多孔性カーボン基板上の銅ナノ粒子による高性能グルコースセンサ

概要

糖尿病が世界的に高い発症率を示す中、グルコース濃度を迅速かつ正確に測定するセンサは人体の健康管理において極めて重要です。本研究では、銅イオンを含浸させたろ紙を高温焼成することで合成した、多孔性カーボン基板に担持された銅ナノ粒子（Cu NP@PC）を、グルコース電気化学センシング用の電極活性材料として設計しました。多孔性カーボン形成過程で、銅ナノ粒子が自発的に形成されたボイド内に取り込まれ、半分被覆された複合体を構成しました。電気化学的グルコース酸化において、調製したCu NP@PC複合体は、0.2 mMグルコース存在下で0.55 Vにおいて0.31 mA/cm²の電流密度を示し、優れた触媒活性を発揮しました。この高い電気化学酸化活性に基づき、Cu NP@PC複合体は優れたグルコースセンシング性能も示しました。感度は84.5 μA/(mmol·L)で、線形範囲は0.01〜1.1 mM、低検出限界（LOD）は2.1 μmol/Lでした。非多孔性カーボン担持銅ナノ粒子（Cu NP/C）と比較すると、これは多孔性カーボン基板による物質移動の改善と銅ナノ粒子と基板の相乗効果強化によって合理的に説明できます。

はじめに

近年、糖尿病が世界的に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が求められています[1]。様々な手法が開発されてきました[2]。簡便な操作、高速応答、高感度という利点から、電気化学的手法はグルコースセンシングにおいて特に注目されており、電極活性材料がセンサの性能を左右します[3, 4]。これまで、金（Au）[4]、銀（Ag）[5]、白金（Pt）[6]、パラジウム（Pd）[7]などの貴金属、銅（Cu）[8]、ニッケル（Ni）[9]などの非貴金属、酸化亜鉛[10]、酸化マンガン[11]、酸化ニッケル[12]、酸化鉄[13]などの金属酸化物、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]などの炭素材料など、優れたグルコース応答活性を持つ材料が報告されています。これらの中でも、銅ベースの複合体は、低コスト[3]、優れた電気伝導性[17]、制御可能な比表面積などから、グルコース用効率的センシングプラットフォームの構築に大きな可能性を秘めています。一方、グラフェン[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化することで、銅ベース材料の電気化学性能が大幅に向上することが報告されています。例えば、Zhangらはレーザー誘起グラフェン上の銅ナノ粒子複合体を作製し、柔軟な酵素フリーグルコースアンペロメトリックバイオセンサを開発しました。その簡便さと高感度から、ウェアラブルやインプラント型バイオセンサへの応用が期待されています[23]。Wangグループはアーク放電法でCuOと単層カーボンナノチューブの複合材料を合成し、カーボンナノチューブによる高伝導ネットワークがグルコースセンシングにおいて高感度と良好な選択性をもたらしました[21]。Juらは、銅ナノワイヤの優れた伝導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を利用し、一次元銅ナノワイヤと二次元rGOナノシートの複合体を合成し、グルコース検出で1625 μA/(mM·cm²)の感度と0.2 μMの検出限界を達成しました[3]。銅ベース材料の性能は大幅に向上しましたが、携帯デバイスへの実用応用にはまだ不十分です。つまり、銅ナノ粒子のための新しいテンプレートや組み合わせを探索する必要があります。

特殊な三次元フレームワーク構造を持つ多孔性カーボン[24]は、金属活性中心の分散を促進する豊富な結合サイトを持つだけでなく、電子と反応物質のアクセス性を向上させる大きな比表面積を提供します[25-27]。近年、多孔性カーボンは、金属材料の電気化学センシング活性を大幅に向上させる有望な修飾・基板材料として認識されています。例えば、Liらは多孔性カーボンナノシートに埋め込まれたCo₇Fe₃合金ナノ粒子複合体（Co₇Fe₃/NPCSs）を調査し、多孔性カーボンからのナノ空間閉じ込め効果により、グルコース検出で0.001〜14.00 mMという非常に広い線形範囲を示しました[28]。金属有機構造体（MOF）を自己犠牲テンプレートとして多孔性カーボン材料を調製し、Jiaらはナノ多孔性カーボンナノロッド上のニッケルナノ粒子複合体を作製し、高速応答時間（1.6秒以内）で良好なグルコースセンシング特性を示しました[29]。Songらは、Cu-MOFを原料として銅ナノ粒子が均一に埋め込まれた多孔性カーボンベッドからなる複合体（Cu@C-500）を構築しました。階層的多孔性により高感度と低検出限界を示し、グルコースセンサデバイスへの大きな可能性を示しました[30]。したがって、独自の構造的・電子的効果により、多孔性カーボン材料はグルコースセンシングにおける銅ナノ材料の電気化学性能をさらに向上させる優れたパートナーになると期待されます。

