Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

NiO наноцветы для неферментативного амперометрического обнаружения глюкозы

610 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/68896

⸱

30 декабря 2025 г.

 ,  ,  , 
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

В этой статье

Краткое содержание

Основная цель этой статьи — помочь исследователям и учёным понять процесс обнаружения глюкозы с помощью электрохимии и оптимизировать параметры для максимизации реакции на глюкозу. Процесс изготовления датчика глюкозы подробно описан с рекомендациями по получению наилучшей хронамперометрической реакции.

Аннотация

Неферментативные глюкозные сенсоры с использованием наноструктурированных оксидных металлов — одни из самых широко изученных тем в настоящее время. Несколько оксидов переходных металлов (TMO), таких как оксиды железа (α-Fe 2O3,γ-Fe 2O3, Fe3O4 и др.), оксид никеля (NiO), оксид меди (CuO), триоксид хрома (CrO 3) и др., использовались в качестве катализаторов для окисления глюкозы, имитирующих ферменты. Помимо использования различных материалов TMO, были приложены значительные усилия по изучению влияния различных морфологий этих материалов. Литература показывает, что катализаторы в форме цветков и проволоки работают лучше благодаря своей большой площади поверхности.

В данном исследовании представлены неферментативные свойства обнаружения глюкозы у стеклянных углеродных электродов NiO (NiO NF@GCE). Основная цель этой работы — пролить свет на процессы, связанные с производством и характеристикой глюкозочувствительных NiO-наноцветов на GCE. Амперометрическое обнаружение глюкозы показывает линейное увеличение тока при физиологически значимых концентрациях глюкозы в диапазоне от 0 мМ до 15 мМ. Электроды обладают отличной чувствительностью 281,69 мкА мМ-1·см-2 и пределом обнаружения 10 мкм. Результаты показывают, что линейный диапазон обнаружения увеличивается, а чувствительность уменьшается с увеличением массы нагрузки наноматериала после определённой концентрации нагрузки. Кроме того, электроды демонстрировали высокую селективность по отношению к глюкозе в присутствии других мешающих видов, таких как аскорбиновая кислота, фруктоза, сахароза и NaCl. Влияние концентрации нагрузки на селективность электродов, модифицированных NiO NF, показывает снижение селективности с увеличением нагрузки наноматериала после определённой оптимальной массы нагрузки.

Введение

Медицинские технологии быстро развивались за последние два десятилетия. Биосенсорные устройства, обеспечивающие мониторинг заболеваний в реальном времени, представляют собой значительное достижение, впервые разработанное с помощью глюкозныхсенсоров 1. С момента изобретения глюкозныхэлектродов Кларка 2 датчики глюкозы значительно продвинулись. Они до сих пор являются самыми распространёнными в биосенсорировании и занимают целых 80% на рынкебиосенсоров 3. Однако большинство коммерческих датчиков глюкозы используют ферментативный способ обнаружения. Энзимные датчики имеют высокую производительность, зависимость от температуры, pH аналитического раствора, времени хранения итемпературы 4. Из-за этих недостатков неферментные сенсоры глюкозы стали новой тенденцией в обнаружении глюкозы.

Текущее поколение датчиковглюкозы 5 использует наночастицы металла и оксида металла для обнаружения глюкозы. Эти оксиды металлов высоко стабильны в условиях окружающей среды и, следовательно, являются идеальным выбором по сравнению с ферментами. Чтобы материал использовался в качестве преобразователя глюкозы, он должен обладать четырьмя важными характеристиками. Первая характеристика — высокая электрокаталитическаяактивность 6, что делает ТМО идеальным выбором для этой цели. Наличие множества стабильных окисленных степеней, которые могут использоваться для окисления глюкозы в процессе электрохимического перехода, делает их подходящими кандидатами. Вторая — большая площадь поверхности, обеспечивающая максимальное количество мест для окисления глюкозы. Наноструктуризация этих оксидов металлов и манипуляция морфологиями дают им преимущество перед собственными объёмными аналогами. Третья — высокая электрическая проводимость для эффективных изменений переноса электронов за счёт окисления глюкозы. Наконец, четвёртая — это хорошая окислительная способность для эффективной обратимости и противозагрязнения электрода. Полностью обратимый переход в случае оксидов металлов найти сложно. Однако квазиобратимые процессы могут быть хорошей альтернативой. NiO NF — один из лучших вариантов для неферментативного обнаружения глюкозы, так как они отлично соответствуют всем четырём критериям. NiO превосходит другие TMO по чувствительности, при этом только CuO демонстрирует сопоставимые показатели. Другие ТМО, несмотря на наличие множества окислительных состояний, не демонстрировали такой эффективности. Самая высокая чувствительность к глюкозе влитературе 7 наблюдается на электроде на основе Ni с Ni-легированным Co3O4. Помимо всех вышеупомянутых преимуществ, наночастицы NiO легко синтезироваться, экономически эффективны, масштабируемы и обеспечивают высокую стабильность вщелочной среде 8. Учитывая щелочную стабильность, NaOH является предпочтительным электролитом для экспериментов по неферментативному обнаружению глюкозы на основе NiO.

