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Artigo de método

NiO Nanoflowers para Detecção Amperométrica Não Enzimática de Glicose

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DOI:

10.3791/68896

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30 de dezembro de 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

Neste artigo

Resumo

O objetivo principal deste artigo é ajudar pesquisadores e cientistas a entender o processo de detecção de glicose usando eletroquímica e otimizar parâmetros para maximizar a resposta de detecção de glicose. O processo de fabricação de um sensor de glicose é descrito em detalhes com diretrizes para obter sua melhor resposta cronoamperométrica.

Resumo

Sensores de glicose não enzimáticos que utilizam materiais de óxido metálico nanoestruturado estão entre os temas mais pesquisados atualmente. Vários óxidos de metais de transição (TMOs), como óxidos de ferro (α-Fe2O3, γ-Fe 2O3, Fe3O4, etc.), óxido de níquel (NiO), óxido de cobre (CuO), trióxido de cromo (CrO 3), etc., foram utilizados como catalisadores que imitam enzimas para a oxidação da glicose. Junto com o uso de diferentes materiais TMO, esforços consideráveis foram dedicados ao estudo do impacto das diferentes morfologias desses materiais. A literatura mostra que os catalisadores em formato de flor e fio têm melhor desempenho devido à sua grande área de superfície.

Este estudo apresenta as propriedades de detecção de glicose não enzimáticas dos eletrodos de carbono vítreos decorados com nanoflores de NiO (NiO NF@GCE). O objetivo central deste trabalho é lançar luz sobre os processos envolvidos na fabricação e caracterização de nanoflores de NiO sensíveis a glicose em GCE. A detecção amperométrica da glicose mostra um aumento linear da corrente em relação às concentrações fisiologicamente relevantes de glicose, variando entre 0 mM e 15 mM. Os eletrodos oferecem uma excelente sensibilidade de 281,69 μA mM-1·cm-2 e um limite de detecção de 10 μM. Os resultados mostram que o alcance linear de detecção aumenta enquanto a sensibilidade diminui com o aumento da massa de carga do nanomaterial após certa concentração de carga. Além disso, os eletrodos apresentaram alta seletividade em relação à glicose na presença de outras espécies interferentes, como ácido ascórbico, frutose, sacarose e NaCl. O impacto da concentração de carga na seletividade dos eletrodos modificados por NiO NF mostra uma diminuição da seletividade com o aumento da carga do nanomaterial após uma certa massa de carga ótima.

Introdução

As tecnologias médicas passaram por um avanço rápido nas últimas duas décadas. Dispositivos de biossensação que permitem o monitoramento em tempo real de doenças representam um grande avanço, pioneiro com o desenvolvimento dos sensores de glicose1. Desde a invenção dos eletrodos de glicose2 de Clark, os sensores de glicose avançaram significativamente. Eles ainda são os mais comuns em biossensação e detêm uma fatia magnânima de 80% de todo o mercadode biosensores 3. No entanto, a maioria dos sensores comerciais de glicose utiliza um modo enzimático de detecção. Os sensores enzimáticos têm alta dependência de desempenho em relação à temperatura, pH da solução analítica, tempo de armazenamento etemperatura 4. Devido a essas desvantagens, sensores de glicose não enzimáticos são a nova tendência na detecção de glicose.

