非酵素的グルコースセンサーの長期保存のためのα-NiSナノスフェアフィルムを合成するための硫化温度の操作

背景

過去10年間、硫化ニッケル（NiS）は優れた導電性を備えていると認められてきました。リチウム二次電池の正極材料として溶かすことができます[1,2,3]。さらに、NiSはソーラーストレージに適用されています[4、5]。また、光触媒への応用に優れた特性を持っていることが証明されています[6、7]。 NiSフィルムは、非酵素的グルコースセンサーにも使用できます[8、9]。グルコース検出については、グルコースを検出するための多くの検知方法が開発されてきた。最も広く使用され、歴史的に重要な方法には、銅ヨードメトリー、高速液体クロマトグラフィー（HPLC）、グルコースオキシダーゼ（GC）、キャピラリーゾーン電気泳動（CZE）、および非酵素的グルコースセンサーが含まれます[10]。非酵素的グルコースセンサーは、将来のグルコース検出の重要なアプリケーションになるでしょう[11]。私たちはNiSフィルムの合成に興味を持っており、非酵素的グルコースセンサーの重要な用途の1つとしてこの種の材料を研究しています。センサー保存研究では、非酵素的グルコースセンサーは酵素的グルコースセンサーよりも多くの時間を保存することができます[12]。この論文では、α-NiS膜の合成プロセスについて説明し、サイクリックボルタモグラム（CV）測定とアンペロメトリーによるグルコースの検出に使用できる試料を示します。また、非酵素的グルコースセンサーを室温で5年半保存したという報告はありませんでした。この論文では、α-NiSナノスフェアフィルムが実験室で室温で5年半保存され、さまざまな溶液（0.1 M NaOHおよびクレブスバッファー）でさまざまな濃度のグルコースを検出するのに依然として有用であることを示しました。

メソッド

結果と考察

電着法によりニッケルナノシート膜を得た。 DC電着を3.0VDCと4.0VDCの電位に設定しました。電気めっき液を40°Cで10分間維持し、ITOガラス基板上にニッケル膜が電着するのを観察しました。図1は、ニッケル膜の電着の結果を示しています。図1a、bに見られるように、ニッケルナノシートフィルムの観察された表面は、3.0 V DCの堆積電位で0.01〜0.3μmの平均粒径でした。厚さ約500nmのニッケルナノシートフィルムの断面を図1bの挿入図に示しました。ニッケル膜の表面では、4.0 V DCの堆積電位で平均粒径が0.5〜1.0μmであることが観察されました。図1dは、ニッケル膜のXRDパターンを示しています。異なるニッケル膜のXRDパターンに対応する回折ピークは、粉末回折標準委員会（JCPDS870712）カードとの比較によって確認されました。したがって、ITOガラス基板上で観察したところ、最終製品がニッケル膜であることを確認しました。

ニッケル膜のFE-SEM画像。 a 、 b ニッケルナノシートフィルムの上面図は、3.0 VDCで電着されました。挿入図：ニッケルナノシートフィルムの断面。 c ニッケル膜の上面図は、4.0 VDCで電着されました。 d ニッケル膜のXRDパターンは、さまざまな電位（3.0および4.0 V DC）で電着されました