本研究では、銅イオンを含浸させた安価なろ紙を高温焼成することで、多孔性カーボン基板に担持された銅ナノ粒子複合体を設計・合成しました。合成過程で、多孔性カーボンの形成と銅ナノ粒子の担持が同時に進行し、これは走査型電子顕微鏡（SEM）と透過型電子顕微鏡（TEM）で実証されています。電気化学測定の結果、調製した試料（Cu NP@PC）は、0.1 M KOH中で0.2 mMグルコース存在下、0.55 Vにおいて0.31 mA/cm²の電流密度で高い電気触媒活性を示し、Cu NP/Cよりもはるかに優れていました。グルコースセンシングでは、感度は84.5 μA/(mmol/L)、検出限界は2.1 μmol/Lと算出され、これまで報告されたほとんどの材料よりも優れていました。さらに、抗干渉実験により、本材料の良好な選択性も実証されました。

実験

試薬

硝酸銅（Cu(NO₃)₂·3H₂O、AR）、エタノール（C₂H₅OH、99.8%）、グルコース（C₆H₁₂O₆、96%）、尿素（CH₄N₂O、AR、99%）、クエン酸（C₆H₈O₇、AR、99.5%）、酢酸アンモニウム（CH₃COONH₄、AR）、塩化ナトリウム（NaCl、AR、99.5%）、水酸化カリウム（KOH、AR、85%）。上記試薬はすべてAladdinから購入。5% D520ナフィオン溶液はDuPont製、ろ紙はHangzhou Fuyang BEIMU Pulp Co., Ltd.製。カーボンペーパーは日本の東レ導電性カーボンペーパー（TGP-060）。実験全体で使用した水は電気伝導度18.25 MΩ·cmの超純水。

機器

X線回折（XRD）スペクトルはX'Pert PRO MPD多目的粉末X線回折計で取得。フーリエ変換赤外分光法（FT-IR）スペクトル（1000〜4000 cm⁻¹）はIS50 FT-IR分光計で記録。ラマンスペクトルはinVia Qontor（Renishaw、UK）システムで532 nm波長で測定。X線光電子分光法（XPS）測定はThermo ESCALAB 250XI分光計（120 W）で実施。試料形態は日立S4800走査型電子顕微鏡（SEM、加速電圧20 kV）で観察。透過型電子顕微鏡（TEM）像はTecnai G2 F20で取得。Brunauer-Emmett-Teller（BET）測定は比表面積物理吸着装置（ASAP2020M）で実施。

Cu NP@PCおよびCu NP/Cの合成

典型的には、Cu NP@PCの合成は二段階の高温熱分解で完了します。まず、市販のろ紙を窒素雰囲気下でチューブ炉において250℃で1時間予備処理しました。次に、10 mm × 50 mmの処理済み淡黄色ろ紙を、0.1 Mの青透明な硝酸銅溶液に浸し、10分後に取り出しました。室温乾燥後、清潔な磁器舟に入れ、窒素保護下でチューブ炉において180℃、240℃、900℃でそれぞれ2時間、2時間、1時間連続処理しました。最後に、システムが室温まで冷却されたときにCu NP@PC生成物を回収し、電気化学試験前に粉砕しました。対照試料として、Cu NP/Cと純粋カーボンは同じ手順で合成しましたが、硝酸銅濃度をそれぞれ0.2 Mと0 Mとしました。

電気化学測定

本研究では、全ての電気化学試験を標準三電極系でCHI 760E電気化学ワークステーションを用いて室温で実施しました。実験前に、電流コレクタとして複数のカーボンペーパー（5 mm × 5 mm）を水、エタノールで洗浄し、60℃で一晩乾燥させました。触媒インク調製のため、10 mg試料（Cu NP@PC、Cu NP/C、または純粋カーボン粉末）をエタノール、水、ナフィオン（5%）溶液と10:10:1の比率で混合し、均一な分散液を作りました。その後、触媒インク40 μLを清潔なカーボンペーパーに滴下し、担持量1.6 mg/cm²として作業電極としました。Ag/AgCl（飽和KCl）電極とグラファイトロッドをそれぞれ基準電極と対極として使用しました。電気化学実験では、サイクリックボルタモグラムと線形スイープボルタモグラムで調製材料のグルコース酸化に対する潜在的性能を定性的に調べ、クロノアンペロメトリーで定量的にセンシング性能を評価しました。全工程で0.1 M KOH溶液を電解質として使用しました。

