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Articolo metodologico

NiO nanofiori per la rilevazione amperometrica non enzimatica del glucosio

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DOI:

10.3791/68896

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30 dicembre 2025

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In questo articolo

Sommario

L'obiettivo principale di questo articolo è aiutare ricercatori e scienziati a comprendere il processo di rilevamento del glucosio tramite elettrochimica e ottimizzare i parametri per massimizzare la risposta di rilevamento del glucosio. Il processo di fabbricazione di un sensore di glucosio è descritto in dettaglio con linee guida per ottenere la migliore risposta cronoamperometrica.

Abstract

I sensori di glucosio non enzimatici che impiegano materiali metallici ossido nanostrutturati sono tra gli argomenti più approfonditi attualmente. Diversi ossidi di metalli di transizione (TMO), come ossidi di ferro (α-Fe2O3, γ-Fe 2O3, Fe3O4, ecc.), ossido di nichel (NiO), ossido di rame (CuO), triossido di cromo (CrO 3), ecc., sono stati utilizzati come catalizzatori che imitano enzimi per l'ossidazione del glucosio. Oltre all'uso di diversi materiali TMO, sono stati fatti notevoli sforzi per studiare l'impatto delle diverse morfologie di questi materiali. La letteratura mostra che i catalizzatori a forma di fiore e filo funzionano meglio grazie alla loro ampia superficie.

Questo studio presenta le proprietà non enzimatiche di rilevamento del glucosio degli elettrodi di carbonio vetrosi decorati con nanofiori di NiO (NiO NF@GCE). L'obiettivo centrale di questo lavoro è fare luce sui processi coinvolti nella fabbricazione e caratterizzazione dei nanofiori NiO con rilevamento del glucosio su GCE. La rilevazione amperometrica del glucosio mostra un aumento lineare della corrente rispetto alle concentrazioni di glucosio fisiologicamente rilevanti, comprese tra 0 mM e 15 mM. Gli elettrodi offrono un'eccellente sensibilità di 281,69 μA mM-1·cm-2 e un limite di rilevamento di 10 μM. I risultati mostrano che il raggio lineare di rilevamento aumenta mentre la sensibilità diminuisce con l'aumento della massa di carico del nanomateriale dopo una certa concentrazione di carico. Inoltre, gli elettrodi mostravano un'alta selettività verso il glucosio in presenza di altre specie interferenti, come acido ascorbico, fruttosio, saccarosio e NaCl. L'impatto della concentrazione di carico sulla selettività degli elettrodi modificati con NiO NF mostra una diminuzione della selettività con l'aumento del carico del nanomateriale dopo una certa massa ottimale di carico.

Introduzione

Le tecnologie mediche hanno visto un rapido progresso negli ultimi due decenni. I dispositivi di biorilevamento che consentono il monitoraggio in tempo reale delle malattie rappresentano un grande progresso, introdotto dallo sviluppo dei sensori diglucosio 1. Dall'invenzione degli elettrodidi glucosio 2 di Clark, i sensori di glucosio sono avanzati notevolmente. Sono ancora i più comuni nel biosensing e detengono una generosa quota dell'80% dell'intero mercatodei biosensori. Tuttavia, la maggior parte dei sensori commerciali di glucosio utilizza una modalità enzimatica di rilevamento. I sensori enzimatici dipendono da alto rendimento dalla temperatura, dal pH della soluzione analitica, dal tempo di conservazione e dallatemperatura 4. A causa di questi svantaggi, i sensori di glucosio non enzimatici sono la nuova tendenza nel rilevamento del glucosio.

