המטרה העיקרית של מאמר זה היא לסייע לחוקרים ולמדענים להבין את תהליך חישת הגלוקוז באמצעות אלקטרוכימיה ולייעל פרמטרים כדי למקסם את תגובת חישה הגלוקוז. תהליך ייצור חיישן גלוקוז מתואר בפירוט עם הנחיות להשגת התגובה הכרונואמפרומטרית הטובה ביותר שלו.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
המטרה העיקרית של מאמר זה היא לסייע לחוקרים ולמדענים להבין את תהליך חישת הגלוקוז באמצעות אלקטרוכימיה ולייעל פרמטרים כדי למקסם את תגובת חישה הגלוקוז. תהליך ייצור חיישן גלוקוז מתואר בפירוט עם הנחיות להשגת התגובה הכרונואמפרומטרית הטובה ביותר שלו.
חיישני גלוקוז לא-אנזימטיים המשתמשים בחומרים של תחמוצת מתכת ננו-מבנית הם בין הנושאים הנחקרים ביותר כיום. מספר תחמוצות מתכות מעבר (TMOs), כגון תחמוצות ברזל (α-Fe2O3, γ-Fe 2O3, Fe3O4 ועוד), תחמוצת ניקל (NiO), תחמוצת נחושת (CuO), תחמוצת כרום (CrO3) ועוד, שימשו כזרזים המחקים אנזימים לחמצון גלוקוז. בנוסף לשימוש בחומרים שונים של TMO, הושקעו מאמצים רבים בחקר השפעת המורפולוגיות השונות של חומרים אלו. הספרות מראה שהזרזים בצורת פרחים וחוטים מתפקדים טוב יותר בזכות שטח הפנים הגדול שלהם.
מחקר זה מציג את תכונות חיישת הגלוקוז הלא-אנזימטיות של אלקטרודות פחמן זכוכיתיות מקושטות בפרחי NiO (NiO NF@GCE). המטרה המרכזית של עבודה זו היא להאיר את התהליכים המעורבים בייצור ואפיון של ננו-פרחי NiO החיישנים גלוקוז על GCE. הזיהוי האמפרומטרי של גלוקוז מראה עלייה ליניארית בזרם מעל ריכוזי גלוקוז פיזיולוגיים רלוונטיים בטווח של 0 מ"מ עד 15 מ"מ. האלקטרודות מציעות רגישות מצוינת של 281.69 מיקרואמפר mM-1·cm-2 ומגבלת גילוי של 10 מיקרומטר. התוצאות מראות כי טווח הגילוי הליניארי עולה בעוד שהרגישות יורדת עם עלייה במסת העומס של הננו-חומר לאחר ריכוז עומס מסוים. בנוסף, האלקטרודות הראו סלקטיביות גבוהה כלפי גלוקוז בנוכחות מינים מתערבים אחרים, כגון חומצה אסקורבית, פרוקטוז, סוכרוז ו-NaCl. השפעת ריכוז העומס על הסלקטיביות של אלקטרודות NiO שעברו עיבוד NF מראה ירידה בסלקטיביות עם העלייה בעומס הננו-חומר לאחר מסה אופטימלית מסוימת.
טכנולוגיות רפואיות חוו התקדמות מהירה בעשרים השנים האחרונות. מכשירי חישה ביולוגית המאפשרים ניטור מחלות בזמן אמת מהווים התקדמות משמעותית, שהושגה בפיתוח חיישני גלוקוז1. מאז המצאת אלקטרודות הגלוקוז2 של קלארק, חיישני הגלוקוז התקדמו משמעותית. הם עדיין הנפוצים ביותר בחישה ביולוגית ומחזיקים נתח עצום של 80% מכל שוק הביוסנסורים3. עם זאת, רוב חיישני הגלוקוז המסחריים משתמשים באמצעי זיהוי אנזימטי. החיישנים האנזימטיים תלויים בביצועים גבוהים בטמפרטורה, pH של התמיסה האנליטית, זמן אחסון וטמפרטורה4. בגלל חסרונות אלו, חיישני גלוקוז לא-אנזימטיים הם הטרנד החדש בחיישת גלוקוז.