結果と考察

図1aに示すように、対象材料の合成では、予備加熱処理によりろ紙から不安定な不純物と水分が除去され、色が淡黄色に変化しました。次に、処理済みろ紙を銅イオン溶液に浸透させて金属ナノ粒子を担持させました。チューブ炉での高温焼成過程で、銅原子と微小結晶が形成されました。銅ナノ粒子の核生成・成長速度がカーボンの熱分解速度より遅いため、これらの初期銅微結晶がカーボンの分解と蒸発を触媒し、ホール形成を導きました[31]。最終的に褐色黒色のCu NP@PC試料が得られました。なお、銅イオン濃度が過剰になると核生成速度が増加し、非多孔性カーボン材料が形成されます。調製試料の成分を特定するため、X線回折（XRD）パターンを取得しました（図1b）。Cu NP@PCとCu NP/Cの両試料で、銅とカーボンの回折ピークが観察されました。43.2°、50.3°、73.9°の3つの鋭い特性ピークは、それぞれ銅ナノ粒子の(111)、(200)、(220)格子面に帰属されます（PDF#04-0836）[32, 33]。25°付近を中心とする広いピークは、グラファイト化カーボンの(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]。カーボンの詳細組成を分析するため、Cu NP@PCとCu NP/Cのラマンスペクトルを取得しました（図1c）。DバンドとGバンドは、それぞれ1350 cm⁻¹と1600 cm⁻¹付近のピークで明確に確認できます[35]。報告によれば、Gバンドはsp²炭素原子の相対運動によるもの、Dバンドは炭素環の呼吸モードに関連しています[36]。本研究では、Cu NP@PCのD/Gバンド比は0.899で、Cu NP/Cと同値でした。したがって、両試料で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類似しており、両材料が銅ナノ粒子とカーボンフレームワークで構成されるほぼ同一組成であることが示唆されます。さらに微細構造情報を明らかにするため、Cu NP@PCとCu NP/CのFTIRスペクトルを調べました（図1d）。Cu NP@PCでは1734 cm⁻¹と1628 cm⁻¹の信号がC=O伸縮振動[39]とC-O伸縮振動[40]に帰属されます。Cu NP/Cと比較して、Cu NP@PCの2363 cm⁻¹のバンドは空気中の二酸化炭素に起因します。Cu NP@PCとCu NP/Cの両方で3466 cm⁻¹にわずかな吸収バンドが観察され、水分子中のO-H結合伸縮振動に割り当てられます[37]。

a Cu NP@PCとCu NP/C試料調製の模式図； b Cu NP@PCとCu NP/CのXRDパターン； c Cu NP@PCとCu NP/Cのラマンスペクトル； d Cu NP@PCとCu NP/CのFTIRスペクトル

調製材料の形態と構造を観察するため、走査型電子顕微鏡（SEM）実験を行いました。Cu NP@PC試料では、図2aのSEM像に示すように、カーボン層表面に無数のホールがランダムに分布し、銅ナノ粒子がこれらのホール内に存在しています。図2bでは、ほぼ全ての銅ナノ粒子が半分内部、半分外部に位置しています。報告によれば、電気化学反応は通常電子と物質輸送を伴います。したがって、半分内部はカーボン基板との電子移動に有利で、半分外部は物質と相互作用する活性サイトとして機能し、最終的に電気化学反応効率を向上させます。図2cでは、Cu NP/C試料では多孔性カーボンは見られず、全ての銅ナノ粒子がカーボン表面上に担持されています。図2dでは凝集も観察されます。また、100個の金属ナノ粒子に基づく銅ナノ粒子サイズは、Cu NP@PCで0.406 µm、Cu NP/Cで0.398 µmであり、二つの異なる銅イオン濃度下で成長した銅ナノ粒子のサイズに大きな差はなく、銅イオン濃度の増加はカーボンの形態のみを制御できることを示しています。さらに、図2eのTEM像から、拡大された銅ナノ粒子がこれらのホールと類似したサイズを持ち、部分的に内包されていることがわかり、目標複合体の形成成功を再確認できます。調製材料の多孔性をさらに明らかにするため、Cu NP@PCとCu NP/Cの窒素吸着等温線を調べました（図2f）。Cu NP@PCナノ材料のBET比表面積は309.95 m²/gと算出され、Cu NP/Cよりもはるかに高く、SEMとTEMの結果と一致します。

