中空多孔質NiOに基づく高感度の非酵素的電気化学的グルコース検出

背景

迅速、正確、低コストのプロセスでグルコースを検出することは、臨床生化学、製薬分析、食品産業、および環境モニタリングにとって重要です[1,2,3]。多種多様な技術の中で、電気化学的検出は、その高感度、低コスト、および魅力的な低い検出限界のために、最も便利なアプローチの1つと見なされてきました[4、5、6]。しかし、一般的なグルコースオキシダーゼベースの電気化学センサーは、酵素の性質に起因する不十分な安定性の欠点によって制限されています[7、8、9]。これらの問題に対処するために、TMOに基づく地球に豊富な電極触媒が、それらの低コスト、物理化学的安定性、およびレドックス電気活性のために推奨されました[10、11、12]。ただし、従来のTMOの全体的な電極触媒活性は、アプリケーションの要件からはまだかけ離れています。グルコース用の高活性TMO電極触媒を合理的に設計することは依然として課題です。

一般に、反応速度論のプロセスは、確立された電極触媒材料の電極触媒活性において決定的な役割を果たします。速度論と微細構造の間の密接な関係に触発されて、改善された電極触媒活性は、表面積、細孔構造、および構造的特徴を含む微細構造のエンジニアリングによって達成することができます[13、14]。多孔質構造は、大きな比表面積（SSA）を提供し、大量の活性部位を提供します。さらに、多孔質構造は、分析物および中間生成物のための十分な拡散チャネルも提供し、これは物質移動プロセスに有益です[15、16]。一方、機能シェルと内部ボイドを組み合わせた中空構造は、電解質と電極の接触面積を大きくし、質量と電子の両方の輸送の長さを短くすることができます[17]。さらに、利用可能な内部空洞は、電気活性ナノ粒子の凝集を効果的に防ぎ、繰り返しの測定に伴う体積変化と構造的ひずみに対応します[18]。結論として、高活性TMO電極触媒は、中空多孔質構造の設計を通じて取得できます。

典型的な遷移金属酸化物として、NiOはNi ³⁺ の酸化還元対によるグルコースの電気酸化のための効率的な触媒として報告されました。 / Ni ²⁺ アルカリ性媒体で、電気化学的グルコースセンサーでの潜在的なアプリケーションを意味します。この作業では、Cu ₂ を介して立方晶NiOHPAを構築しました。 O-テンプレートによる調整エッチングおよび沈殿（CEP）法および後煆焼。中空の多孔質構造は、大きなSSA、明確な内部ボイド、豊富な秩序化された移動チャネル、および高い電子移動効率を提供します。グルコースの検出に使用されるNiOHPA電極は、壊れたNiO HPA（NiO BHPA）と比較して、感度が高く、検出限界が低く、中空多孔質構造の利点を示しています。中空多孔質構造を構築するためのこの簡単な戦略は、電気化学センサー用の非常に効率的なナノ材料の開発に有効な方法を提供します。

実験的

資料

CuCl ₂ ・2H ₂ O、NiCl ₂ ・6H ₂ O、Na ₂ S ₂ O ₃ ・5H ₂ O、ポリビニルピロリドン（PVP、 M _w =40,000）、NaOHは成都ケロンから購入しました。グルコース（Glu。）、ラクトース（Lact。）、スクロース（Sucr。）、フルクトース（Fruc。）、L-アスコルビン酸（AA）、尿酸（UA）、およびナフィオン溶液（低級脂肪族の混合物中5 wt％）アルコールと水）は、さらに精製することなくSigma-Aldrichから購入しました。

Cu ₂ の合成 Oテンプレート

立方晶Cu ₂ Oテンプレートは、以前の作業[19]に従って合成されました。この一般的な手順では、20 mlのNaOH（2 M）を200mLのCuCl ₂ に滴下しました。 ・2H ₂ 55°Cで攪拌しながらO（10 mM）。 0.5時間後、4 mLのAA（0.6 M）を上記の溶液に滴下しました。懸濁液をさらに3時間熟成させ、遠心分離によって水で数回洗浄しました。 XRDパターンとSEMおよびTEM画像は、追加ファイル1：図S1に示されています。

