グルコースに対する銅ナノ粒子の検知性能を改善する多孔質炭素基板

はじめに

近年、糖尿病は世界中で大きな注目を集めており、グルコース濃度の迅速かつ正確な測定を促進しています[1]。さまざまな技術が開発されています[2]。簡単な操作、高速応答、高感度のメリットにより、電気化学的方法はグルコースセンシングで特に重要であり、電極活物質はセンサーにとって最も重要です[3、4]。これまでのところ、良好なグルコース応答活性を持つ報告された材料には、貴金属（金[4]、銀[5]、白金[6]、パラジウム[7]）、非貴金属（銅[8]、ニッケル[9]）が含まれます。 ）、金属酸化物（亜鉛酸化物[10]、マンガン酸化物[11]、ニッケル酸化物[12]、鉄酸化物[13]）、および炭素材料（カーボンナノチューブ[14]、カーボンナノドット[15]、メソポーラスカーボン[16] ]）など。これらの材料の中で、銅ベースの複合材料は、低コスト[3]、良好な導電性[17]、制御された比表面積の結果として、グルコースの効率的な検知プラットフォームを構築する大きな可能性を示します。一方、銅ベースの材料の電気化学的性能は、書記素[18、19]、カーボンナノファイバー[20]、カーボンナノチューブ[21]、メソポーラスカーボン[22]などの炭素質基板と複合材料を形成することによって大幅に改善されると報告されています。 。たとえば、Zhang etal。レーザー誘起グラフェン複合材料上に銅ナノ粒子を調製し、酵素を含まない柔軟なグルコースアンペロメトリーバイオセンサーの開発に成功しました。そのシンプルさと高感度の恩恵を受けて、センサーはウェアラブルまたは埋め込み型バイオセンサーでの使用が期待されていました[23]。アーク放電法を使用して、CuOと単層カーボンナノチューブの複合材料がWangのグループによって合成されました。カーボンナノチューブによって促進される高導電性ネットワークは、グルコースセンシングにおいて高感度と優れた選択性をもたらしました[21]。銅ナノワイヤーの良好な導電性と二次元還元グラフェン酸化物（rGO）層での高速電子移動のために、Ju etal。 1次元の銅ナノワイヤーと2次元のrGOナノシートの複合材料を合成し、1625 \（\ upmu \）A /（mM・cm ² の感度を示しました。 ）およびグルコースの検出のための0.2 \（\ upmu \）Mの限界検出[3]。銅ベースの材料の大幅な性能向上が達成されましたが、それでもポータブルデバイスの実際のアプリケーションには十分ではありません。これは、銅ナノ粒子の新しいテンプレートまたは一致を検索する必要があることを意味します。

特殊な三次元フレームワーク構造[24]により、多孔質炭素は、金属活性中心の分散を促進する豊富な結合部位を有するだけでなく、電子および反応性物質のアクセス可能性を改善するより大きな比表面積を提供します[25,26 、27]。近年、多孔質炭素は、金属材料の電気化学的検知活性を大幅に向上させることができる有望な修飾および基板材料の一種として認識されています。たとえば、Li etal。 Co ₇ の複合材料を調査しました Fe ₃ 多孔質カーボンナノシートに埋め込まれた合金ナノ粒子（Co ₇ Fe ₃ / NPCS）。結果は、多孔質炭素からのナノ閉じ込め効果により、グルコースの検出に非常に広い線形範囲（0.001〜14.00 mM）を示しました[28]。多孔質炭素材料を調製するための自己犠牲テンプレートとして金属有機フレームワーク（MOF）を使用して、Jiaらによって調製されたナノ多孔質炭素ナノロッドに埋め込まれたニッケルナノ粒子。速い応答時間（1.6秒以内）で優れたグルコース検知特性を示しました[29]。 Song etal。 Cu MOFを原料として、銅ナノ粒子を均一に埋め込んだ多孔質カーボンベッドからなる複合材料（Cu @ C-500）を構築しました。階層的な多孔性のため、高感度と低検出限界を示し、グルコースセンサーデバイスで大きな可能性を示しました[30]。したがって、独自の構造的および電子的効果により、多孔質炭素材料は、グルコース検知における銅ナノ材料の電気化学的性能をさらに強化するための優れたパートナーになると期待されています。