הדור הנוכחי של חיישני גלוקוז5 משתמש בננו-חלקיקי מתכת ותחמוצת מתכת לצורך חיישת גלוקוז. תחמוצות המתכת הללו יציבות מאוד בתנאים סביבתיים ולכן הן בחירה אידיאלית על פני האנזימים. כדי שחומר ישמש כממיר לגלוקוז, עליו להיות בעל ארבעה מאפיינים חשובים. המאפיין הראשון הוא הפעילות האלקטרוקטליטיתהגבוהה 6, מה שהופך את TMOs לבחירה האידיאלית למטרה זו. הזמינות של מספר מצבי חמצון יציבים שניתן להשתמש בהם לחמצון גלוקוז במהלך תהליך המעבר האלקטרוכימי הופכת אותם למועמדים מתאים. השני הוא שטח פנים גבוה כדי לספק מקסימום אתרים לחמצון גלוקוז. ננו-מבנה של תחמוצות המתכת הללו ומניפולציה של מורפולוגיות מעניקים להן יתרון על פני מקביליהם הנרחבים. השלישית היא מוליכות חשמלית גבוהה לשינויים יעילים בהעברת האלקטרונים עקב חמצון גלוקוז. לבסוף, הרביעי הוא יכולת חימצון חיזוק טובה להפיכות יעילה ולאנטי-זיהום של האלקטרודה. מעבר הפיך לחלוטין במקרה של תחמוצות מתכת קשה למצוא. עם זאת, תהליכים קוואזי-הפיכים יכולים להיות אלטרנטיבה טובה. NFs של NiO הם אחת האפשרויות הטובות ביותר לחיישת גלוקוז לא-אנזימטית, שכן הם עומדים בצורה מצוינת בכל ארבעת הקריטריונים. NiO עולה על TMOs אחרים מבחינת רגישות, כאשר רק CuO מציג ביצועים דומים. TMOs אחרים, למרות שיש להם מספר מצבים חמצניים, לא הראו ביצועים כאלה. הרגישות הגבוהה ביותר שדווחה לגלוקוז בספרות7 היא על אלקטרודה מבוססת ניקליום עם Co3O4 מועשר ב-Ni. מלבד כל היתרונות שהוזכרו לעיל, ננו-חלקיקי NiO קלים לסינתזה, חסכוניים, ניתנים להרחבה ומציעים יציבות גבוהה ב-אלקלייןבינוני 8. בהתחשב ביציבותו האלקלית, NaOH הוא האלקטרוליט המועדף לניסויי חיישת גלוקוז לא אנזימטיים מבוססי NiO.
לכן, המאמר, שואף להשתמש ב-NiO NF כחומר לחיישן גלוקוז. האלקטרודה הבסיסית שנבחרת היא אלקטרודת פחמן זכוכיתית (GCE), שהיא אחת האלקטרודות הסטנדרטיות ביותר. עם זאת, הוא רלוונטי גם למצעי מתכת אחרים, כגון אלקטרודות קצף מתכת (Ni ו-Cu), זכוכית מצופה תחמוצת פח אינדיום (ITO), זכוכית מצופה פלואור בדיל (FTO), אלקטרודות מתכת (Au, Ag, Cu וכו'), ואלקטרודות מודפסות במסך. ניתן להחליף את ה-GCE באלקטרודות אחרות שהוזכרו, וניתן לתרגם את התהליכים באופן שקול אליהן. חשוב יותר, זה יכול להיות גם מתורגם לאנליטים אחרים כמו חומצה אסקורבית, חומצה שתנית וכו'. מדריך שלב אחר שלב מסופק לניסויים הקשורים לזיהוי כרונואמפרומטרי של גלוקוז, עם דגש על אופטימיזציה של פרמטרים שממקסמים את מדדי ביצועי החישה של החיישן.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
1. סינתזת פרחים ננו-מבנית של NiO
2. ייצור אלקטרודות
3. תהליך גילוי אלקטרוכימי
4. אופטימיזציה של פרמטרי תהליך אלקטרוכימיים
הערה: לתהליך הגילוי האלקטרוכימי יש מספר פרמטרים, כגון קביעת חלון פוטנציאלי, קביעת הפוטנציאל הטוב ביותר לגילוי כרונואמפרומטרי, זמן לקביעת ריכוז, ריכוז העומס של חומר ועוד. למרות שאין שיטה קבועה או סדר זרימת עבודה לאופטימיזציה של פרמטרים אלו, הצעדים הבאים יכולים לסייע באופטימיזציה הטובה ביותר.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
האפיון של ננו-פרחי NiO נעשה כדי לאשר את תכונותיהם המבניות והמורפולוגיות. התכונות המבניות נחקרו באמצעות דיפרקציית קרני רנטגן (XRD) ושיטות ספקטרוסקופיות ראמן. המורפולוגיה, לעומת זאת, אושרה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני סורק.
