafluoroéthylène, puis scellez-la dans un autoclave en acier inoxydable.
- Une fois bien scellé, gardez l’autoclave dans un four électrique à 160 °C pendant 6 à 8 heures. Après l’autoclavage, laissez-la refroidir naturellement à température ambiante.
- Centrifugez le produit résultant à 26,88 x g et collectez le précipité pour un usage ultérieur. Le précipité de couleur verte collecté, Ni(OH)2 , est de nature gélatineuse, et le surnageant est constitué du solvant clair. Décantez le solvant et lavez le précipité avec de l’éthanol ou du DI au moins 2 à 3 fois. Faites sécher le précipité lavé à 70 °C pendant 10 heures dans un four électrique.
- Mettez la poudre séchée dans un four en boîte à 450 °C pendant 4 heures pour recuit et obtenez la phase pure de NiO NF, qui est grise.
2. Fabrication d’électrodes
- Polir la ECG avec une bouillie de nanoparticules d’alumine de 0,05 μm sur un tampon de polissage d’électrodes propre par des mouvements répétés en forme de chiffre 8. Rincez immédiatement avec de l’eau DI et ultrasonez avec un sonicateur de bain en IPA et DI pendant 2 minutes chacun à 40 kHz (50 W).
REMARQUE : Le polissage GCE est une procédure simple où la surface du graphite est nettoyée en la frottant mécaniquement contre une fine suspension de poudre sur un tampon de nettoyage. La taille de particule la plus courante pour un nettoyage courant est de 0,05 μm. - Ajoutez une masse connue (3 à 15 mg) de poudre de NiO NF à 3 mL de DI pour préparer une suspension de nanoparticules de sorte que la concentration de nanoparticules varie de 1 à 5 mg/mL.
- Mettez le mélange dans un ultrasonicateur de bain pendant 10 à 20 minutes pour obtenir une dispersion uniforme. Assurez-vous qu’il n’y a pas de précipités ni de particules déposées après la sonication.
REMARQUE : Évitez une sonication excessive si des suspensions stables sont obtenues avec des temps d’ultrasonisation plus courts. - Couler 10 μL de l’aliquote en la déposant sur la surface nettoyée des électrodes GCE. Ensuite, selon la concentration de la solution de charge, on nomme respectivement les électrodes NiO NF 1, NiO NF 2, NiO NF 3, NiO NF 4, NiO NF 5.
REMARQUE : Pour des résultats cohérents, placez soigneusement la goutte exactement à la surface du carbone vitreux et non sur le corps de l’électrode polymère. Si la chute de 10 μL semble excessive, utilisez un volume plus petit de la suspension pour simplement couvrir la surface du GCE. - Laissez sécher les électrodes à température ambiante toute la nuit (10-12 h).
- Enfin, utilisez une solution liante diluée (0,5 % en poids d’éthanol) pour une liaison compacte des nanoparticules à la surface de l’électrode. Pour cela, faites soigneusement déposer 6 μL de la solution sur les électrodes modifiées et laissez-les sécher à l’air à température ambiante pendant 30 minutes.
- Gardez les électrodes dans un dessiccateur jusqu’à une utilisation ultérieure.
REMARQUE : Évitez une exposition prolongée aux conditions ambiantes, car cela pourrait modifier les réponses de l’électrode en raison de modifications du nafion.
3. Procédé de détection électrochimique
- Pour la solution électroanalytique, on prend 20 mL de solution de 0,1 M NaOH dans la cellule électrochimique.
- Utilisez un système à trois électrodes pour analyser la concentration de glucose. Le fil Ag/AgCl (3 M KCl) et le fil Pt sont respectivement l’électrode de référence et l’électrode de contre.
- Activez l’électrode de NF@GCE NiO en la stabilisant avec 15 cycles de voltammétrie cyclique (CV). La fenêtre de potentiel du CV est de 0 à 0,8 V à un débit de balayage rapide de 200 mV/s. Le potentiel de pic de réduction Ni+3/Ni+2 est généralement d’environ 0,4 à 0,6 V.
- Après la stabilisation, effectuez une chronoampérométrie pour la détection en temps réel du glucose à l’aide de l’électrode NiO NF@GCE.
- Tout d’abord, établir la référence de référence en effectuant une chronoampérométrie au potentiel de réduction de Ni ou au potentiel d’oxydation du glucose (obtenu à partir de la CV) pendant 100 s.