ここで、この研究では、多孔質炭素基板に収容された銅ナノ粒子の複合材料を、銅イオンを含浸させた安価な濾紙を高温で焼成することによって設計および合成しました。合成プロセス中に、多孔質炭素の形成と銅ナノ粒子の収容が同時に発生しました。これは、走査型電子顕微鏡法と透過型電子顕微鏡法によって実証できます。電気化学的測定の結果は、準備されたサンプル（Cu NP @ PC）が、0.31 mA / cm ^-2 の電流密度でグルコース酸化に対して高い電極触媒活性を示すことを示しています。 0.2mMグルコースの存在下で0.55Vの電位で、これはCu NP / Cからのものよりもはるかに優れています。グルコース検知の場合、感度は84.5μA（mmol / L） ^-1 と決定されます。 検出限界は2.1μmol/ Lと計算されており、これまでに報告されたほとんどの材料よりもはるかに優れています。さらに、現在の材料の優れた選択性は、干渉防止実験によっても実証されました。

実験的

試薬

硝酸銅（Cu（NO ₃ ） ₂ ・3H ₂ O、AR）、エタノール（C ₂ H ₅ OH、99.8％）、グルコース（C ₆ H ₁₂ O ₆ 、96％）、尿素（CH ₄ N ₂ O、AR、99％）、クエン酸（C ₆ H ₈ O ₇ 、AR、99.5％）、酢酸アンモニウム（CH ₃ COONH ₄ 、AR）、塩化ナトリウム（NaCl、AR、99.5％）、水酸化カリウム（KOH、AR、85％）。上記の試薬はすべてアラジンから購入しました。 DuPontから入手した5％D520 Nafion溶液、および濾紙は、杭州富陽BEIMUパルプ株式会社から購入しました。日本のToray導電性カーボンペーパー（TGP-060）からカーボンペーパーを購入しました。実験全体で使用された水は、導電率が18.25MΩ⋅cmの超高純度です。

楽器

X線回折（XRD）スペクトルは、機器X’Pert PROMPD多目的粉末X線回折計から取得しました。 1000〜4000 cm ^-1 の範囲のフーリエ変換赤外スペクトル（FT-IR） IS50FT-IR分光計から記録されました。ラマンスペクトルは、inVia Qontor（Renishaw、UK）システムで532nmの波長で測定されました。 X線光電子分光法（XPS）測定は、120Wで動作するThermoESCALAB 250XI分光計で実行されました。サンプルの形態は、動作加速電圧20kVのHitachiS4800走査型電子顕微鏡（SEM）によって特徴付けられました。透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、Tecnai G2F20から収集されました。 Brunauer–Emmett–Teller（BET）測定は、比表面積物理吸着装置（ASAP2020M）で実行されました。

Cu NP @PCとCuNP / Cの合成

通常、Cu NP @ PCの合成は、2段階の高温熱分解によって完了しました。まず、市販のろ紙を、窒素雰囲気下の管状炉で250°Cで1時間前処理しました。次に、10 mm \（\ times \）50 mmのサイズの処理済み淡黄色濾紙を0.1Mの濃度の青色の透明な硝酸銅溶液に浸し、10分後に取り出しました。室温で乾燥させた後、濾紙をきれいな磁器のボートに入れ、窒素保護下の管状炉でそれぞれ180°C、240°C、900°Cで2時間、2時間、1時間連続して処理しました。 。最後に、システムが室温に冷却されたときにCu NP @ PC製品が収集され、電気化学的試験の前に粉砕されました。対照サンプルでは、​​硝酸銅の濃度がそれぞれ0.2Mと0Mであることを除いて、Cu NP / Cと純炭素の合成を同じ手順で実行しました。