L'attuale generazione di sensori diglucosio 5 utilizza nanoparticelle di metallo e ossido metallico per il rilevamento del glucosio. Questi ossidi metallici sono altamente stabili in condizioni ambientali e quindi rappresentano una scelta ideale rispetto agli enzimi. Perché un materiale venga utilizzato come trasduttore per il glucosio, deve possedere quattro caratteristiche importanti. La prima caratteristica è l'elevata attivitàelettrocatalitica 6, rendendo i TMO la scelta ideale per questo scopo. La disponibilità di molteplici stati di ossidazione stabili che possono essere utilizzati per ossidare il glucosio durante il processo di transizione elettrochimica li rende candidati adatti. Il secondo è una grande superficie per fornire il massimo dei siti per l'ossidazione del glucosio. La nano-strutturazione di questi ossidi metallici e la manipolazione delle morfologie conferiscono loro un vantaggio rispetto ai loro corrispettivi in massa. Il terzo è l'elevata conducibilità elettrica per variazioni efficienti nel trasferimento elettronico dovute all'ossidazione del glucosio. Infine, il quarto è la buona capacità redox per una reversibilità efficace e antifouling dell'elettrodo. Una transizione completamente reversibile nel caso degli ossidi metallici è difficile da trovare. Tuttavia, i processi quasi-reversibili possono essere una buona alternativa. I NiO NF sono una delle migliori opzioni per il rilevamento del glucosio non enzimatico poiché si qualificano in modo eccellente in tutti e quattro i criteri. NiO supera gli altri TMO in termini di sensibilità, con solo CuO che mostra prestazioni comparabili. Altri TMO, pur possedendo stati ossidati multipli, non hanno dimostrato tali prestazioni. La più alta sensibilità al glucosio riportata nellaletteratura 7 si trova su un elettrodo a base di Ni con Co3O 4 dopato. Oltre a tutti i vantaggi sopra menzionati, le nanoparticelle di NiO sono facili da sintetizzare, convenienti, scalabili e offrono alta stabilità nel mezzoalcalino 8. Considerando la sua stabilità alcalina, il NaOH è l'elettrolita preferito per esperimenti di rilevamento del glucosio non enzimatico basati su NiO.

L'articolo, quindi, mira a utilizzare NiO NF come materiale per rilevare il glucosio. L'elettrodo base scelto è un elettrodo al carbonio vetroso (GCE), uno degli elettrodi più standard. Tuttavia, è applicabile anche ad altri substrati, come elettrodi in schiuma metallica (Ni e Cu), vetro rivestito con ossido di indio-stagno (ITO), vetro rivestito con ossido di fluoro-stagno (FTO), elettrodi metallici (Au, Ag, Cu, ecc.) ed elettrodi serigrafati. Il GCE può essere sostituito da altri elettrodi menzionati, e i processi possono essere tradotti equivalentemente su di essi. Ancora più importante, questo può essere tradotto anche ad altri analiti come l'acido ascorbico, l'acido urico, ecc. Viene fornita una guida passo dopo passo per esperimenti relativi alla rilevazione cronoamperometrica del glucosio, con particolare attenzione all'ottimizzazione dei parametri che massimizzano le metriche di performance sensoriali del sensore.

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Protocollo

1. Sintesi nanostrutturata di fiori NiO

  1. Per prima cosa, preparare una soluzione da 6 mM di NiCl2,2H 2O in 10 mL di etanolo.
  2. In un becher separato, preparare 10 mL di soluzione di Polivinilpiroldone (PVP) al 3% in acqua deionizzata (DI). Ultrasonica la soluzione per 5 minuti a 40 kHz (50 W) e mescola meccanicamente per altri 5 minuti. Ripeti il ciclo due volte per sciogliere completamente il PVP solido.
    NOTA: Se il PVP rimane, esegui un altro ciclo di sonicazione e mescolatura.
  3. Una volta che il PVP è completamente sciolto, aggiungi i 10 mL di soluzione PVP a goccia usando una pipetta in 10 mL della soluzione precursore di Ni sotto una mescolata vigorosa. Continua a mescolare il composto per 30 minuti dopo l'aggiunta PVP.
    NOTA: L'aggiunta del PVP è un passaggio fondamentale per ottenere la morfologia desiderata.
  4. Aggiungere una soluzione di 18 mM di urea (in una miscela 1:1 di DI: etanolo in 10 mL) a goccia alla miscela preparata, portando il volume totale della soluzione a 30 mL.
  5. Mescola la soluzione per 10 minuti, trasferiscila in un contenitore in politetrafluoroetilene e sigillala all'interno di un'autoclave in acciaio inox.
  6. Una volta sigillato correttamente, tieni l'autoclave in un forno elettrico a 160 °C per 6-8 ore. Dopo l'autoclav, lascia raffreddare naturalmente la temperatura ambiente.
  7. Centrifugare il prodotto risultante a 26,88 x g e raccogliere il precipitato per un uso successivo. Il precipitato raccolto, di colore verde, Ni(OH)2 , è di natura gelatinosa e il sovrantagente è costituito dal solvente trasparente. Escanta il solvente e lava il precipitato usando etanolo o DI almeno 2-3 volte. Asciuga il precipitato lavato a 70 °C per 10 ore in un forno elettrico.
  8. Mettere la polvere secca in un forno a scatola a 450 °C per 4 ore per ricottura e ottenere NiO NF in fase pura, che è di colore grigio.