α-NiS膜のナノ構造の発達には、ニッケルナノシート膜の方がニッケル膜よりも優れていると考えた。ナノNiS膜を得るための実験では、ニッケルナノシート膜を硫化しました。ニッケル膜を真空シールしたガラスアンプルでアニールした後、α-NiS膜を取得しました。図2は、さまざまな硫化温度を制御してα-NiS膜を合成した結果を示しています。図2aXRDパターンは、3つのα-NiS膜が3つの異なるアニーリング温度（300、400、および500°C）で合成されたことを示しています。各試料のXRDパターンでは、異なるα-NiS膜からの回折ピークが同じ位相にあることが観察されました。 α-NiS膜のXRDパターンに対応する回折ピークは、粉末回折標準委員会（JCPDS750613）カードとの比較により確認されました。したがって、最終製品がα-NiS膜であることを確認しました。図2b–dは、3つの異なるアニーリング温度（300、400、および500°C）で4時間のα-NiS膜の異なる形態を示しています。硫黄（S）およびニッケル（Ni）元素の重量パーセント（wt％）を使用したα-NiSフィルムのEDS結果を、図2b〜dの挿入図に示しました。図2bは、アニーリング温度300°Cでのα-NiS膜の表面に不規則な形状の粒子を示しています。図2bでは、粒子が約0.5〜2μmであることが観察されました。図2bの挿入図は、アニーリング温度300°C、Sの34.99 wt％、Niの65.01 wt％、モル比0.99（S / Ni）でのα-NiS膜のEDS結果を示しています。図2cのアニーリング温度400°Cで、α-NiS膜の表面におよそ平均サイズ0.1〜0.2μmのα-NiSの球形の粒子と多孔質構造が観察されました。図2cの挿入図に、アニーリング温度400°C、Sの35.75 wt％、Niの64.25 wt％、モル比1.02（S / Ni）でのα-NiS膜のEDS結果を示しました。また、図2dの硫化温度500°Cで、α-NiS膜の表面に約1〜5μmの平均サイズのα-NiSの鎖状粒子が観察されました。図2cの挿入図は、アニーリング温度500°C、Sの36.22 wt％、Niの63.22 wt％、モル比1.04（S / Ni）でのα-NiS膜のEDS結果を示しています。試料表面の形態（不規則な形状の粒子、ナノスフェア、鎖状粒子）は、さまざまなアニーリング温度（300、400、500°C）で変化することが観察されました。一般に、異なるアニーリング温度で異なる成長の進展とナノ構造の形成が観察されました。研究者（Denholme et al。）は、温度がNiS ₂ の成長速度に影響を与えることも示しました。 フィルムは、Ni-Sシステムの温度パラメータによってさまざまな形態を制御しました[15]。これはS蒸気圧によるものです。同様に、S蒸気は、S蒸気およびNi輸送反応におけるNi金属表面での蒸気-固体または蒸気-液体-固体メカニズムを介した反応に関与したことが理論的根拠でした。したがって、反応は閉鎖系内で行われ、反応物の蒸気圧に依存していた。蒸気圧は、反応温度と反応物の化学量論比に依存していました。 NiとSの反応速度のさまざまな向上に伴い、温度が上昇するにつれて、S蒸気圧におけるNiSのさまざまな形態が大幅に増加すると考えました。

a XRDパターンは、さまざまなアニーリング温度（300、400、および500°C）でのα-NiSナノスフェアフィルムを示しています。 α-NiS膜の上面画像は b でアニールされました。 300、 c 400、および d 500°Cで4時間。挿入図：EDSスペクトルは b の挿入図にありました – d 。 e 画像は、異なるアニーリング時間（3および6）でのα-NiSフィルムのXRDパターン（左上）、FE-SEM画像（右上、3時間、左下、6時間）、およびEDSスペクトル（右下）を示しました。 h）。 f 曲線は、条件の保存テストのための私たちの研究室での温度と湿度の測定に関する記録を示しています

また、アニーリング時間の最適な時間を確認したいと思います。 α-NiSフィルムを400°Cで他の時間（3時間および6時間）アニールしました。結果を図2eに示しました。さまざまなα-NiSフィルムのXRDパターンが同じ位相であることが観察され、図2eの挿入図（左上）のJCPDS750613カードによって確認されました。図2eの挿入図（右上）では、硫化温度400°Cで3時間、α-NiS膜の表面に粒子が約0.5〜1μmあることが観察されました。挿入図には、アニーリング温度400°C、Sの30.43 wt。％、Niの69.57 wt。％、モル比0.8（S / Ni）での3時間のα-NiS膜のEDS結果が示されています。 （右下）図2e。図2eの挿入図（左下）では、硫化温度400°Cで6時間、α-NiS膜の表面に粒子が約0.5〜2μmあることが観察されました。挿入図には、アニーリング温度400°C、Sの39.92 wt。％、Niの60.08 wt。％、モル比1.21（S / Ni）での6時間のα-NiS膜のEDS結果が示されています。 （右下）図2e。図2cの挿入図（EDSの結果）に見られるように、化学量論比1（S / Ni）に近い4時間の試験片ではSの過剰または不足がないことが示されました。最後に、アニーリング時間4時間でα-NiSフィルムの表面により多くのナノスフェアを有する図2cのSEM画像を、挿入図（上部）に大きな粒子を含む異なるアニーリング時間（3時間と6時間）の2つのSEM画像と比較しました。図2eの右と左下）。アニーリング時間の最適な期間は4時間であることを確認しました。