電気化学的測定

この作業では、すべての電気化学テストは、室温で標準の3電極システムを備えたCHI760E電気化学ワークステーションで実行されました。実験の前に、集電体としての数枚のカーボンペーパー（5mm×5mm）を水、エタノールですすぎ、60°Cで一晩乾燥させました。触媒インクの調製では、10 mgのサンプル（Cu NP @ PC、Cu NP / C、または純粋な炭素粉末）をエタノール、水、およびNafion（5％）溶液と、10：10：1から10：1の特定の比率で混合しました。均一な分散を形成します。次に、40μLの触媒インクを1.6 mg / cm ² の負荷のあるきれいなカーボン紙に滴下しました。 、作用電極として使用されました。 Ag / AgCl（飽和KCl）電極とグラファイトロッドをそれぞれ参照電極と対極として使用しました。電気化学的実験では、サイクリックボルタンメトリーと線形掃引ボルタンメトリーを採用して、グルコース酸化のために調製された材料の潜在的な性能を定性的に調べました。クロノアンペロメトリーを使用して、調製した材料の検知性能を定量的に評価しました。プロセス全体で、0.1 MKOH溶液が電解質として選択されました。

結果と考察

図1aに示すように、ターゲット材料の合成では、予熱処理により、ろ紙から不安定な不純物と水分を除去し、色を淡黄色に変化させました。次に、金属ナノ粒子を支持するために、処理された濾紙を銅イオン溶液に浸透させた。管状炉での高温焼成プロセス中に、銅原子と小さな微結晶が形成されました。銅ナノ粒子の核形成と成長速度は炭素の熱分解速度よりも遅いため、これらの初期の銅微結晶は炭素の分解と蒸発を触媒し、正孔の形成につながる可能性があります[31]。最後に、黒褐色のCu NP @PCサンプルを準備しました。銅イオンの濃度が高すぎると核形成速度が速くなり、非多孔質炭素材料が形成されることに注意してください。準備されたサンプルの成分を特定するために、図1bに示すように、X線回折（XRD）パターンが収集されました。 Cu NP @PCとCuNP / Cの両方のサンプルは、銅と炭素の回折ピークを示しています。 43.2°、50.3°、および73.9°の回折角に位置する3つの鋭い特徴的なピークは、それぞれ銅ナノ粒子からの（111）、（200）、および（220）の格子面に起因する可能性があります（PDF＃04-0836） [32、33]。中心が約25°のブロードなピークは、黒鉛化炭素の（002）結晶面に対応し、その後の電気化学反応での電子輸送を促進します[3、25、34]。炭素の特定の組成を分析するために、Cu NP @PCおよびCuNP / Cのラマンスペクトルを収集しました。図1cに示すように、DバンドとGバンドは、1350 cm ^-1 付近のピークによって明確に決定できます。 および1600cm ^-1 、それぞれ[35]。報告されているように、Gバンドは sp の相対運動によって引き起こされます ² 炭素原子、Dバンドは炭素環の呼吸モードに接続されています[36]。ここで、Cu NP @PCの計算されたD / Gバンド比は0.899であり、Cu NP / Cの値と同じでした。したがって、アモルファスカーボンとナノ結晶グラファイトの分布は、2つのサンプルで類似しています。これは、2つの準備された材料のほぼ同じコンポーネント、つまり、Cu NP @PCとCuNP / Cの両方が銅ナノ粒子とカーボンフレームワークで構成されていることを示しています。微細構造情報をさらに明らかにするために、Cu NP @PCおよびCuNP / CのFTIRスペクトルを調査しました。図1dに示すように、1734 cm ^-1 にある信号を見ることができます。 および1628cm ^-1 Cu NP @ PCに現れますが、これはC =Oの伸縮振動[39]とC–Oの伸縮振動[40]に起因する可能性があります。 Cu NP / Cと比較して、2363 cm ^-1 のバンド Cu NP @ PCからは、空気中の二酸化炭素に起因します。 3466cm ^-1 にわずかな吸収帯が観察された Cu NP @PCおよびCuNP / Cから、水分子のO–H結合伸縮振動に割り当てることができます[37]。

a Cu NP @PCおよびCuNP / Cのサンプルの準備の概略図。 b Cu NP @PCおよびCuNP / CのX線回折（XRD）パターン。 c Cu NP @PCおよびCuNP / Cのラマンスペクトル。および d Cu NP @PCおよびCuNP / CのFTIRスペクトル