2. Fabbricazione di elettrodi

  1. Polishare la GCE con una miscela di nanoparticelle di allumina da 0,05 μm su un tampone pulito per lucidatura elettrodica tramite movimenti ripetuti a forma di numero 8. Risciacqua immediatamente con acqua DI e ultrasuoni con un sonicatore da bagno in IPA e DI per 2 minuti ciascuno a 40 kHz (50 W).
    NOTA: La lucidatura GCE è una procedura semplice in cui la superficie della grafite viene pulita strofinandola meccanicamente contro una polvere fine su un tampone di pulizia. La dimensione più comune delle particelle per la pulizia comune è 0,05 μm.
  2. Aggiungere una massa nota (3-15 mg) di polvere di NiO NF a 3 mL di DI per preparare una sospensione di nanoparticelle in modo che la concentrazione di nanoparticelle vari da 1 a 5 mg/mL.
  3. Metti la miscela in un ultrasonicatore a bagno per 10-20 minuti per ottenere una dispersione uniforme. Assicurati che non ci siano precipitati o particelle sedimentate dopo la sonicazione.
    NOTA: Evitare una sonicazione eccessiva se si ottengono sospensioni stabili con tempi di ultrasonicazione più brevi.
  4. Fondi 10 μL dell'aliquota lasciandolo cadere sulla superficie pulita degli elettrodi GCE. Successivamente, a seconda della concentrazione della soluzione di carico, si nominano gli elettrodi NiO NF 1, NiO NF 2, NiO NF 3, NiO NF 4, NiO NF 5, rispettivamente.
    NOTA: Per risultati coerenti, posiziona con attenzione la goccia esattamente sulla superficie del carbonio vetroso e non sul corpo dell'elettrodo polimerico. Se la diminuzione di 10 μL ti sembra eccessiva, usa un volume minore della sospensione per coprire solo la superficie GCE.
  5. Lascia asciugare gli elettrodi a temperatura ambiente durante la notte (10-12 ore).
  6. Infine, si utilizza una soluzione di legante diluita (0,5% in peso di etanolo) per un legame compatto delle nanoparticelle sulla superficie dell'elettrodo. Per questo, si gettano con cura 6 μL della soluzione sugli elettrodi modificati e si lasciano asciugare all'aria a temperatura ambiente per 30 minuti.
  7. Tieni gli elettrodi in un essiccatore fino a un nuovo utilizzo.
    NOTA: Evitare esposizioni prolungate a condizioni ambientali, poiché potrebbero modificare le risposte dell'elettrodo a causa di variazioni nel nafion.