A geração atual de sensores deglicose 5 utiliza nanopartículas de metal e óxido metálico para a detecção de glicose. Esses óxidos metálicos são altamente estáveis em condições ambientes e, portanto, são uma escolha ideal em relação às enzimas. Para que um material seja usado como transdutor de glicose, ele deve possuir quatro características importantes. A primeira característica é a alta atividadeeletrocatalítica 6, tornando os TMOs a escolha ideal para esse propósito. A disponibilidade de múltiplos estados estáveis de oxidação que podem ser usados para oxidar a glicose durante o processo de transição eletroquímica os torna um candidato adequado. O segundo é uma área de superfície alta para fornecer o máximo de locais para oxidação da glicose. A nanoestruturação desses óxidos metálicos e a manipulação das morfologias lhes conferem uma vantagem sobre seus próprios equivalentes em massa. O terceiro é a alta condutividade elétrica para mudanças eficientes na transferência de elétrons devido à oxidação da glicose. Por fim, o quarto é a boa capacidade redox para reversibilidade efetiva e antifouling do eletrodo. Uma transição completamente reversível no caso de óxidos metálicos é difícil de encontrar. No entanto, processos quase reversíveis podem ser uma boa alternativa. Os NFs NiO são uma das melhores opções para a detecção de glicose não enzimática, pois se qualificam de forma impressionante em todos os quatro critérios. O NiO supera outros TMOs em termos de sensibilidade, com apenas o CuO mostrando desempenho comparável. Outros TMOs, apesar de possuírem múltiplos estados oxidativos, não demonstraram tal desempenho. A maior sensibilidade à glicose relatada naliteratura 7 está em um eletrodo à base de Ni com Co3O 4 dopado com Ni. Além de todas as vantagens mencionadas acima, as nanopartículas de NiO são fáceis de sintetizar, econômicas, escaláveis e oferecem alta estabilidade em meioalcalino 8. Considerando sua estabilidade alcalina, o NaOH é o eletrólito preferido para experimentos de detecção de glicose não enzimática à base de NiO.

O artigo, portanto, busca utilizar o NiO NF como um material de detecção de glicose. O eletrodo base escolhido é um eletrodo de carbono vítreo (GCE), que é um dos eletrodos mais padrão. No entanto, é igualmente aplicável a outros substratos, como eletrodos de espuma metálica (espuma de Ni e), vidro revestido com óxido de índio-estanho (ITO), vidro revestido com óxido de estanho de flúor (FTO), eletrodos metálicos (Au, Ag,, etc.) e eletrodos serigrafiados. O ECG pode ser substituído por outros eletrodos mencionados, e os processos podem ser transferidos de forma equivalente para eles. Mais importante ainda, isso também pode ser traduzido para outros analitos, como ácido ascórbico, ácido úrico, etc. Um guia passo a passo é fornecido para experimentos relacionados à detecção cronoamperométrica da glicose, com foco na otimização de parâmetros que maximizam as métricas de desempenho de detecção do sensor.

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Protocolo

1. Síntese nanoestruturada de flores NiO

  1. Primeiro, prepare uma solução de 6 mM de NiCl 2,2H 2O em 10 mL de etanol.
  2. Em um béquer separado, prepare 10 mL de solução de Polivinilpirrolidona (PVP) a 3% em água deionizada (DI). Ultrasultrasonice a solução por 5 minutos a 40 kHz (50 W) e mexa mecanicamente por mais 5 minutos. Repita o ciclo duas vezes para dissolver completamente o PVP sólido.
    NOTA: Se o PVP permanecer, execute outro ciclo de sonicação e agitação.
  3. Quando o PVP estiver completamente dissolvido, adicione os 10 mL de solução de PVP em gota em gota usando uma pipeta, em 10 mL da solução precursora de Ni, sob uma agitação vigorosa. Continue mexendo a mistura por 30 minutos após a adição ao PVP.
    NOTA: A adição do PVP é um passo crítico para alcançar a morfologia desejada.
  4. Adicione 18 mM de solução de ureia (em uma mistura 1:1 de DI: etanol em 10 mL) gota a gota à mistura preparada, elevando o volume total da solução para 30 mL.
  5. Mexa a solução por 10 minutos, transfira-a para um recipiente de politetrafluoroetileno e sele dentro de um autoclave de aço inoxidável.
  6. Depois de bem vedado, mantenha o autoclave em um forno elétrico a 160 °C por 6-8 horas. Após o autoclav, deixe esfriar naturalmente até a temperatura ambiente.
  7. Centrifuge o produto resultante a 26,88 x g e colete o precipitado para uso posterior. O precipitado coletado, de cor verde, Ni(OH)2 , é de natureza gelatinosa, e o sobrenadante consiste no solvente transparente. Decante o solvente e lave o precipitado usando etanol ou DI pelo menos 2-3 vezes. Seque o precipitado lavado a 70 °C por 10 horas em um forno elétrico.
  8. Coloque o pó seco em um forno de caixa a 450 °C por 4 horas para recozimento e obtenha NiO NF em fase pura, que é de cor cinza.