a, b Cu NP@PCの異なる倍率のSEM像； c, d Cu NP/Cの異なる倍率のSEM像； e Cu NP@PCのTEM像； f Cu NP@PCとCu NP/CのBET比表面積分析

試料の電子構造を調査するため、X線光電子分光法（XPS）を実施しました。図3aと3bは、それぞれCu NP@PCとCu NP/Cの全XPSサーベイスペクトルを示し、Cu、C、Oの存在を確認できます。Cu元素について、図3cはCu NP@PCとCu NP/CのCu 2p XPSスペクトルのピーク分離結果を示します。両信号は同じピーク位置で生成され、両試料の組成が同一であることを示唆しています。952.5 eVと932.8 eVの2つの明確なピークは、それぞれ金属銅のCu 2p₃/₂とCu 2p₁/₂に帰属され、金属銅の存在を示します[38]。953.7 eVと934.8 eVの結合エネルギーは、それぞれCu(II)のCu 2p₃/₂とCu 2p₁/₂に割り当てられます[39-41]。Cu(II)の存在は、944.2 eVと941.4 eVの弱いサテライトピークでも確認できます[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Cu NP/CのCu(0)/Cu(II)比はそれぞれ2.2と1.8と推定されます。これは、Cu NP@PCでは表面銅原子が多孔性カーボン層の被覆により酸化されにくいためと説明できます。また、より多くの金属銅原子がグルコースセンシングで重要な役割を果たす可能性があります。両試料のC 1sスペクトル（図3d）では、289 eV、286 eV、284.8 eVの3つの信号がそれぞれC=O、C-O、C-C/C-Hに対応し、カルボキシル基などの含酸素官能基の存在を示し、FTIRの結果と整合します[42, 43]。

a Cu NP@PCのXPSサーベイスペクトル； b Cu NP/CのXPSサーベイスペクトル； c Cu NP@PCとCu NP/CのCu 2p XPSスペクトル； d Cu NP@PCとCu NP/CのC 1s XPSスペクトル

多孔性カーボンの利点に基づき、0.1 M KOH溶液中でCu NP@PCとCu NP/Cのグルコースに対する電気化学センシング特性を調べました。銅ナノ粒子を含まない純粋カーボン材料を参照試料として用いました。図4aに示すように、サイクリックボルタモグラム（CV）曲線では、電解質中に0.2 mMグルコース存在時に、Cu NP@PCから最大の電流応答が得られ、Cu NP/Cと純粋カーボン試料よりも優れていました。具体的には、0.55 Vにおいて0.31 mA/cm²の電流密度が得られました。これは、調製したCu NP@PCがグルコース酸化の最良触媒であることを示し、その多孔性構造によって合理的に説明できます。報告によれば、多孔性は物質移動を促進します[29]。ここで、Cu NP@PC修飾電極上でグルコース酸化に対する走査速度の影響を調べ、物質移動の向上を実証しました。図4bに示すように、走査速度を20、40、60、80 mV/sと変化させると、電流密度が勾配を持って増加しました。図4cは、電流密度（J_p）と走査速度の平方根（v¹/²）のフィッティング曲線を示します。線形関係はJ_p = 0.00254 v¹/² - 0.00359（相関係数：R² = 0.995）で表され、Cu NP@PC修飾電極上のグルコース酸化が拡散制御プロセスであることを示します[44]。さらに、図4dの電気化学インピーダンススペクトル（EIS）では、Cu NP@PCの電荷移動抵抗がCu NP/Cよりも低いことがわかります。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と、Cu NP@PC修飾電極上のグルコース触媒酸化は図4eのように描けます。まずCu(II)がCu(III)に酸化され、その後電子を受け取ってCu(II)に還元されます。この過程で、グルコース分子が電子を供与してグルコノラクトンに酸化されます。材料の多孔性の恩恵を受け、生成したグルコノラクトンは速やかに溶液中へ移動し、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におけるCu NP@PC、Cu NP/C、純粋カーボン試料のCV曲線（0.2 mMグルコース、0.1 M KOH、走査速度：100 mV/s）； b Cu NP@PCの0.1 M KOH中での異なる走査速度（20, 40, 60, 80 mV/s）でのCV曲線； c 0.4 Vでの電流密度と走査速度の平方根の関係プロット； d Cu NP@PCとCu NP/Cの電気化学インピーダンススペクトル； e Cu NP@PC上でのグルコース変換メカニズムの模式図