作製した材料の形態と構造を観察するために、走査型電子顕微鏡（SEM）実験を実施しました。 Cu NP @ PCサンプルの場合、図2aのSEM画像は、炭素層の表面に豊富な穴がランダムに分布しており、銅ナノ粒子がこれらの穴に存在していることを示しています。図2bは、ほとんどすべての銅ナノ粒子が半分内側と半分外側にあることを示しています。報告されているように、電気化学反応は通常、電子と物質の輸送を伴います。したがって、内側の半分は炭素基板との電子移動を助長し、外側の半分は物質と相互作用する活性部位として機能することができます。これにより、最終的に電気化学反応の効率が向上します。図2cでは、多孔質カーボンは検出されず、すべての銅ナノ粒子がCu NP / Cサンプルのカーボン表面に支持されています。図2dでもいくつかの凝集が発生しました。さらに、2つのサンプルからの銅ナノ粒子のサイズは、100個の金属ナノ粒子に基づいてそれぞれ0.406および0.398μmでした。したがって、2つの異なる銅イオン濃度の下で成長した銅ナノ粒子のサイズはそれほど違いはなく、銅イオン濃度の増加は炭素の形態を制御することしかできないことを示しています。さらに、図2eのTEM画像から、拡大された銅ナノ粒子はこれらの穴と同様のサイズであり、部分的にカプセル化されていることがわかります。これも、ターゲット複合材料の形成が成功したことを示しています。調製した材料の多孔質特性をさらに明らかにするために、Cu NP @PCおよびCuNP / Cの窒素吸着等温線を調べました。図2fに示すように、Cu NP @PCナノ材料の計算されたBET表面積は309.95m ² でした。 / g、Cu NP / Cよりもはるかに高い。これは、SEMおよびTEMの結果と一致しています。

a 、 b さまざまな倍率でのCuNP @ PCの走査型電子顕微鏡（SEM）画像。 c 、 d さまざまな倍率でのCuNP / Cの走査型電子顕微鏡（SEM）画像。 e Cu NP @ PCの透過型電子顕微鏡（TEM）画像。および f Cu NP @PCおよびCuNP / CのBrunauer–Emmett–Teller（BET）表面積分析

サンプルの電子構造を調査するために、X線光電子分光法（XPS）を実施しました。図3aおよびbは、それぞれCu NP @PCおよびCuNP / Cの完全なXPS調査スペクトルを示しており、Cu、C、およびOの存在を示しています。Cu元素の場合、図3cはデコンボリューションされたCu 2 p Cu NP @PCおよびCuNP / CのXPSスペクトル。両方のシグナルは同じピーク位置で生成され、2つのサンプルの同じ組成を示唆しています。 952.5eVと932.8eVの2つの明らかなピークは、Cu 2 p に起因します。 _3/2 およびCu2 p _1/2 Cu（0）の、金属銅の存在を示唆している[38]。 953.7eVおよび934.8eVでの結合エネルギーがCu2 p に割り当てられます。 _3/2 およびCu2 p _1/2 Cu（II）[39,40,41]から。 Cu（II）の存在は、944.2eVおよび941.4eVの弱い衛星ピークによっても確認できます[10]。 Cu（0）とCu（II）に対応するフィッティングピークから、Cu NP @PCとCuNP / CのCu（0）/ Cu（II）の比率はそれぞれ2.2と1.8と推定されます。これは、Cu NP @ PCの表面の銅原子は、多孔質炭素層がカプセル化されているために酸化されにくいという事実によって説明できます。一方、より多くの金属銅原子がグルコース検知に重要な役割を果たす可能性があります。 C1 s の場合 図3dの2つのサンプルのスペクトルでは、289 eV、286 eV、および284.8eVにある3つの信号がそれぞれC =O、C–O、C–C / C–Hに対応し、酸素含有の存在を示しています。カルボキシル基などの官能基[42、43]であり、FTIRの結果と一致しています。

a Cu NP @PCのXPS調査スペクトル。 b Cu NP / CのXPS調査スペクトル。 c Cu 2 p Cu NP @PCおよびCuNP / CのXPSスペクトル。および d Cu NP @PCおよびCuNP / CのC1XPSスペクトル