2. Fabricação de eletrodos

  1. Polir a GCE com uma polpa de nanopartículas de alumina de 0,05 μm sobre uma almofada de polimento de eletrodo limpa por meio de movimentos repetidos na forma do número 8. Enxágue imediatamente com água DI e ultrasone usando um sonicador de banho em IPA e DI por 2 minutos cada a 40 kHz (50 W).
    NOTA: O polimento GCE é um procedimento simples em que a superfície do grafite é limpa esfregando-a mecanicamente contra uma pasta fina em pó em uma esponja de limpeza. O tamanho de partícula mais comum para limpeza comum é 0,05 μm.
  2. Adicione uma massa conhecida (3-15 mg) de pó de NiO NF a 3 mL de DI para preparar uma suspensão de nanopartículas de modo que a concentração de nanopartículas varie de 1 a 5 mg/mL.
  3. Coloque a mistura em um ultrasonicador de banho por 10-20 minutos para obter uma dispersão uniforme. Certifique-se de que não haja precipitados ou partículas sedimentadas após a sonicação.
    NOTA: Evite a sonicação excessiva se suspensões estáveis forem alcançadas com tempos de ultrassonização mais curtos.
  4. Fundia 10 μL da alíquota deixando-a cair sobre a superfície limpa dos eletrodos GCE. Depois, dependendo da concentração da solução de carga, os eletrodos nomeiem NiO NF 1, NiO NF 2, NiO NF 3, NiO NF 4, NiO NF 5, respectivamente.
    NOTA: Para resultados consistentes, coloque cuidadosamente a gota exatamente na superfície do carbono vítreo e não no corpo do eletrodo polimérico. Se a queda de 10 μL parecer excessiva, use um volume menor da suspensão apenas para cobrir a superfície do GCE.
  5. Deixe os eletrodos secarem em temperatura ambiente durante a noite (10-12 horas).
  6. Por fim, utilize uma solução de ligante diluída (0,5% em peso em etanol) para a ligação compacta das nanopartículas à superfície do eletrodo. Para isso, cuidadosamente deixe escapar 6 μL da solução sobre os eletrodos modificados e deixe-os secar no ar em temperatura ambiente por 30 minutos.
  7. Guarde os eletrodos em um dessecador até novo uso.
    NOTA: Evite exposição prolongada às condições ambientes, pois isso pode alterar as respostas do eletrodo devido a mudanças no nafion.