NiOHPAの合成

NiOHPAはCEP法で合成されました。まず、Cu ₂ O（10 mg）およびNiCl ₂ ・6H ₂ O（3 mg）を10 mLのエタノール-水混合溶媒（体積比=1：1）に超音波処理により7分間分散させました。次に、PVP（0.33 g）を30分間激しく攪拌しながら溶液に加えました。 4ミリリットルのNa ₂ S ₂ O ₃ （1 M）がシステムにドロップされました。懸濁液の色が赤から薄緑に変わるまで、反応を室温で3時間続けました。 Ni（OH） ₂ 前駆体を温かいエタノール水で数回洗浄し、室温で乾燥させた。最後に、NiO HPAは、400°Cの空気雰囲気下で2時間、1°C /分の遅いランプ速度で連続して取得されました。 NiO BHPAは、NiOHPAを2時間強力に超音波処理して得られました。

材料の特性評価

製品の組成と構造は、X線回折（XRD、リガクD / Max-2400）によって特徴づけられました。組成は、内部標準として284.8eVのC1sピークを使用して、X線光電子分光法（XPS、ESCALAB250Xi）によってさらに分析されました。製品の形態と微細構造は、フィールドエミッション走査型電子顕微鏡（FESEM、FEI Quanta 250、Zeiss Gemini 500）と高分解能透過型電子顕微鏡（HRTEM、FEI F20）を使用して観察されました。 Brunauer-Emmett-Teller（BET、Belsort-max）を適用して、比表面積と細孔構造を分析しました。

電気化学的測定

すべての電気化学測定は、μIIIAutolab電気化学ワークステーションの0.1 MNaOHで実行されました。 NiO HPA（またはNiO BHPA）修飾ガラス状炭素電極（GCE、Ф）を使用した3電極構成 =3 mm）作用電極およびAg / AgCl（飽和KCl中）および白金ディスク電極（Ф =2 mm）それぞれ参照電極と対電極として。通常、GCEはアルミナスラリー（3、0.5、および0.05μm）で研磨されました。次に、NiO HPA（10 mg）を0.1mLのナフィオンと0.9mLの蒸留水の混合物に溶解しました。最後に、5μLの混合物を前処理したGCE（70.77μg/ cm ² ）に滴下しました。 ）そして室温で乾燥させた。 NiO HPAの利点を検証するために、NiOBHPAで修飾されたGCEも同じ条件下で調製されました。変更された電極は、サイクリックボルタンメトリー（CV）、クロノアンペロメトリー（CA）、および電気化学的インピーダンス分光法（EIS）によって測定され、その電極触媒活性を評価しました。 EIS測定は、0.01〜100 kHzの周波数範囲で、開円電位に対して5mVの摂動振幅で実行されました。

結果と考察

特性

図1aに示すように、37.21°、43.27°、62.87°、および75.42°にある回折ピークは、面心立方NiO（111）、（200）、（220）、および（311）ファセットに対応します。 JCPDS.no.47-1049）[20]。他に回折ピークはなく、生成物の純度を示しています。 XPSは、NiOHPAの元素組成と酸化状態を分析するためにさらに使用されました。調査スペクトル（図1b）は、531.5および855.7eVでそれぞれO1sおよびNi2pのピークを示しており、製品の主要な要素を示しています。 Ni 2pスペクトル（図1c、追加ファイル1：表S1のフィッティングラインを参照）では、855.8 eV（Ni 2p _3/2 ）にある2つの主要なピーク ）および873.5 eV（Ni 2p _1/2 ）スピンエネルギー分離が17.7 eVであることが明確に調査されています。これは、NiO相の特徴です[21]。 Ni 2p _3/2 の衛星ピーク およびNi2p _1/2 それぞれ約861.5および880.0eVにあります。図1d（追加ファイル1：表S2のフィッティングラインを参照）から、529.8 eVでのO1のフィッティングピークは、Ni–OH種のNi–O結合です。 831.3 eVの結合エネルギーでのO2ピークは、通常、化学吸着された酸素、ヒドロキシル、および配位不足の格子酸素に関連しています。 532.7 eVでのO3のピークは、表面上または表面近くの物理吸着水と化学吸着水の多様性です[22、23、24]。 XPSとXRDの分析により、NiOの調製が成功したことが確認されました。