Поэтому статья направлена на использование NiO NF в качестве вещества, определяющего глюкозу. Выбранный базовый электрод — стекловидный углеродный электрод (GCE), который является одним из самых стандартных электродов. Однако она аналогично применима и к другим подложкам, таким как металлические электроды из пенопласта (Ni и Cu Foam), стекло с покрытием оксида индия (ITO), стекло с покрытием оксида фтора (FTO), металлические электроды (Au, Ag, Cu и др.) и трафаретные электроды. GCE можно заменить другими упомянутыми электродами, и процессы могут быть аналогично перенесены на них. Что ещё важнее, это также можно перевести на другие аналиты, такие как аскорбиновая кислота, мочевой кислота и др. Для экспериментов, связанных с хроноамперометрическим обнаружением глюкозы, предоставляется пошаговое руководство с акцентом на оптимизацию параметров, максимизирующих показатели сенсорной производительности.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. NiO наноструктурированный синтез цветов

  1. Сначала приготовьте 6 мМ раствора NiCl2·2H2Oв 10 мл этанола.
  2. В отдельном стакане приготовьте 10 мл 3% раствора поливинилпирролидона (PVP) в деионизированной (DI) воде. Ультразвуковой анализ раствора в течение 5 минут при 40 кГц (50 Вт) и механически перемешивайте ещё 5 минут. Повторите цикл дважды, чтобы полностью растворить твёрдую PVP.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если PVP остается, проведите ещё один цикл звуковой обработки и перемешивания.
  3. После полного растворения PVP добавьте 10 мл раствора PVP с помощью пипетки в 10 мл раствора Ni-прекурсора при интенсивном перемешивании. Продолжайте перемешивать смесь 30 минут после добавления PVP.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Добавление PVP — критически важный шаг для достижения желаемой морфологии.
  4. Добавляйте 18 мм раствора мочевины (в смеси 1:1 этанола в 10 мл) по капле в приготовленную смесь, увеличивая общий объём раствора до 30 мл.
  5. Помешайте раствор 10 минут, переложите его в сосуд с политетрафторэтиленом и запечатайте внутри автоклава из нержавеющей стали.
  6. После полноценной герметизации поместите автоклав в электрическую духовку при 160 °C в течение 6-8 часов. После автоклава дайте ему естественным образом остыть до комнатной температуры.
  7. Центрифугуйте полученный продукт при 26,88 x g и соберите осад для дальнейшего использования. Собранный зелёный осадок Ni(OH)2 имеет желеобразный характер, а супернатант состоит из прозрачного растворителя. Декантуйте растворитель и промывайте осадок с помощью этанола или DI как минимум 2-3 раза. Сушите промытый осад при 70 °C в течение 10 часов в электрической духовке.
  8. Высохший порошок поместите в коробчатую печь при 450 °C на 4 часа для отжига и получения чистой фазы NiO NF, серого цвета.

2. Изготовление электродов

  1. Полировка GCE с наночастицевым суспензированием 0,05 мкм на чистой электродной полировочной площадке повторяющимися движениями в виде цифры 8. Немедленно прополосните с помощью DI-воды и ультразвуковой обработки с помощью ванного соникатора в IPA и DI по 2 минуты на частоте 40 кГц (50 Вт).
    ПРИМЕЧАНИЕ: полировка GCE — это простая процедура, при которой поверхность графита очищается механическим натиранием о мелкую порошковую суспензию на чистящей подложке. Самый распространённый размер частицы для обычной очистки составляет 0,05 мкм.
  2. Добавьте известную массу (3-15 мг) порошка NiO NF к 3 мл DI, чтобы подготовить суспензию наночастиц так, чтобы концентрация наночастиц варьировалась от 1 до 5 мг/мл.
  3. Поместите смесь в ванный ультразвуковой аппарат на 10-20 минут, чтобы получить равномерную дисперсию. Убедитесь, что после соникации нет осадков или оседающих частиц.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте чрезмерной звуковой обработки, если стабильные подвески достигаются при сокращении времени ультразвуковой обработки.
  4. Отлийте 10 мкл аликвота, капнув его на очищенную поверхность электродов GCE. Затем, в зависимости от концентрации нагрузочного раствора, электроды называют NiO NF 1, NiO NF 2, NiO NF 3, NiO NF 4 и NiO NF 5 соответственно.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для равномерного результата аккуратно наносите каплю точно на поверхность стеклянного углерода, а не на корпус полимерного электрода. Если перепад на 10 мкл кажется чрезмерным, используйте меньший объём подвески, чтобы просто покрыть поверхность GCE.
  5. Дайте электродам высохнуть при комнатной температуре на ночь (10-12 часов).
  6. Наконец, используйте разбавленный раствор связывающего вещества (0,5% массы этанола) для компактного связывания наночастиц с поверхностью электрода. Для этого аккуратно отлийте 6 мкл раствора на модифицированные электроды и дайте им высохнуть в воздухе при комнатной температуре в течение 30 минут.
  7. Держите электроды в осушителе до дальнейшего использования.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте длительного воздействия окружающей среды, так как это может изменить реакцию электрода из-за изменений нафиона.