3. Processo de detecção eletroquímica

  1. Para a solução eletroanalítica, use 20 mL de solução de 0,1 M de NaOH na célula eletroquímica.
  2. Use um sistema de três eletrodos para analisar a concentração de glicose. O fio Ag/AgCl (3 M KCl) e o fio Pt são, respectivamente, o eletrodo de referência e o contra-eletrodo.
  3. Ative o eletrodo de NiO NF@GCE estabilizando-o com 15 ciclos de voltametria cíclica (CV). A janela potencial do CV é de 0-0,8 V em uma taxa de varredura rápida de 200 mV/s. O pico de potencial de redução Ni+3/Ni+2 geralmente é em torno de 0,4-0,6 V.
  4. Após a estabilização, execute cronoamperometria para detecção em tempo real da glicose usando o eletrodo NiO NF@GCE.
    1. Primeiramente, estabeleça a linha de base realizando cronoamperometria no potencial de redução de Ni ou potencial de oxidação da glicose (conforme obtido a partir do CV) por 100 s.
      NOTA: O tempo de estabilidade pode ser escolhido para qualquer diferente, levando em mente que a corrente se torna constante por pelo menos 10 s até o tempo escolhido para estabelecer a corrente base.
    2. Uma vez estabelecida a corrente base, pause o experimento cronoamperométrico usando o botão Pausar no software.
  5. Para a análise, prepare uma solução de 2 milhões de glicose.
  6. Levante o suporte de eletrodos e adicione 10 μL da solução de estoque de glicose à solução eletroanalítica, fazendo com que a concentração de glicose da solução eletroanalítica completa seja de 1 mM, com variação desprezível no volume total. Mexa a solução por 30 segundos para alcançar homogeneidade.
  7. Depois, coloque os eletrodos de volta ao estado anterior e retome a medição cronoamperométrica após 5 s pressionando o botão Retomar disponível no software.
  8. Escolha uma janela de análise de 30 s para a detecção cronoamperométrica de várias concentrações de glicose.
  9. Repita o processo do passo 3.6 ao 3.8 para aumentar a concentração de glicose em etapas até 15 mM e registrar a resposta cronoamperométrica.

4. Otimização dos parâmetros do processo eletroquímico

NOTA: O processo de detecção eletroquímica possui vários parâmetros, como determinação da janela potencial, determinação do melhor potencial de detecção cronoamperométrica, tempo para determinação da concentração, concentração de carga do material, etc. Embora não exista um método fixo ou ordem de fluxo de trabalho para otimizar esses parâmetros, os passos a seguir podem ajudar a otimizá-los da melhor forma.

  1. Em um experimento inicial típico, comece com uma baixa concentração de nanomaterial (~1 mg/mL).
    NOTA: Para otimizar os parâmetros do processo, duas características importantes dos sensores são consideradas. Primeiro, a sensibilidade ou responsividade ao analito (neste caso, glicose). O objetivo principal é maximizar a sensibilidade ou responsividade (variação na resposta atual por unidade de glicose adicionada). Segundo, mas de igual importância, é o alcance linear de detecção. Uma gama dinâmica ampla de comportamento linear é essencial para a detecção de glicose.
  2. Otimize a janela potencial em que ocorre a reação faradaica.
  3. Inicialmente, execute uma varredura ampla de -1 V a +1 V usando voltametria cíclica.
  4. Agora, identifique uma pequena faixa de potencial onde a reação Faradaica está ocorrendo usando os picos de redução e oxidação do processo eletroquímico. Por exemplo, uma janela de 0,1-0,8 V é suficiente para eletrodos baseados em NiO NF@GCE em 0,1 M NaOH.
  5. Colete os voltammogramas cíclicos para o processo eletroquímico nessa janela de potencial.
  6. Adicione uma pequena quantidade de glicose (tipicamente 1 mM) à solução para fazer com que picos redox apareçam no voltamograma cíclico (CV) e para resolver múltiplos picos ao potencializar o pico correspondente à oxidação da glicose.
  7. Identifique o potencial de pico anódico, que varia com a concentração de glicose, como o potencial eletroquímico onde a glicose é oxidada. Meça respostas cronoamperométricas ligeiramente acima desse potencial.
  8. Uma vez identificada a janela de potencial e o potencial de oxidação da glicose, determine-se a concentração de carga ideal alterando a concentração do nanomaterial em suspensão drop-cast sobre o eletrodo. No caso atual, 4 mg/mL é a concentração ótima de carga.
    NOTA: Geralmente, para a maioria dos eletrodos baseados em NiO descritos na literatura, a sensibilidade aumenta com o aumento da concentração de suspensão de carga de até 3 mg/mL e diminui depois disso. Normalmente, a suspensão de 3 mg/mL apresenta a maior sensibilidade e maior faixa linear. Assim, a que mostra consistentemente mudanças maiores na corrente a cada incremento de glicose é a melhor.
  9. Ajuste finamente outros parâmetros, como a janela de análise e o potencial analítico, maximizando sensibilidade, faixa linear e consistência dos resultados obtidos.
    1. Use uma janela de análise de 30 s para obter resultados repetíveis mesmo sem adicionar glicose.
    2. Observe pistas visuais na curva cronoamperométrica, garantindo que a corrente se estabilize após 30 s.
      NOTA: Para ajustar os parâmetros, é essencial focar em melhorar a consistência da medição, já que a maximização já foi alcançada anteriormente. Procure pistas visuais na curva cronoamperométrica. O pico atual retorna a quase o mesmo valor quando a glicose não é adicionada. Além disso, a variação de corrente (ΔI) no caso de adição simultânea a cada incremento também permanece relativamente constante. Evite durações de análise mais longas e mantenha um equilíbrio entre consistência e sensibilidade.
  10. Uma vez que todos os parâmetros estejam otimizados, caracterize pelo menos dez eletrodos nas condições experimentais otimizadas para traçar a curva de calibração por ajuste linear dos dados extraídos em diferentes concentrações após 30 s para todos os dez eletrodos.
    NOTA: Um conjunto menor de 5 eletrodos foi escolhido neste estudo.