REMARQUE : Le temps de stabilité peut être choisi différemment, en gardant à l’esprit que le courant reste constant pendant au moins 10 secondes jusqu’au temps choisi pour établir le courant de base. - Une fois le courant de base établi, mettez l’expérience chronoampérométrique en pause en utilisant le bouton Pause dans le logiciel.
- Tout d’abord, établir la référence de référence en effectuant une chronoampérométrie au potentiel de réduction de Ni ou au potentiel d’oxydation du glucose (obtenu à partir de la CV) pendant 100 s.
- Pour l’analyse, préparez une solution de glucose de 2 millions de stock.
- Soulevez le support d’électrodes et ajoutez 10 μL de la solution gluco-stock à la solution électroanalytique, ce qui fait que la concentration de glucose de la solution électroanalytique complète est de 1 mM avec une variation négligeable du volume total. Remuer la solution pendant 30 secondes pour obtenir une homogénéité.
- Ensuite, remettez les électrodes dans leur état précédent et reprenez la mesure chronoampérométrique après 5 s en appuyant sur le bouton Reprendre disponible dans le logiciel.
- Choisissez une fenêtre d’analyse de 30 s pour la détection chronoampérométrique de diverses concentrations de glucose.
- Répétez le processus de l’étape 3,6 à 3,8 pour augmenter progressivement la concentration de glucose jusqu’à 15 mM et enregistrer la réponse chronoampérométrique.
4. Optimisation des paramètres électrochimiques des procédés
REMARQUE : Le processus de détection électrochimique comporte plusieurs paramètres, tels que la détermination du potentiel de fenêtre, la détermination du meilleur potentiel de détection chronoampérométrique, le temps de détermination de la concentration, la concentration de charge du matériau, etc. Bien qu’il n’existe pas de méthode ou d’ordre de flux de travail fixe pour optimiser ces paramètres, les étapes suivantes peuvent aider à les optimiser au mieux.
- Dans une expérience initiale typique, on commence par une faible concentration de nanomatériau (~1 mg/mL).
REMARQUE : Pour optimiser les paramètres du procédé, deux caractéristiques importantes des capteurs sont prises à l’esprit. Premièrement, la sensibilité ou la réactivité envers l’analyte (dans ce cas, le glucose). L’objectif principal est de maximiser la sensibilité ou la réactivité (variation de la réponse actuelle par unité de glucose ajoutée). Deuxièmement, mais d’une importance équivalente, est la plage linéaire de détection. Une gamme dynamique de comportements linéaires est essentielle pour la détection du glucose. - Optimiser la fenêtre potentielle dans laquelle la réaction faradaïque se produit.
- Au départ, effectuer un balayage large de -1 V à +1 V en utilisant la voltamétrie cyclique.
- Identifiez maintenant une petite plage de potentiel où la réaction faradaïque a lieu en utilisant les pics de réduction et d’oxydation du procédé électrochimique. Par exemple, une fenêtre de 0,1 à 0,8 V suffit pour des électrodes à base de NiO NF@GCE dans un NaOH de 0,1 M.
- Collectez les voltammogrammes cycliques pour le processus électrochimique dans cette fenêtre de potentiel.
- Ajoutez une petite quantité de glucose (généralement 1 mM) à la solution pour faire apparaître des pics redox dans le voltammogramme cyclique (CV) et pour résoudre plusieurs pics en augmentant le pic correspondant à l’oxydation du glucose.
- Identifier le potentiel de pic anodique, qui varie avec la concentration de glucose, comme le potentiel électrochimique où le glucose est oxydé. Mesurez les réponses chronoampérométriques légèrement supérieures à ce potentiel.
- Une fois la fenêtre de potentiel et le potentiel d’oxydation du glucose identifiés, on détermine la concentration de charge optimale en modifiant la concentration du nanomatériau en suspension, drop-cast, sur l’électrode. Dans le cas présent, 4 mg/mL est la concentration optimale de charge.
REMARQUE : En général, pour la plupart des électrodes à base de NiO décrites dans la littérature, la sensibilité augmente avec une concentration en suspension de charge jusqu’à 3 mg/mL, puis diminue par la suite. Habituellement, la suspension 3 mg/mL présente la plus grande sensibilité et la plus grande plage linéaire. Ainsi, celui qui montre constamment des variations plus importantes de courant à chaque augmentation de glucose est le meilleur. - Ajustez finement d’autres paramètres, tels que la fenêtre d’analyse et le potentiel analytique, en maximisant la sensibilité, la plage linéaire et la cohérence des résultats obtenus.