תבנית ה-XRD של ננו-פרחי NiO מוצגת באיור 1A בטווח של 20-80°. גודל הצעד נקבע ל-0.02626°/שלב, וקצב הסריקה בניסוי היה 12°/דקה. ניתוח XRD הראה שיאים מוגדרים היטב ב-37.2°, 43.2°, 62.8°, 75.3° ו-79.3° התואמים למישורי הדיפ...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
זיהוי אמפרומטרי של ביואנליטים הוא שיטה נפוצה לחיישת גלוקוז. תהליך זה יכול להיות מועבר בדיוק עם תחמוצות מתכת אחרות כגון ZnO, CuO, Fe2O3, CrO3, MnO2 ועוד . התהליך נשאר זהה גם עבור אנליטים שונים כמו חומצה אסקורבית, חומצה שתנית וכו'. עם זאת, פרמטרי התהליך והאופטימיזציה משתנים ממערכת למערכת. ההליך תלוי מאוד בשני פרמטרים המוזכרים להלן.
העומס האופטימלי של ננו-חומרים הוא אחד הקריטריונים המרכזיים לרישום התגובה הטובה ביותר. של...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
למחברים אין דבר סותר את הספרות הזמינה לחשוף
אמבש דיקסיט מכיר ב-DST, ממשלת הודו, באמצעות פרויקט מס' DST/TTI/BDTD/08/2024. ויג'יי קומאר סינג מודה לממשלת הודו על הסיוע הכספי. המחברים גם מודים למרכז למחקר ופיתוח חדשנות מדעית (CRDS), IIT ג'ודפור, על מתקני האפיון ששימשו בעבודה זו. פיוש צ'ודארי מודה למשרד החינוך, ל-MSME ולממשלת הודו על המימון והמלגות, בהתאמה. כל המחברים מבקשים להודות למדען הבכיר אחילש פאנדי, מעבדת פיזיקת מצב מוצק, ניו דלהי, על סיועו באפיון רמאן, ולקבוצת A-MAD של IIT ג'ודפור על תמיכתם ועזרתם בנושא זה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| אלקטרודות ייחוס Ag/AgCl (3M KCl) ו- | פאלמסנס | PS111 | |
| מי DI | לא זמין | לא זמין | |
| תחנת עבודה אלקטרוכימית | פאלמסנס | Palmsens4 | |
| אתנול (99.9%) | צ'אנגשו סונג שנג פיין כימיקלים | 64-17-5 | |
| אלקטרודות פחמן זכוכיתיות | פאלמסנס | PS103 | |
| מיקרופיפט 1 מ"ל | תרמופישר | 4642090 | |
| מיקרופיפט 20 ומיקרו; L | תרמופישר | 4642060 | |
| נאפיון | קנופי טכנו בע"מ | KA06 | |
| NaOH | קואליגנים | 1310-73-2 | |
| ניקול כלוריד דיהידרט (NiCl2· 2H2O) | סיגמא אולדריץ' | 69098-15-3 | |
| פוליוויניל פירולידינון (PVP) | תרמופישר | 227470025 | |
| אלקטרודת מונה חוט Pt | פאלמסנס | MW1032 | |
| אוריאה | קואליגנים | 57-13-6 |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.