3. Процесс электрохимического обнаружения

  1. Для электроаналитического раствора возьмите 20 мл раствора NaOH 0,1 M в электрохимической ячейке.
  2. Используйте трёхэлектродную систему для анализа концентрации глюкозы. Провод Ag/AgCl (3 M KCl) и Pt являются соответственно опорным и счетчиковым электродом.
  3. Активируйте электрод NiO NF@GCE, стабилизируя его с помощью 15 циклов циклической вольтамметрии (CV). Потенциальное окно CV составляет 0-0,8 В при быстрой скорости сканирования 200 мВ/с. Пиковый потенциал снижения Ni+3/Ni+2 обычно составляет около 0,4-0,6 В.
  4. После стабилизации проведите хроноамперометрию для обнаружения глюкозы в реальном времени с помощью электрода NiO NF@GCE.
    1. Во-первых, установите исходный уровень, проведя хроноамперометрию по потенциалу восстановления Ni или потенциалу окисления глюкозы (полученному из CV) в течение 100 с.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Время устойчивости может быть выбрано в любое другое состояние, учитывая, что ток остается постоянным как минимум 10 секунд до выбранного времени для установления базового тока.
    2. После установления базового тока приостановить хроноамперометрический эксперимент с помощью кнопки паузы в программном обеспечении.
  5. Для анализа подготовьте 2-метровый раствор глюкозы.
  6. Поднимите стойку электрода и добавьте 10 мкл раствора глюкозы в электроаналитический раствор, чтобы концентрация глюкозы в полном электроаналитическом растворе составила 1 мМ при незначительном изменении общего объёма. Мешайте раствор в течение 30 секунд для достижения однородности.
  7. Затем верните электроды в прежнее состояние и возобновите хроноамперометрическое измерение через 5 секунд, нажав кнопку «Возобновить », доступную в программном обеспечении.
  8. Выберите 30-секундное окно анализа для хронамперометрического обнаружения различных концентраций глюкозы.
  9. Повторите процесс от шага 3.6 до 3.8, чтобы постепенно увеличить концентрацию глюкозы до 15 мМ и зафиксировать хроноамперометрический ответ.

4. Оптимизация параметров электрохимических процессов

ПРИМЕЧАНИЕ: Процесс электрохимического обнаружения имеет несколько параметров, таких как определение окна потенциала, определение наилучшего потенциала хроноамперометрического обнаружения, определение времени концентрации, концентрация нагрузки материала и др. Хотя нет фиксированного метода или порядка рабочих процессов для оптимизации этих параметров, следующие шаги могут помочь максимально их оптимизировать.