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Resultados

A caracterização das nanoflores de NiO foi feita para afirmar suas propriedades estruturais e morfológicas. As propriedades estruturais foram investigadas usando difração de raios X (XRD) e métodos espectroscópicos Raman. A morfologia, por outro lado, foi confirmada usando Microscopia Eletrônica de Varredura.

O padrão XRD das nanoflores de NiO é mostrado na Figura 1A para faixa de 20-80°. O tamanho do passo foi definido em 0,02626...

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Discussão

A detecção amperométrica de bioanalitos é um método comum usado para a detecção de glicose. Esse processo pode ser transposto exatamente com outros óxidos metálicos como ZnO, CuO, Fe2O3,CrO 3, MnO2, etc. O processo permanece o mesmo para diferentes analitos, como ácido ascórbico, ácido úrico, etc. No entanto, os parâmetros do processo e a otimização variam de sistema para sistema. O procedimento depende fortemente de dois parâmetros mencionados...

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Divulgações

Os autores não têm nada contraditório à literatura disponível para divulgar

Agradecimentos

Ambesh Dixit reconhece o DST, Governo da Índia, por meio do projeto nº DST/TTI/BDTD/08/2024. Vijay Kumar Singh agradece ao Governo da Índia pela assistência financeira. Os autores também reconhecem o Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Inovação Científica (CRDS), IIT Jodhpur, pelas instalações de caracterização utilizadas neste trabalho. Piyush Choudhary reconhece o MoE, as MPMEs e o Governo da Índia pelo financiamento e pela bolsa de estudos, respectivamente. Todos os autores gostariam de agradecer ao cientista sênior Akhilesh Pandey, do Laboratório de Física do Estado Sólido, Nova Délhi, pela ajuda na caracterização do Raman, e ao grupo A-MAD, IIT Jodhpur, pelo apoio e ajuda nesse tema.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Eletrodos de referência Ag/AgCl (3M KCl) e PalmsensPS111
DI águaN/AN/A
Estação de trabalho eletroquímicaPalmsens  Palmsens4
Etanol (99,9%)Produtos Químicos Finos Changshu Song Sheng64-17-5
Eletrodos de Carbono VítreosPalmsensPS103
Micropippeta 1 mLTermofischer4642090
Micropippete 20 & micro; LTermofischer4642060
Nafion Kanopy Techno Pvt. LtdKA06
NaOH Qualigens1310-73-2
Diidrato de níquel (NiCl2· 2H2O)   Sigma Aldrich69098-15-3
Polivinil Pirrolidona (PVP)Termofischer227470025
Contraeletrodo de fio ptPalmsensMW1032
UreiaQualigens57-13-6