3. Processo di rilevamento elettrochimico

  1. Per la soluzione elettroanalitica, si prelevano 20 mL di soluzione di NaOH da 0,1 M nella cella elettrochimica.
  2. Usa un sistema a tre elettrodi per analizzare la concentrazione di glucosio. Il filo Ag/AgCl (3 M KCl) e il filo Pt sono rispettivamente l'elettrodo di riferimento e quello di contro.
  3. Attiva l'elettrodo NiO NF@GCE stabilizzandolo con 15 cicli di voltametria ciclica (CV). La finestra potenziale del CV è 0-0,8 V in una velocità di scansione rapida di 200 mV/s. Il potenziale di picco di riduzione Ni+3/Ni+2 è solitamente intorno a 0,4-0,6 V.
  4. Dopo la stabilizzazione, eseguire la cronoamperometria per la rilevazione in tempo reale del glucosio utilizzando l'elettrodo NiO NF@GCE.
    1. Innanzitutto, stabilire la linea di base eseguendo cronoamperometria al potenziale di riduzione del Ni o al potenziale di ossidazione del glucosio (come ottenuto dalla CV) per 100 secondi.
      NOTA: Il tempo di stabilità può essere scelto in modo diverso, tenendo presente che la corrente rimane costante per almeno 10 secondi fino al tempo scelto per stabilire la corrente di base.
    2. Una volta stabilita la corrente base, mettere in pausa l'esperimento cronoamperometrico usando il pulsante Pausa nel software.
  5. Per l'analisi, prepara una soluzione di glucosio da 2 milioni di stock.
  6. Sollevare il supporto elettrodico e aggiungere 10 μL della soluzione di glucosio alla soluzione elettroanalitica, rendendo la concentrazione di glucosio della soluzione elettroanalitica completa di 1 mM con una variazione trascurabile del volume totale. Mescola la soluzione per 30 secondi per ottenere omogeneità.
  7. Poi, rimettere gli elettrodi nel loro stato precedente e riprendere la misurazione cronoamperometrica dopo 5 secondi premendo il pulsante Riprendi disponibile nel software.
  8. Scegli una finestra di analisi a 30 s per la rilevazione cronoamperometrica di varie concentrazioni di glucosio.
  9. Ripeti il processo dal passo 3.6 al 3.8 per aumentare gradualmente la concentrazione di glucosio fino a 15 mM e registrare la risposta cronoamperometrica.

4. Ottimizzazione dei parametri elettrochimici del processo

NOTA: Il processo di rilevamento elettrochimico ha diversi parametri, come la determinazione della finestra potenziale, la determinazione del miglior potenziale di rilevamento cronoamperometrico, il tempo per la determinazione della concentrazione, la concentrazione di carico del materiale, ecc. Sebbene non esista un metodo fisso o un ordine di flusso di lavoro per ottimizzare questi parametri, i passaggi seguenti possono aiutare a ottimizzarli al meglio.

  1. In un tipico esperimento iniziale, si parte da una bassa concentrazione di nanomateriale a carico (~1 mg/mL).
    NOTA: Per ottimizzare i parametri di processo, si tengono a mente due caratteristiche importanti del sensore. Primo, la sensibilità o la reattività verso l'analita (in questo caso, il glucosio). L'obiettivo principale è massimizzare la sensibilità o la reattività (variazione della risposta corrente per unità di glucosio aggiunta). Il secondo, ma di altrettanta importanza, è il range lineare di rilevamento. Un intervallo dinamico di comportamenti lineari è essenziale per il rilevamento del glucosio.
  2. Ottimizza la finestra potenziale in cui avviene la reazione faradaica.
  3. Inizialmente, esegui una scansione ampia da -1 V a +1 V utilizzando la voltametria ciclica.
  4. Ora, identifica un piccolo intervallo di potenziale in cui avviene la reazione faradaica utilizzando i picchi di riduzione e ossidazione del processo elettrochimico. Ad esempio, una finestra da 0,1-0,8 V è sufficiente per elettrodi basati su NiO NF@GCE in NaOH di 0,1 M.
  5. Raccogli i voltamogrammi ciclici per il processo elettrochimico in quella finestra di potenziale.
  6. Aggiungere una piccola quantità di glucosio (tipicamente 1 mM) alla soluzione per far apparire i picchi redox nel voltammogramma ciclico (CV) e risolvere i picchi multipli aumentando il picco corrispondente all'ossidazione del glucosio.
  7. Identificare il potenziale di picco anodico, che varia con la concentrazione di glucosio, come il potenziale elettrochimico in cui il glucosio viene ossidato. Misurare le risposte cronoamperometriche leggermente superiori a questo potenziale.
  8. Una volta identificata la finestra di potenziale e il potenziale di ossidazione del glucosio, si determina la concentrazione ottimale di carico modificando la concentrazione del nanomateriale con drop cast in sospensione sull'elettrodo. Nel caso presente, 4 mg/mL è la concentrazione ottimale di carico.
    NOTA: Generalmente, per la maggior parte degli elettrodi basati sul NiO descritti in letteratura, la sensibilità aumenta con l'aumento della concentrazione di sospensione in carico fino a 3 mg/mL e poi diminuisce dopo. Di solito, la sospensione da 3 mg/mL mostra la massima sensibilità e il più ampio intervallo lineare. Quindi, quello che mostra costantemente variazioni maggiori di corrente ad ogni incremento di glucosio è il migliore.
  9. Affinare altri parametri, come la finestra di analisi e il potenziale analitico, massimizzando sensibilità, intervallo lineare e coerenza dei risultati ottenuti.
    1. Usa una finestra di analisi di 30 secondi per ottenere risultati ripetibili anche senza aggiungere glucosio.
    2. Osserva indizi visivi nella curva cronoamperometrica, assicurandoti che la corrente si stabilizzi dopo 30 secondi.
      NOTA: Per i parametri di regolazione, è essenziale concentrarsi sul migliorare la coerenza della misurazione, poiché la massimizzazione è stata precedentemente raggiunta. Cerca indizi visivi nella curva cronoamperometrica. Il picco attuale ritorna quasi allo stesso valore quando non viene aggiunto il glucosio. Inoltre, la variazione di corrente (ΔI) nel caso di addizione simultanea a ogni incremento rimane comunque abbastanza costante. Evita durate di analisi più lunghe e mantieni un equilibrio tra coerenza e sensibilità.
  10. Una volta ottimizzati tutti i parametri, caratterizzare almeno dieci elettrodi nelle condizioni sperimentali ottimizzate per tracciare la curva di calibrazione tramite un adattamento lineare dei dati estratti a diverse concentrazioni dopo 30 secondi per tutti e dieci gli elettrodi.
    NOTA: In questo studio è stato scelto un set più piccolo di 5 elettrodi.