a 調製したNiOHPAのXRDパターン。製品のXPSスペクトル b 調査、 c Ni 2p、および d O 1s

Ni（OH） ₂ の形態 前駆体（追加ファイル1：図S2）とNiO HPA（図2）は、SEMとTEMによって明確に観察されました。得られたままのNiOのSEM画像（図2a、b）は、エッジの長さが約600nmの均一な立方体の特徴を示しています。図2cから、NiOHPAの粗いシェルが相互接続された微粒子の量で構成されていることがはっきりと観察されます。図2dに示すように、NiO製品の境界は黒で、内部は半透明です。図2a–cのSEM観察と組み合わせると、NiO製品の立方中空特性を確認できます。図2eに示すように、立方体のシェルの厚さは約40 nmであり、Ni（OH） ₂ のシェルの厚さよりも薄くなっています。 前駆体（約60 nm）。シェルの厚さの縮小は、H ₂ の損失に起因します 熱処理後の前駆体中のO。図2fでは、マークされた隣接する格子縞の間隔は、それぞれ約0.21nmと0.24nmであり、NiOの（200）ファセットと（111）ファセットに対応しています。選択領域電子回折（SAED）リングは、NiOの（111）、（200）、および（220）ファセットの内側と外側にインデックスを付けることができます。これはXRDの結果とよく一致しています[25]。さらに、図2gの元素マッピング画像はNiとOの表面に富んだ分布を示しています。図2hに示すように、ラインスキャンEDXプロファイルは、OとNiの均一な表面近くの分布を示しており、中空構造を再確認しています。 NiO HPAは、電解質とグルコースの物質移動プロセスに有利な、十分な活性部位と豊富な拡散チャネルを提供します。さらに、NiO HPAの薄いシェルは、明らかに電子の移動距離を短縮し、移動速度を加速し、NiOHPAに有望な電極触媒活性を与えます。

a – c SEMおよび d 、 e NiOHPAのTEM画像。 f NiOHPAのHRTEM画像。 g NiOHPAキューブのSTEMおよびEDXマッピング画像。 h NiOHPAキューブのラインスキャンEDXスペクトル

関連する形成メカニズムを理解するために、0、10、20、30、および180分に調製された沈殿物を収集し、TEMで観察しました。図3aに示すように、固体の立方体Cu ₂ O結晶のエッジの長さは約600nmです。 S ₂ の導入に伴い O ₃ ^2- 、Cu ₂ の調整エッチング Oは、拡散強度が高いため、コーナーで優先的に発生します[26]。反応が進むにつれて、内部のCu ₂ Oテンプレートは、完全に削除されるまで八面体のような構造に大幅に縮小します。図3bに見られるように、反応系の色は徐々に浅くなり、同時に薄緑色の沈殿物が生成されます。 TEMの結果と組み合わせて、全体的なCEPルートと形成メカニズムを図3cに示しました。 CEPメカニズムは次のように説明できます。（i）Cu ⁺ 可溶性[Cu ₂ を形成することを好む （S ₂ O ₃ ^2- ） _x ] ^{2 − 2 x} S ₂ との組み合わせによる複雑 O ₃ ^2- （反応（1））と同時にOH ^- 解放されます; （ii）S ₂ の部分的な加水分解 O ₃ ^2- OHの供給を促進します ⁻ （反応（2））。 （iii）反応（1）および（2）は、反応（3）を左から右に同期的に駆動し、Ni（OH） ₂ の形成を促進します。 シェル[27]。速度論的要因に関しては、Cu ₂ のエッチング速度 OはS ₂ の拡散に依存します O ₃ ^2- 外部から内部空間へとNi（OH） ₂ の成長率 シェルはOH ^- の輸送と相関しています 内部から外部へ[28]。 Cu ₂ へのエッチング速度の同期制御 OとNi（OH） ₂ の沈殿速度 シェルは、明確に定義された中空Ni（OH） ₂ の形成につながります 前駆。 NiO HPAは、Ni（OH） ₂ のポスト煆焼によって最終的に得られます。 前駆体。