優れた電気化学触媒酸化性能に基づき、Cu NP@PCのグルコースに対する潜在的センシング性能を調べました。Cu NP@PC修飾電極のグルコース濃度に対する電流応答を定性的に調べるため、2、4、6、8、10 mMの濃度でサイクリックボルタモグラムを実施しました。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に伴い漸増し、優れたセンシング性能の可能性を示唆しました。グルコースセンシング特性を定量的に明らかにするため、クロノアンペロメトリー（I-t）を実施し、電位を0.55 Vに選択しました。図5bに示すように、Cu NP@PC修飾電極からの電流密度は、グルコース濃度を0.01から1.1 mMまで増加させると段階的に増加しました。図5dのI-t曲線から、グルコース濃度と応答電流のキャリブレーション曲線は、y = 0.3378x + 0.0077（相関係数：R² = 0.997）でフィッティングできます。一方、感度は84.5 μA/(mmol/L)と決定されました。LOD = 3σ/qの式[46]（σはブランク応答の標準偏差、qは線形回帰曲線の傾き）により、検出限界は2.1 μmol/Lと算出されました。これら2指標は、先行報告のほとんどよりも優れています（図6b）[47-52]。比較として、Cu NP/C修飾電極からのI-t曲線電流密度もグルコース濃度増加に伴い勾配変化を示します（図5c）。しかし、変化の大きさは著しく減少しました。図5dに示すように、グルコース濃度と応答電流の線形フィッティング曲線は、y = 0.007x + 0.0017（相関係数R² = 0.998）で表されました。感度は1.75 μA/(mmol/L)、検出限界は10 μmol/Lと推定されました。したがって、Cu NP/Cの結果と比較しても、Cu NP@PC試料のセンシング性能は多孔性カーボン基板によって向上しました。

a 0.1 M KOH中で2, 4, 6, 8, 10 mMの異なるグルコース濃度存在下でのCu NP@PCのCV曲線。走査速度：100 mV/s； b 0.1 M KOH中、0.55 V（vs Ag/AgCl）でのグルコース溶液逐次添加に対するCu NP@PCのアンペロメトリック応答； c 同様条件でのCu NP/Cのアンペロメトリック応答； d Cu NP@PCとCu NP/Cのグルコースセンシング用キャリブレーション曲線。エラーバーは3回繰り返し実験に基づく

a 0.01 mMグルコース溶液、0.01 mM酢酸アンモニウム（NH₄OAc）、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）を逐次注入した後のCu NP@PCの応答電流； b Cu NP@PCと先行報告材料のLODと感度の比較

周知の通り、耐干渉能も材料のセンシング性能評価の重要な要素です。本研究では、Cu NP@PC修飾電極のグルコースに対する選択性を調べるため、酢酸アンモニウム（NH₄OAc）、塩化ナトリウム（NaCl）、尿素（UA）、クエン酸（CA）を0.01 mM濃度で干渉物質として選び、電解質に逐次注入しました[53]。明らかに、干渉物質による電流密度変化は無視できます。0.01 mMグルコースを注入したときのみ、上記干渉の有無にかかわらず電流密度が有意に増加しました（図6a）。さらに、尿基質を用いても、本提案システムは市販試験紙と同等の感度でグルコース検出を達成できます（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触媒酸化能とセンシング能を有します。

結論

銅ナノ粒子と多孔性カーボン基板からなる複合体を、銅イオンを含浸させた市販ろ紙の焼成により設計・合成しました。多孔性の利点により、調製したCu NP@PCはグルコースの電気化学酸化とセンシングに優れた能力を示しました。感度は84.5 μA/mM、検出限界は2.1 μMと算出され、これまでのほとんどの報告よりも優れています。さらに、Cu NP@PC修飾電極はグルコースに対する良好な選択性も示しました。したがって、本研究で調製された複合体は、携帯型グルコースセンサ構築の新たな候補となるだけでなく、多孔性カーボン材料調製の新たな指針も提供します。