多孔質炭素の利点に基づいて、グルコースに対するCu NP @PCおよびCuNP / Cの電気化学的検知特性を0.1MKOH溶液で調査しました。銅ナノ粒子を含まない純粋な炭素材料が参照サンプルとして使用されます。図4aに示すように、サイクリックボルタンメトリー曲線（CV）は、Cu NP / Cおよび純炭素サンプルと比較した場合、電解質中に0.2mMグルコースが存在する場合のCuNP @PCからの最大電流応答を示しています。具体的には、0.31 mA / cm ^-2 の電流密度 は0.55Vの電位で得られました。これは、調製されたCu NP @ PCがグルコース酸化に最適な触媒であることを示しています。これは、独自の多孔質構造によって合理的である可能性があります。報告されているように、多孔性は物質移動を促進する可能性があります[29]。ここでは、強化された物質移動を実証するために、グルコース酸化に対する走査速度の影響を、Cu NP @PC修飾電極で調査した。図4bに示すように、電流密度は、スキャン速度が20、40、60から80 mV / sに変化するにつれて勾配で増加します。図4cは、電流密度（ J ）間のフィッティング曲線を示しています。 _p ）およびスキャンレートの平方根（ v ^1/2 ）。線形関係は次のように表すことができます： J _p =0.00254 v ^1/2 − 0.00359（相関係数： R ² =0.995）、Cu NP @PC修飾電極でのグルコース酸化の拡散律速プロセスを示します[44]。さらに、図4dでは、電気化学的インピーダンススペクトル（EIS）は、Cu NP @PCの電荷移動抵抗がCuNP / Cの電荷移動抵抗よりも低いことを示しています。したがって、促進された物質移動と強化された電子移動プロセスを組み合わせることで、Cu NP @PC修飾電極でのグルコースの触媒酸化を図4eにスケッチすることができます。 Cu（II）は最初にCu（III）に酸化され、その後電子を受け取り、Cu（II）に還元されました。この過程で、グルコース分子は電子を提供し、グルコノラクトンに酸化されました。材料の多孔性の恩恵を受けて、形成されたグルコノラクトンは溶液に急速に移動し、次にグルコン酸に加水分解されます[3、45]。

a グルコース酸化反応用のCuNP @ PC、Cu NP / Cおよび純炭素サンプルのCV曲線。 （0.2 mMグルコース、0.1 M KOH、スキャン速度：100 mV / s） b さまざまなスキャン速度（20、40、60、80 mV / s）での0.1 MKOH中のCuNP @PCのCV曲線。 c スキャンレートの平方根に対する0.4Vでの電流密度のプロット。 d Cu NP @PCおよびCuNP / Cの電気化学的インピーダンススペクトル。および e Cu NP @PCでのグルコース変換のメカニズムプロセスの概略図

優れた電気化学的触媒酸化性能に従って、グルコースに対するCu NP @PCの潜在的な検知性能を調べた。グルコース濃度に対するCuNP @ PCの電流応答を定性的に研究するために、サイクリックボルタンメトリーを2、4、6、8、および10mMの濃度で実施しました。図5aに示すように、Cu NP @ PC修飾電極からの電流密度は、グルコース濃度の増加とともに徐々に増加し、優れたセンシング性能の可能性を示唆しています。 Cu NP @ PCのグルコース検知特性を定量的に明らかにするために、クロノアンペロメトリー（I-t）を実行し、0.55Vの電位を選択しました。図5bに示すように、Cu NP @ PC修飾電極からの電流密度は、グルコース濃度が0.01から1.1 mMに増加するにつれて、段階的に増加します。図5dのI–t曲線から、グルコース濃度と応答電流の間の適合検量線は次のように表すことができます。 y =0.3378 x + 0.0077（相関係数： R ² =0.997）。一方、感度は84.5μA（mmol / L） ^-1 と決定されました。 。 LOD =3 σの式によると / q [46]（σはブランク応答の標準偏差を示し、qはその線形回帰曲線の傾きを示します）、検出限界は2.1μmol/ Lと計算されました。これらの2つのインデックスは、図6b [47,48,49,50,51,52]に示すように、以前のほとんどのレポートのインデックスよりもはるかに優れています。比較として、図5cに示すように、Cu NP / C修飾電極からのI-t曲線の電流密度も、グルコース濃度の増加に伴う勾配変化を示しています。ただし、変化の大きさは大幅に減少しました。図5dに示すように、グルコース濃度と応答電流の間のフィッティング線形曲線は次のように表されました。 y =0.007 x + 0.0017（相関係数 R ² =0.998）。感度は1.75μA（mmol / L） ^-1 検出限界は10μmol/ Lと推定されました。したがって、Cu NP / Cの結果と比較して、Cu NP @PCサンプルのセンシング性能も多孔質カーボン基板によって改善されました。