α-NiSナノスフェアフィルムを合成した後、私たちの研究室では、5年半の間、空気条件のあるプラスチックカバー付きの小さなプラスチック容器にいくつかのα-NiSナノスフェアフィルムを入れました。 α-NiSナノスフェアフィルムの保存テストの時間は、2011年8月1日から2016年12月31日まででした。図2fに示すように、曲線は温度（16〜26°C）と相対湿度（50〜65％）を示しています。 ）2011年8月1日から2016年12月31日まで保存テストのために私たちの研究室で記録されました。保存テストを終了した後、CV測定とアンペロメトリーによって異なるグルコース濃度で電流応答をまだ持っているα-NiSナノスフェアフィルムを確認したかった非酵素的グルコースセンサーのNiS試料の電気化学的挙動の測定に関するいくつかの論文を調査しました。多くの研究者は、同じ条件で結果を簡単に比較できるため、0.1 MNaOH溶液でCV測定とアンペロメトリーによって標本を測定しました[8、9、10、11、12]。図3は、α-NiSフィルムのCVおよびアンペロメトリー特性を示しています。作用電極の面積は0.2×0.5cm ² すべての実験でα-NiSナノスフェアフィルムの表面のグルコースを検出するため。 α-NiS膜の酸化還元（レドックス）反応は、ポテンシオスタットを備えたAg / AgCl参照電極によるCV法を使用して推定されました。 α-NiSフィルムのCV特性は、ポテンシオスタットによって0〜0.8Vで1サイクルスキャンされました。試料は、20 mVs ^-1 のスキャンレートで3電極構成で測定されました。 。 NaOHの濃度については、次の式（1）でOH ^- が多いことがわかったため、溶液に0.1Mを選択しました。 私たちが持っていた陰イオンは、より多くのe ⁻ 溶液中の陰イオン[8]。

a 画像の3つのCV：赤い曲線は裸のITOのCVを示しています。オレンジと緑の曲線は、さまざまなアニーリング温度（300および500°C）でのα-NiS膜のCVです。挿入図：裸のITO /ガラスのCV。 b さまざまな濃度のグルコースを含む0.1MNaOH中のnano-NiS / ITOのCV：（α）0μM、（β）2μM、（γ）7μM、（δ）10μM、（ε）15μM、（ζ） 20μM、（η）30μM、および（θ）35μM。挿入図：左上-グルコース濃度に対する酸化ピーク電流のプロット。下-NiフィルムとNiナノシートフィルムのCV。 c α-NiSナノスフェアフィルムは、さまざまな濃度のグルコースを含む0.1 M NaOHでのアンペロメトリーによって評価されました：（α）1μM、（β）2μM、（γ）7μM、（δ）10μM、（ε）15μM、 （ζ）20μM、（η）22μM、（θ）25μM、（ι）30μM、および（κ）35μM。挿入図：左上-グルコース濃度に対する現在の応答のプロット。下-0.1M NaOH、2μMグルコース、2μMドーパミン、尿酸、乳酸の存在下、0.6 VDCの印加電位でのNiS / ITOのクロノアンペロメトリー応答。 d 1.5 mM Fe（CN） ₆ を含む0.1M KClで、さまざまなアニーリング温度（300および500°C）でのニッケルナノシートフィルム、α-NiSナノスフェアフィルム、およびα-NiSフィルムのナイキスト線図 ^{3- / 4-} 。 e グルコース濃度が異なるクレブスにおけるナノNiS / ITOのCV：（α）0μMおよび（β）20μM。挿入図：左上-裸のITO /ガラスのCV。 f α-NiSナノスフェアフィルムは、さまざまな濃度のグルコース（（α）0μM、（β）10μM、（γ）20μM、（δ）30μM、および（ε）40μM）を使用したクレブスバッファーでのアンペロメトリーによって評価されました。挿入図：上-グルコース濃度に対する現在の応答のプロット