a さまざまな反応時間でモニターされた製品のTEM画像。 b エッチャント添加後の異なる反応時間での懸濁液の光学写真。 c NiOHPAの提案された成長メカニズムの概略図

NiOHPAとNiOBHPA（追加ファイル1：図S3）の表面積と気孔率も、BET法によって特徴づけられました。 NiOHPAは27.08m ² のSSAを持っています / gおよび0.087cm ³ の細孔容積 / g（図4a）。これは報告されているNiO材料よりもはるかに大きい[29]。細孔径分布に関しては、NiOHPAは主に約7nmに集中分布を示します。これは、NiOナノ粒子間の秩序だったチャネルに関連しています。大きなSSAと秩序だったチャネルは、分析物の吸収と物質移動プロセスを効果的に改善し、電極触媒活性を向上させることができます。壊れたサンプルのSSAと細孔容積は5.24m ² です。 / gおよび0.078cm ³ / g（図4b）、それぞれNiOHPAよりもはるかに小さい。これは、超音波処理後の元の中空構造の崩壊に起因する可能性があります。特に、NiO BHPA（図4bの挿入図）では、集中した細孔分布は観察されません。これは、秩序だった拡散チャネルが完全に破壊されたことを示しています。 SSAの減少と秩序だった拡散チャネルの破壊は、反応速度に悪影響を及ぼし、電極触媒活性が低下する可能性があります。したがって、NiO HPAは、壊れたサンプルと比較して、電極触媒作用に有益な微細構造を持っています。

N ₂ a の吸脱着等温線 NiOHPAおよび b NiOBHPA。 a の挿入図 および b それぞれ対応する細孔径分布です

電気化学的性能

図5aは、1mMグルコースがある場合とない場合のNiOHPAおよびNiOBHPA電極のCVを示しています。 0.48Vと0.38Vにある明確に定義されたピークのペアは、曲線IIIで明確に調査されており、Ni ²⁺ に関連しています。 / Ni ³⁺ レドックスカップル。曲線IIIの酸化還元ピーク電流は曲線Iの酸化還元ピーク電流よりも明らかに高いです。これは、中空構造の崩壊とSSAの減少に関連しています。グルコースを添加すると、電流応答が両方の電極ではっきりと観察されます（曲線IIおよびIV）。 NiO HPA電極は、NiOBHPA電極よりも高い電流応答を示します。さらに、NiO HPA電極（0.43 V）でのグルコースの電気酸化の開始電位は、NiO BHPA電極（0.46 V）のそれよりも低く、より高い電極触媒活性を示しています。高い電極触媒活性は、大量の活性部位、規則正しい細孔構造、および中空多孔質構造によって提供される高い電子移動速度に起因します。 NiOHPA電極でのグルコースの電気酸化はNi ²⁺ によって駆動されます / Ni ³⁺ 次の反応によるアルカリ性媒体中でのレドックスカップル[30、31]：

a NiO BHPA（I、II）およびNiO HPA（III、IV）電極のCVは、スキャン速度50 mV / sで0.1MNaOHに1mMグルコースが存在する場合（II、IV）および存在しない場合（I、III）です。 b ナイキスト線図EISと、0.1 MNaOH溶液中のNiOHPAおよびNiOBHPAの等価回路。 c 1mMグルコースおよび d を含む0.1MNaOHでのさまざまなスキャンレートでのNiOHPA電極のCV ピーク電流とスキャンレートの平方根の関係