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Risultati

La caratterizzazione dei nanofiori di NiO è stata effettuata per confermarne le proprietà strutturali e morfologiche. Le proprietà strutturali sono state studiate utilizzando metodi di diffrazione a raggi X (XRD) e spettroscopici Raman. La morfologia, invece, è stata confermata tramite la microscopia elettronica a scansione.

Il pattern XRD dei nanofiori di NiO è mostrato nella Figura 1A per un intervallo da 20 a 80°. La dimensione...

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Discussione

La rilevazione amperometrica dei bioanaliti è un metodo comune utilizzato per la rilevazione del glucosio. Questo processo può essere trasposto esattamente con altri ossidi metallici come ZnO, CuO, Fe2O 3,CrO 3,MnO 2, ecc. Il processo rimane lo stesso anche per diversi analiti come l'acido ascorbico, l'acido urico, ecc. Tuttavia, i parametri di processo e l'ottimizzazione variano da sistema a sistema. La procedura dipende fortemente da due para...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla di contrario alla letteratura disponibile da rivelare

Ringraziamenti

Ambesh Dixit riconosce il DST, Governo dell'India, attraverso il progetto n. DST/TTI/BDTD/08/2024. Vijay Kumar Singh ringrazia il Governo dell'India per l'assistenza finanziaria. Gli autori riconoscono inoltre il Center for Research and Development of Scientific Innovation (CRDS), IIT Jodhpur, per le strutture di caratterizzazione utilizzate in questo lavoro. Piyush Choudhary riconosce rispettivamente il MoE, le PMI e il Governo dell'India per finanziamenti e borse di studio. Tutti gli autori desiderano ringraziare lo scienziato senior Akhilesh Pandey, Solid State Physics Laboratory di Nuova Delhi, per aver aiutato nella caratterizzazione del Raman, e il gruppo A-MAD, IIT Jodhpur, per il loro supporto e supporto su questo tema.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Elettrodi di riferimento Ag/AgCl (3M KCl) e PalmsensPS111
Acqua DIN/AN/A
Postazione elettrochimicaPalmsens  Palmsens4
Etanolo (99,9%)Changshu Song Sheng Sostanze Chimiche Fine64-17-5
Elettrodi di carbonio vetrosiPalmsensPS103
Micropippete 1 mLTermofischer4642090
Micropippete 20 & micro; LTermofischer4642060
Nafion Kanopy Techno Pvt. LtdKA06
NaOH Qualigens1310-73-2
Cloruro di nichel diidrato (NiCl2· 2H2O)   Sigma Aldrich69098-15-3
Polivinile Pirrolidinone (PVP)Termofischer227470025
Electrodo contattatore del filo PTPalmsensMW1032
UreaQualigens57-13-6

Riferimenti

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