上記の式（1）によれば、e ^- が多いほど 私たちが溶液中に持っていた陰イオン、より大きな電流値はポテンシオスタットで示されました。図3aには3つの曲線があります。裸のITOの赤いCV曲線は、図3aの挿入図に示されています。オレンジと緑のCV曲線は、さまざまなアニーリング温度（300および500°C）でのα-NiS膜の酸化還元反応です。図3aでは、CV曲線に負の還元電位がないことがわかりました。また、2つのα-NiSフィルムには、異なるグルコース濃度に対する電流応答がないこともわかりました。図3bに示すように、α-NiSナノスフェアフィルムは、さまざまなグルコース濃度（2、7、10、15、20、30、および35μM）の0.1 MNaOHの溶液でのCV測定によって評価されたことが示されました。 20mVsのスキャンレート ^-1 。明らかに、図3bにα-NiSナノスフェアフィルムの酸化還元電位が見られました。ナノNiS膜の同様の酸化還元曲線が他の論文で発見されました[8]。研究者（Padmanathan etal。2015）は、反応メカニズムの説明は2つのレドックス方程式であると報告しました。 （2）および（3）ナノNiS膜のグルコース感知について。 2つの方程式を以下に示します[8]：

図3bに示すように、酸化ピークのさまざまな電流値は、0.6Vで明らかに変化しました。図3bの挿入図（左）のさまざまなグルコース濃度に対する酸化ピークのさまざまな電流応答について、点線が線形関係にあることを確認しました。ニッケルナノシートフィルムとニッケルフィルムのCV曲線も、図3bの挿入図（下）に示されています。ニッケルナノシートフィルムのCV曲線の電流応答は、図3bの挿入図（下）の0〜0.8VでNiフィルムよりも大きかった。 α-NiSナノスフェア膜の合成過程で前駆体としてニッケルナノシート膜を使用したことを考え、CV曲線でより大きな電流応答を得る機会が増えました。図3cは、α-NiSナノスフェアフィルムのさまざまな電流応答が、アンペロメトリーによってさまざまな濃度（1、2、7、10、15、20、22、25、30、および35μM）のグルコースを検出するためのものであることを示しています。図3cの挿入図（左）では、1〜35μMのグルコース濃度のさまざまな電流応答が0.99の相関係数を持つ線形関係で観察されました。記述者：

感度値は8.4μAμM ^-1 と推定されました。 cm ⁻² 式のために。 （4）。図の挿入図（下）に、適用電位0.6 V DCでの2μMグルコースと2μMドーパミン、2μM尿酸、および2μM乳酸を含む0.1 MNaOH中のα-NiSナノスフェアフィルムのクロノアンペロメトリック応答を示しました。 。3c。私たちのα-NiSナノスフェアフィルムは、ドーパミン、尿酸、乳酸に対する干渉防止能力を備えた0.1 MNaOH中の非酵素的グルコースセンサーであることを実証しました。

α-NiSナノスフェアフィルムの電気化学的結果については、図2cのα-NiSナノスフェアフィルムの表面に、400°Cの試料だけが多くの小さなナノ粒子と多孔質構造を示していると考えました。より小さなナノ粒子と多孔質構造がα-NiSナノスフェアフィルムの表面に堆積したため、ナノスフェアフィルムは電気化学的検出においてより大きな表面積とより高い応答を提供しました。試料が400°Cで4時間アニーリングされ、低グルコース濃度での電流応答が観察されました。 α-NiSナノスフェアフィルムの表面に多数の小さなナノ粒子と多孔質構造があるため、グルコース応答が良好な400°Cの試料のみが原因でした。