上に示したように、OH ^- 電気触媒反応において重要な役割を果たします。明らかに、アルカリ性媒体はNi ²⁺ の酸化還元を加速します / Ni ³⁺ 中性媒体と比較して（追加ファイル1：図S4）、より高い電極触媒活性につながります。

NiOHPAおよびNiOBHPA電極のナイキスト線図を図5bに示しました。各プロットは、高周波数領域の半円と低周波数領域の直線によって特徴付けられます。一般に、実軸の切片は解の抵抗（ R ）を表します _s ）、固有抵抗、イオン抵抗、および接触抵抗で構成されます。電子移動抵抗に関連する半円の直径は、 R で表されます。 _ct 。追加ファイル1：表S3に示すように、NiOHPA電極は小さい R を示します _s および R _ct NiOBHPAより。事実は、中空の特徴に由来する有益な電子移動速度論に起因する可能性があります。低周波数範囲でのインピーダンスプロットの傾きは、Warburgインピーダンス（ Z ）に対応します。 _w ）、これは拡散抵抗を表します[32]。 NiOHPAが拡散速度を支持することは明らかです。ただし、NiOBHPAは電解質の拡散を妨げます。これは、超音波後の秩序だった拡散チャネルの破壊に起因する可能性があります。上記のEISの議​​論に基づいて、NiO HPA電極は、壊れたサンプルと比較して、電子と物質移動の両方の反応速度に有益であり、グルコースの電極触媒としてのNiOHPAの利点を意味します。

NiO HPA電極の反応速度は、1 mMグルコース溶液中のさまざまなスキャンレートのCVから決定されました（図5c）。図5dに示すように、陽極および陰極のピーク電流はスキャンレートの平方根に比例し、典型的な拡散律速の動的プロセスを示しています。さらに、陽極/陰極ピークでは有意な正/負のシフトは観察されません。これは、中空の多孔質構造に由来する妨げられない拡散速度を意味します。

NiO HPA電極の選択性、再現性、および安定性

最適化された動作電位を得るために、グルコースの電流応答とAAの干渉がさまざまな電位で考慮され、データが図6aに表示されました。図6bの統計データから、0.6 Vは、NiOHPA電極が0.6Vでグルコースに対する最大電流応答とAAへの最小干渉を示すという事実によって選択されました。図6cは、異なるに対するNiOHPAとNiOBHPAの典型的なアンペロメトリー応答を示しています。 0.6 Vでのグルコース濃度。2つの電極で顕著な電流応答がはっきりと観察され、グルコース濃度が増加すると電流応答が増加します。図6dは、NiOHPAおよびNiOBHPA電極の応答電流とグルコース濃度の関係を示しています。 NiO HPA電極は、0.32〜1100μMの線形範囲を示し、感度は1323μAmM ^-1 cm ⁻² 、NiO BHPA電極よりも高い（753μAmM ^-1 cm ⁻² ）。さらに、NiO HPA電極の検出限界（LOD）（0.32μM）は、NiO BHPAの検出限界（14.2μM）よりもはるかに低くなっています。 NiO HPAの利点を明らかにするために、NiO HPA電極の性能を、表1で報告されている他のNiOベースのグルコース検出電極と比較しました。NiOHPA電極は、高感度と低LODの点で、グルコースに対して満足のいく電気触媒活性を示すことがわかります。 、電気化学グルコースセンサーの潜在的なアプリケーションを示します。これは本質的に、豊富な活性部位、より速い物質移動速度論、および高度に多孔性の中空構造に由来する加速された電子移動速度論に起因します。

a 0.1mMグルコースと0.01mMAAを追加したさまざまな電位でのNiOHPA電極のアンペロメトリー応答。 b 異なる電位でのグルコースとAAの応答電流。 c グルコースを連続して添加した0.6VでのNiOHPAおよびNiOBHPA電極のCA。 d 応答電流とブドウ糖濃度の関係