- Utilisez une fenêtre d’analyse de 30 s pour obtenir des résultats répétables même sans ajouter de glucose.
- Observez les indices visuels dans la courbe chronoampérométrique, en veillant à ce que le courant se stabilise après 30 s.
REMARQUE : Pour les paramètres d’ajustement, il est essentiel de se concentrer sur l’amélioration de la cohérence de la mesure, puisque la maximisation a déjà été atteinte. Cherchez des indices visuels dans la courbe chronoampérométrique. Le pic actuel revient à presque la même valeur lorsque le glucose n’est pas ajouté. De plus, la variation du courant (ΔI) en cas d’addition simultanée à chaque incrément reste également assez constante. Évitez les durées d’analyse plus longues et maintenez un équilibre entre cohérence et sensibilité.
- Une fois tous les paramètres optimisés, caractérisez au moins dix électrodes aux conditions expérimentales optimisées pour tracer la courbe d’étalonnage par ajustement linéaire des données extraites à différentes concentrations après 30 s pour les dix électrodes.
REMARQUE : Un ensemble plus restreint de 5 électrodes a été choisi dans cette étude.
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Résultats
La caractérisation des nanofleurs de NiO a été réalisée pour affirmer leurs propriétés structurelles et morphologiques. Les propriétés structurelles ont été étudiées à l’aide de la diffraction des rayons X (XRD) et des méthodes spectroscopiques Raman. La morphologie, en revanche, a été confirmée à l’aide de la microscopie électronique à balayage.
Le motif XRD des nanofleurs de NiO est illustré à la Figure 1A pour une plage de 20 à...
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Discussion
La détection ampérométrique des bioanalytes est une méthode courante utilisée pour la détection du glucose. Ce procédé peut être exactement transposé avec d’autres oxydes métalliques tels que ZnO, CuO, Fe2O 3,CrO 3, MnO2, etc. Le processus reste le même même pour différents analytes comme l’acide ascorbique, l’acide urique, etc. Cependant, les paramètres du procédé et l’optimisation varient d’un système à l’autre. La procédure dépend fortement ...
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Déclarations de divulgation
Les auteurs n’ont rien à divulguer en contradiction avec la littérature disponible
Remerciements
Ambesh Dixit reconnaît la date de service de l’Information, Gouvernement de l’Inde, par le projet n° DST/TTI/BDTD/08/2024. Vijay Kumar Singh remercie le gouvernement indien pour son aide financière. Les auteurs reconnaissent également le Center for Research and Development of Scientific Innovation (CRDS), IIT Jodhpur, pour les installations de caractérisation utilisées dans ce travail. Piyush Choudhary remercie respectivement le ministère de l’Éducation, les PME et le gouvernement indien pour leur financement et leur bourse. Tous les auteurs souhaitent remercier le scientifique principal Akhilesh Pandey, Solid State Physics Laboratory, New Delhi, pour son aide à la caractérisation de Raman, ainsi que le groupe A-MAD, IIT Jodhpur, pour leur soutien et leur aide sur ce sujet.
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Matériaux
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Électrodes de référence Ag/AgCl (3M KCl) et ; | Palmsens | PS111 | |
| DI eau | N/A | N/A | |
| Poste de travail électrochimique | Palmsens | ; Palmsens4 | |
| Éthanol (99,9 %) | Produits chimiques fins Changshu Song Sheng | 64-17-5 | |
| Électrodes carbonées vitreuses | Palmsens | PS103 | |
| Micropippete 1 mL | Thermofischer | 4642090 | |
| Micropippete 20 & micro ; L | Thermofischer | 4642060 | |
| Nafion ; | Kanopy Techno Pvt. Ltd | KA06 | |
| NaOH ; | Qualigens | 1310-73-2 | |
| Chlorure de nickel dihydré (NiCl2& middot ; 2H2O) ; ; | Sigma Aldrich | 69098-15-3 | |
| Polyvinyl Pyrrolidinone (PVP) | Thermofischer | 227470025 | |
| Électrode de contre-ligne de fil PT | Palmsens | MW1032 | |
| Urée | Qualigens | 57-13-6 |
Références
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Réimpressions et autorisations