  1. В типичном начальном эксперименте начинайте с низкой нагрузочной концентрации наноматериала (~1 мг/мл).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для оптимизации параметров процесса учитываются две важные характеристики датчиков. Во-первых, чувствительность или чувствительность к анализируемому веществу (в данном случае глюкозе). Основная цель — максимизировать чувствительность или отзывчивость (изменение тока на единицу добавленной глюкозы). Второе, но не менее важное, — линейный диапазон обнаружения. Динамически широкий спектр линейного поведения необходим для обнаружения глюкозы.
  2. Оптимизировать потенциальное окно, в котором происходит реакция Фарадаика.
  3. Изначально проведите широкое сканирование от -1 В до +1 В с использованием циклической вольтамметрии.
  4. Теперь определите небольшой потенциальный диапазон, в котором происходит фарадейская реакция, используя пики восстановления и окисления электрохимического процесса. Например, окно 0,1-0,8 V достаточно для электродов на основе NiO NF@GCE с температурой 0,1 M NaOH.
  5. Соберите циклические вольтаммограммы для электрохимического процесса в этом потенциальном окне.
  6. Добавьте небольшое количество глюкозы (обычно 1 мМ) в раствор, чтобы в циклической вольтаммограмме (CV) появились окислительно-окислительные пики, а также для устранения нескольких пиков, усиливая пик, соответствующий окислению глюкозы.
  7. Определите анодический пиковый потенциал, который изменяется с концентрацией глюкозы, как электрохимический потенциал, в котором глюкоза окисляется. Измеряйте хроноамперометрические ответы чуть выше этого потенциала.
  8. После определения потенциального окна и потенциала окисления глюкозы определите оптимальную концентрацию нагрузки, изменяя концентрацию суспензии наноматериала, отливаемого капельно на электрод. В данном случае оптимальная концентрация нагрузки составляет 4 мг/мл.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Как правило, для большинства электродов на основе NiO, описанных в литературе, чувствительность увеличивается при увеличении концентрации суспензии нагрузки до 3 мг/мл и затем снижается. Обычно подвеска 3 мг/мл демонстрирует самую высокую чувствительность и самый большой линейный диапазон. Таким образом, тот, который стабильно показывает большие изменения тока с каждым увеличением уровня глюкозы, является лучшим.
  9. Тонко настройте другие параметры, такие как окно анализа и аналитический потенциал, максимизируя чувствительность, линейный диапазон и согласованность полученных результатов.
    1. Используйте окно анализа в 30 секунд, чтобы получить повторяемые результаты даже без добавления глюкозы.
    2. Наблюдайте визуальные подсказки в хроноамперометрической кривой, обеспечивая стабилизацию тока через 30 секунд.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для настройки параметров важно сосредоточиться на повышении согласованности измерений, поскольку максимизация уже была достигнута. Ищите визуальные подсказки в хроноамперометрической кривой. Текущий скачок возвращается почти к тому же значению, когда глюкоза не добавлена. Кроме того, изменение тока (ΔI) при одновременном сложении при каждом приросте также остаётся относительно постоянным. Избегайте длительных анализов и сохраняйте баланс между последовательностью и чувствительностью.
  10. После оптимизации всех параметров охарактеризуйте как минимум десять электродов в оптимальных экспериментальных условиях, чтобы построить кривую калибровки с помощью линейного подгонки данных, извлечённых в разных концентрациях, через 30 секунд для всех десяти электродов.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании был выбран меньший набор из 5 электродов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Характеристика NiO-наноцветов была проведена для подтверждения их структурных и морфологических свойств. Структурные свойства исследовались с помощью рентгеновской дифракции (XRD) и рамановских спектроскопических методов. Морфология, напротив, была подтверждена с помощью сканирующей электронной микроскопии.

Узор XRD NiO-наноцветов показан на рисунке 1A в диапазоне 20-80°. Размер шага был установлен на 0,02626°/шаг, а скорость скан...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Амперометрическое обнаружение биоаналитов — распространённый метод для обнаружения глюкозы. Этот процесс можно точно транспонировать с другими оксидами металлов, такими как ZnO, CuO, Fe2O3,CrO 3,MnO 2 и др. Процесс остаётся одинаковым даже для разных аналитов, таких как аскорбиновая кислота, мочевой кислота и т.д. Однако параметры процесса и оптимизация различаются в зависимости от системы. Процедура сильно зависит от двух перечисленных ниже па...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

У авторов нет ничего, что противоречило бы имеющейся литературе

Благодарности

Амбеш Диксит признаёт DST, правительство Индии, через проект No DST/TTI/BDTD/08/2024. Виджай Кумар Сингх благодарит правительство Индии за финансовую помощь. Авторы также отмечают Центр исследований и разработок научных инноваций (CRDS) IIT Jodhpur за использование характеристикных возможностей, использованных в этой работе. Пиюш Чоудхари выражает благодарность Министерству образования, ММСП и правительству Индии за финансирование и стипендию соответственно. Все авторы выражают благодарность старшему научному сотруднику Ахилеш Пандею из Лаборатории физики твёрдого тела в Нью-Дели за помощь в характеристике Рамана, а также группе A-MAD, IIT Джодхпур, за их поддержку и помощь в этой теме.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Эталонные электроды Ag/AgCl (3M KCl) и ПальмсенсPS111
DI-водаН/ДН/Д
Электрохимическая рабочая станцияПальмсенс  Palmsens4
Этанол (99,9%)Чаншу Сун Шэн Файн Химикалс64-17-5
Стеклянные углеродные электродыПальмсенсPS103
Микропиппет 1 млТермофишер4642090
Micropippete 20 & micro; LТермофишер4642060
Nafion Канопы Техно Пвт. ОООKA06
NaOH Qualigens1310-73-2
Никельхлорид дигидрат (NiCl2 и middot; 2H2O)   Сигма Олдрич69098-15-3
Поливинилпиролидинон (PVP)Термофишер227470025
Электрод счётчика проволоки PtПальмсенсMW1032
МочевинаQualigens57-13-6

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Неферментативное определение глюкозыамперометрическое детектирование глюкозыэлектрод на основе оксида никеляоксиды переходных металловциклическая вольтамперометрияхроноамперометриястеклоуглеродный электродокисление глюкозынаноструктурированные оксиды металлов
NiO наноцветы для неферментативного амперометрического обнаружения глюкозы
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.