Referências

  1. 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).
  2. Clark, L. C., Lyons, C. Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery. Ann N Y Acad Sci. 102 (1), 29-45 (1962).
  3. Newman, J. D., Turner, A. P. F. Home blood glucose biosensors: a commercial perspective. Biosens Bioelectron. 20 (12), 2435-2453 (2005).
  4. Mohamad Nor, N., Ridhuan, N. S., Abdul Razak, K. Progress of enzymatic and non-enzymatic electrochemical glucose biosensor based on nanomaterial-modified electrode. Biosensors. 12 (12), 1136(2022).
  5. Jing, Y., Chang, S. J., Chen, C. -J., Liu, J. -T. Review-Glucose monitoring sensors: history, principle, and challenges. J Electrochem Soc. 169 (5), 57514(2022).
  6. He, G., Tian, L., Cai, Y., Wu, S., Su, Y., Yan, H., Pu, W., Zhang, J., Li, L. Sensitive non-enzymatic electrochemical glucose detection based on hollow porous NiO. Nanoscale Res Lett. 13 (1), 3(2018).
  7. Xu, H., Xia, C., Wang, S., Han, F., Karbalaei Akbari, M., Hai, Z., Zhuiykov, S. Electrochemical non-enzymatic glucose sensor based on hierarchical 3D Co3O4/Ni heterostructure electrode for pushing sensitivity boundary to a new limit. Sens Actuators B Chem. 267, 93-103 (2018).
  8. Zhang, M., Wang, Y., Qi, Z., You, B., Wang, B., Wu, Y., Wang, Y., Zhang, Z. Non-invasive salivary glucose sensing technology and performance study based on NiO/multi-walled carbon nanotube composite structures. Microchem J. 215, 114491(2025).
  9. Bonomo, M. Synthesis and characterization of NiO nanostructures: a review. J Nanopart Res. 20 (8), 222(2018).
  10. Loock, H. -P., Wentzell, P. D. Detection limits of chemical sensors: applications and misapplications. Sens Actuators B Chem. 173, 157-163 (2012).
  11. Lavín, Á, de Vicente, J., Holgado, M., Laguna, M. F., Casquel, R., Santamaría, B., Victoria Maigler, M., Hernández, A. L., Ramírez, Y. On the determination of uncertainty and limit of detection in label-free biosensors. Sensors. 18 (7), 2038(2018).
  12. Xing, Y., Gao, G., Zhu, G., Gao, J., Ge, Z., Yang, H. A non-enzymatic electrochemical glucose sensor based on Ni(OH)2-CNT-PVDF composite and its application in measuring serum glucose. J Electrochem Soc. 161 (5), B106(2014).
  13. Batool, R., Akhtar, M. A., Nawaz, M. H. A nanocomposite prepared from magnetite nanoparticles, polyaniline and carboxy-modified graphene oxide for non-enzymatic sensing of glucose. Mikrochim Acta. 186 (5), 267(2019).
  14. Sanaeifar, N., Rabiee, M., Abdolrahim, M., Tahriri, M., Vashaee, D., Tayebi, L. A novel electrochemical biosensor based on Fe3O4 nanoparticles-polyvinyl alcohol composite for sensitive detection of glucose. Anal Biochem. 519, 19-26 (2017).
  15. Abdul, A. M. A., Al-Mokaram, A., Yahya, R., Abdi, M. M., Nabi, H., Ekramul, M. One-step electrochemical deposition of polypyrrole-chitosan-iron oxide nanocomposite films for non-enzymatic glucose biosensor. Mater Lett. 183, 90-93 (2016).
  16. Suyanta,, Yazid, S. N. A. M., Isa, I. M., Hashim, N., Ahmad, M. S. Novel one-pot synthesis of alkaline-reduced iron oxide/graphene nanocomposites for amperometric non-enzymatic glucose sensor. Int J Electrochem Sci. 13 (9), 9200-9213 (2018).

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