図3dは、α-NiSフィルムの電気化学インピーダンス分光法（EIS）が、0.1 M KCl（1.5 mM Fe（CN） ₆ を含む）の溶液で検出されたことを示しています。 ^{3- / 4-} ）。ウォーバーグ（ W ）α-NiSナノスフェアフィルムのインピーダンスは、他の2つのα-NiSフィルムよりも大きかった。 α-NiSナノスフェアフィルムのEISモデルの要素は R でした。 _s =133Ω、 R _ct =42.1Ω、 C _d =22.1μF、および W =11.7kΩ。 Niナノシートフィルムの電気化学的インピーダンスも図3dに示され、これらのパターンではインピーダンス値が低くなっています。また、安定性、安定性の標準偏差（SD）、および再利用性について、非酵素的グルコースセンサーの値を計算しました（表1を参照）。表1の安定性のSDの値から、14回の測定の平均安定性値（0.011 mA / min）は、13回の測定の平均安定性値（0.006 mA / min）よりも大きいことがわかりました。再利用性の数値は約13（SD≤0.002mA/ min）であると考えました。

0.1 M NaOH中のNiS試料の電気化学的挙動の測定を終了した後、生理学的条件について多くの論文を調査しました。それらの研究者は、細胞培養の適用のために、リン酸緩衝生理食塩水（PBS）、アネキシンV結合緩衝液、aECF溶液、およびクレブス緩衝液などのさまざまな溶液を使用しました[17、18、19、20、21]。一部の研究者は、低グルコース濃度の細胞培養バッファーとしてクレブスバッファーを選択しました[20、21]。低グルコースの奉献を検出するためのα-NiSナノスフェアフィルムの線形範囲は、0.1 M NaOHで1〜35μMでした。したがって、生理学的条件のクレブスバッファーで低グルコースの奉献を検出するためにセンサーを使用することは、私たちにとって実用的な意味がありました。 。 α-NiSナノスフェアフィルムを使用して、クレブスバッファー中のさまざまな濃度のグルコースを検出しました。 α-NiSナノスフェアフィルムを使用して、クレブスバッファー（115 mM NaCl、2 mM KCl、25 mM NaHCO ₃ ）中のサイクリックボルタモグラム（CV）により、さまざまなグルコース濃度（0および20μM）で検出しました。 、1 mM MgCl ₂ 、2 mM CaCl ₂ 、0.25％ウシ血清アルブミン[pH 7.4]; 5％CO ₂ で平衡化 、0.01 MNaOHでpH7.4に調整）[20]。図3eの挿入図に見られるように、裸のITOのバックグラウンドCV曲線を示しています。図3eは、0および20μMのグルコースを含むクレブスバッファー中のNiS / ITO電極のCV曲線も示しています。明らかに0.6V付近で異なる電流応答のCV曲線を観察しました。図3fに示すように、α-NiSナノスフェアフィルムは、さまざまなグルコース濃度を検出するために、クレブスバッファー（0.01 MNaOHでpH7.4に調整）でアンペロメトリーによって評価されました：（α）0μM、（β）10μM、（γ ）20μM、（δ）30μM、および（ε）40μM。挿入図は、グルコース濃度に対する酸化ピーク電流のプロットを示しています。アンペロメトリー応答の曲線が図3fの挿入図（上）に示されています。これは、相関係数が0.99の線形関係を示しています。 I [μAcm ^-2 で記述されました ] =0.0004 [グルコース]μM+ 0.0638。

図4は、UV /可視/ NIR吸収および蛍光スペクトルを示しています。さまざまなアニーリング温度（300、400、および500°C）で、300〜800 nmのスペクトル範囲（図4a〜c）でα-NiSフィルムのUV /可視/ NIR吸収を記録しました。エネルギーギャップを決定するには（ E _g ）ナノスフェアの、次の吸収係数の依存性（α ）光子エネルギー方程式が使用されました[22]：