選択性は、グルコースセンサーの性能を評価するための重要な指標です。 Lact。、Sucr。、Fruc。、UA、AAなどのいくつかの容易に酸化される化合物は、通常、ヒトの血液中のブドウ糖と共存していました。特に、これらの干渉種の生理学的レベルは、多かれ少なかれグルコース濃度の10分の1です[33]。したがって、NiO HPA電極の選択性は、0.1mMグルコースに向けたアンペロメトリー測定中に干渉種の上に0.01mMを導入することによって評価されました。図7aに示すように、Lact。、Sucr。、Fruc。、およびUAでは深刻な干渉は観察されません。主要な干渉種AAは、グルコースに対して8.7％の干渉電流しか示しません。さらに、50μMのグルコースを2回添加しても、元の応答の約（89±0.2）％が保持され、優れた干渉防止性能を示しています。卓越した選択性は、NiOHPA電極と干渉種間の静電反発効果に起因する可能性があります。電解質のpHがNiOの等電点を超えているため、NiOHPA電極は0.1MNaOHで負に帯電します[34]。さらに、主要な干渉種（AA）は、アルカリ性溶液中でプロトンを失いやすく、負に帯電したシェルを持っています[35]。干渉物のシェルとNiOHPA電極の間の静電反発力により、選択性が向上します。 NiO HPA電極の安定性は、30日間にわたって0.1mMグルコースに対する電流応答を測定することによって推定されました。図7bでは、電流応答は30日後も初期応答の83.13％を保持しており、室温でのNiOHPA電極の優れた長期安定性を示しています。 0.1mMグルコースに対するNiOHPA電極の電流応答は、2000秒の動作時間にわたって安定しており、元の応答の9.82％が失われます。独立して準備された5つのNiOHPA電極は、0.6Vで0.1mMグルコースに対する電流応答に対して3.12％の許容RSDを示します。さらに、0.1 mMグルコースに対する同じNiOHPA電極の電流応答は、10回測定され、電流応答はRSDは2.36％で、優れた再現性を示しています。 NiO HPA電極は、高感度、優れた安定性、優れた再現性を備えており、実用的なアプリケーションに魅力的です。

a 0.6Vの印加電位で50μMのグルコースと5μMの干渉種を連続して添加した場合のNiOHPA電極の電流応答。挿入図は干渉電流の統計データです。 b 0.1mMグルコースに対するNiOHPA電極の長期安定性。挿入図は、実行時間に対するNiOHPA電極の安定性です。 c 0.1mMグルコースに対する5つのNiOHPA電極の電流応答。 d 0.1mMグルコースに向けたNiOHPA電極の10回の測定

ヒト血清中のグルコースの検出

NiO HPA電極をさらに適用して、人間の血液中のグルコースレベルを検出し、その結果を医療機器と比較しました（表2）。血清サンプルは地元の病院から提供され、測定前にアルカリ電解質で希釈されました[36、37]。 0.6 Vで測定された応答電流を記録して、作業式に従って対応するグルコース濃度を計算しました。 NiO HPA電極は、グルコースの検出に対して2.85％のRSDを示します。さらに、NiO HPA電極は、92〜102％の認定された回収率を示し、ヒト血清中のグルコースの測定において優れた実用性を示しています。

結論

要約すると、CEP法により、グルコース用のNiOHPA電極触媒の製造に成功しました。 NiO HPAは、大きなSSA、規則正しい細孔構造、および短い電子移動経路を提供します。これらは、電極触媒反応速度論に有益です。非酵素的グルコース検出電極として、NiOHPAは1323μAmM ^-1 のより高い感度を示します cm ⁻² NiOBHPAと比較して0.32μMのLODが低くなっています。選択性の観点から、一般的な干渉種について8.7％未満の干渉が調査されています。同時に、NiO HPA電極は、30日後に元の応答の89.02％を保持します。さらに、設計されたNiO HPAは、ヒト血清中のグルコースを検出するためにうまく適用されました。 NiO HPAは、医療機器と比較して認定された安定性と実用性を提供します。中空多孔質構造の設計は、グルコース用の低コストで高性能の電極触媒を得るための高効率の方法を提供します。