a 2、4、6、8、および10mMのさまざまな濃度のグルコースが存在する0.1MKOH中のCuNP @PCのCV曲線。スキャンレート：100 mV / s; b 0.55 V（vs Ag / AgCl）の0.1 MKOH中のグルコース溶液を連続して添加したときのCuNP @PCのアン​​ペロメトリー応答。 c 0.55 V（vs Ag / AgCl）の0.1 MKOH中のグルコース溶液を連続して添加したときのCuNP / Cのアンペロメトリー応答。および d グルコース検知用のCuNP @PCおよびCuNP / Cの対応する検量線。エラーバーは、実験の3回の繰り返しに基づいて取得されました

a 0.01 mMグルコース溶液、0.01 mM酢酸アンモニウム（NH ₄ ）の注入後のCu NP @PCの応答電流 OAc）、0.01 mM塩化ナトリウム（NaCl）、0.01 mM尿素（UA）、0.01 mMクエン酸（CA）、それぞれ;および b Cu NP @PCと以前に報告された資料との間のLODと感度の思いやり

よく知られているように、干渉防止能力は、材料の検知性能を評価するためのもう1つの重要な要素です。この作業では、グルコースに対するCu NP @ PC修飾電極の選択性を調査するために、酢酸アンモニウム（NH ₄ ）を含むいくつかの干渉物質を調べます。 OAc）、塩化ナトリウム（NaCl）、尿素（UA）、0.01 mMの濃度のクエン酸（CA）を選択し、電解液に連続して注入しました[53]。明らかに、干渉物質によって引き起こされる電流密度の変化は無視できます。図6aに示すように、0.01 mMグルコースを注入した場合にのみ、上記の干渉に関係なく電流密度が大幅に増加しました。さらに、尿を基質として使用することで、この提案されたシステムは、市販の試験紙に匹敵するグルコースの感度検出を達成することができます（追加ファイル1：図S3およびS4）。したがって、Cu NP @ PC材料は、グルコースに対する優れた電気化学的触媒酸化および検知能力を備えています。

結論

銅ナノ粒子と多孔質炭素基板からなる複合材料は、銅イオンを含浸させた市販の濾紙を煆焼することによって設計および合成されました。多孔性の利点により、調製されたCu NP @ PCは、電気化学的グルコース酸化および検知に対して優れた能力を示しました。感度は84.5μAmM ^-1 であると決定されました。 検出限界は2.1μMと計算されました。これは、以前のほとんどのレポートの検出限界よりもはるかに優れています。さらに、Cu NP @PC修飾電極もグルコースに対して良好な選択性を示しました。したがって、この作業で準備された複合材料は、携帯型グルコースセンサーを構築するための新しい候補だけでなく、多孔質炭素材料の準備のための新しい考えも提供します。

データと資料の可用性

この作業のデータと結論はすべてこのペーパーに示されています。

略語

LOD：

検出限界

rGO：

還元型酸化グラフェン

MOF：

金属有機フレームワーク

XRD：

X線回折

SEM：

走査型電子顕微鏡

TEM：

透過型電子顕微鏡

ベット：

ブルナウアー–エメット–テラー

XPS：

X線光電子分光法

CV：

サイクリックボルタンメトリー曲線

I-t：

クロノアンペロメトリー

UA：

尿素

CA：

クエン酸