ここで E _g エネルギーギャップでした、 A は、異なる遷移に対して別々の値を持つ定数でした、hν 光子エネルギーであり、 m は、電子遷移の性質に相互に関連する値1 / 2、3 / 2、2、および3を想定した指数でした。それは吸光度の原因でした。 （αhν ） ² hνに対して 図4a–cの挿入図にプロットします。 m のとき =1/2、α-NiS膜のこれらの吸収スペクトルにより、直接遷移の適切な値が可能になりました。図4a–cの挿入図に見られるように、3つのエネルギーギャップ（ E _g ）α-NiS膜の値（1.08、1.8、および0.66 eV）。図4a〜cの挿入図では、点線を使用して0.6〜2.8eVの曲線に適合させました。図4a–cの挿入図に見られるように、最も高いエネルギーギャップ（ E _g ）のα-NiSナノスフェア膜は、アニーリング温度400°Cで約1.8eVでした。この研究では、蛍光装置を使用して、標本の光学特性を調査しました。以前の研究者は、さまざまな相、形状、構造、および表面/体積比の影響を受けたα-NiS粒子の蛍光スペクトルに焦点を当てていました[23]。図4dに示すように、さまざまなアニーリング温度（300、400、および500°C）で紫外線を放出するα-NiSフィルムの蛍光スペクトルを観察しました。試料のPLスペクトルは、448nmに鋭い発光ピークと369nmに発光ピークを示しました（λで励起） _ex =277 nm）[23、24]。 α-NiS膜の光学特性の結果によると、アニーリング温度が異なると、NiS膜の結晶粒径が異なる可能性があると考えました。量子閉じ込めを示すナノ粒子に関しては、サイズのナノ粒子を増やすと、温度が400から500°Cに下がるにつれてバンドギャップが減少することに影響しました[25]。 NiSの光学特性は粒子サイズが異なると変化するため、NiSの光学特性は温度が異なると大幅に変化します[25]。異なる温度でNiSフィルムの光学特性が大幅に変化するのは、サイズ効果を示し、バンドギャップに影響される粒子サイズを減少させるためです。

UV /可視/ NIR吸収スペクトルおよび（αhν ） ² 対hν a でα-NiS膜を合成するための図の挿入図にプロット 300、 b 400、および c 500°C。 d α-NiSフィルムの蛍光スペクトルは、さまざまなアニーリング温度（300、400、および500°Cで4時間）で作成されました。

アニーリング温度400°Cで非酵素的グルコースセンサー用のα-NiSナノスフェアが多数得られたため、HR-TEM分析をα-NiSナノスフェアフィルムに集中させることを検討しました。図5に示すように、α-NiSナノスフェアが400°Cで4時間アニーリングされていることがわかりました。調製されたままのα-NiSナノスフェアの微細構造に関する情報は、HR-TEMによって得られた。図5a、bは、ナノスフェアのHR-TEM画像を示しています。ナノスフェアの直径は150〜250nmでした。図5cHR-TEM画像は、α-NiSナノスフェアの2つの隣接する（101）面間の距離に対応する、0.7786nmの間隔を持つ明確な格子縞も示しています。図5dは、ナノスフェアのSAEDパターンを示しており、回折リングのスポットは、α-NiSナノ構造の（101）にインデックス付けされています。

a – c α-NiSナノスフェアのHR-TEM画像。 d α-NiSナノスフェアのSAEDパターンは、400°Cで4時間アニーリングしていました

結論

要約すると、α-NiSナノスフェアフィルムは、XRD、VVSEM、FE-SEM、EDS、EIS、UV、PL、およびHR-TEM装置を使用して調査されました。 α-NiSナノスフェア膜は、真空シールされたガラスアンプル内でアニーリング温度を400°Cで4時間制御することによって形成されることを観察しました。エネルギーギャップ（ E _g ）のα-NiSナノスフェアフィルムは約1.8eVでした。ラボでα-NiSナノスフェアフィルムを5年半保存した後、さまざまな溶液（0.1 M NaOHおよびKrebs）でのCV測定およびアンペロメトリーにより、α-NiSナノスフェアフィルムがさまざまなグルコース濃度で電流応答を示すことを確認しました。バッファ）。グルコースを検出する線形範囲は、0.1 M NaOHで1〜35μMでした。生理学的条件の場合、グルコースを検出する線形範囲は、クレブスバッファーで約0〜40μMでした。

略語

CV：

サイクリックボルタモグラム

EDS：

エネルギー分散型分光計

FE-SEM：

電界放出型走査電子顕微鏡

HR-TEM：

高分解能透過型電子顕微鏡

NiS：

硫化ニッケル

PL：

フォトルミネッセンス

PVT：

物理蒸着

SD：

標準偏差

UV / Visible / NIR：

紫外線/可視/近赤外線

VVSEM：

可変真空走査型電子顕微鏡

wt％：

重量パーセント

XRD：

X線回折