Nanopetais de óxido de níquel mesoporoso (NiO) para detecção ultrassensível de glicose

Resumo

As propriedades de detecção de glicose de nanoestruturas mesoporosas de óxido de níquel denso (NiO) (NSs) em forma de nanopetais (NPs) crescidas hidrotermicamente no substrato de vidro revestido com FTO foram demonstradas. As investigações baseadas no estudo estrutural de NiO-NPs foram realizadas por difração de raios-X (XRD), microscopias de elétrons e de força atômica, energia dispersiva de raios-X (EDX) e fotospectroscopia de raios-X (XPS). As medições Brunauer – Emmett – Teller (BET), empregadas para análise de superfície, sugerem a adequação do NiO para aplicações de detecção de glicose baseadas na atividade de superfície. O sensor de glicose, que imobilizou a glicose no eletrodo NiO-NPs @ FTO, mostra a detecção de uma ampla faixa de concentrações de glicose com boa linearidade e alta sensibilidade de 3,9 μA / μM / cm ² com potencial operacional de 0,5 V. Limite de detecção tão baixo quanto 1 μΜ e um tempo de resposta rápida de menos de 1 s foi observado. O eletrodo sensor de glicose possui boa capacidade anti-interferência, estabilidade, repetibilidade e reprodutibilidade e mostra comportamento inerte em relação ao ácido ascórbico (AA), ácido úrico (UA) e ácido dopaminérgico (DA), tornando-o um sensor de glicose não enzimático perfeito.

Histórico

Diabetes, uma doença crônica em que o nível de glicose aumenta no sangue e se não diagnosticada e tratada, pode ser muito perigosa para a saúde e, eventualmente, pode levar à morte [1, 2]. Diferentes regimes de terapia no controle do diabetes incluem o ajuste da dose dos medicamentos de acordo com o nível de glicose no sangue como resultado do nível de insulina comprometido, principal causa da doença. Portanto, o sensor de glicose preciso e confiável para detectar o nível no sangue é o parâmetro mais importante no controle do diabetes. Geralmente, o sensor de glicose funciona com o uso de uma enzima, glicose oxidase (GOx), que converte glicose em ácido glucônico e H ₂ O ₂ [3,4,5,6,7]. A concentração de glicose é determinada monitorando-se o número de elétrons que fluem pelo eletrodo para a formação de hidrogênio na forma de peróxido [8]. Em biossensores enzimáticos, a detecção quantitativa é feita controlando o potencial e medindo a corrente como resultado da substância (a ser detectada) reagindo com a área ativa do material (atuando como sensor) no eletrodo de trabalho. Sensores de glicose enzimáticos, trabalhando com o mesmo princípio, exibem alta sensibilidade à glicose. As limitações desses sensores incluem sua vida útil mais curta, as condições ambientais, como temperatura, valor de pH e toxicidade do produto químico usado. Para resolver essas questões, muitos sensores de glicose não enzimáticos baseados em óxido de metal foram desenvolvidos recentemente [9,10,11,12,13,14]. O mecanismo de detecção desses sensores de glicose não enzimáticos é baseado na oxidação da glicose, por íon de óxido metálico próximo à superfície do eletrodo, a gluconolactona. No sensoriamento eletroquímico, a voltametria cíclica (CV) mostra-se uma técnica eficiente devido à sua alta sensibilidade em baixos limites de detecção, análise quantitativa precisa e caracterização rápida e clara [15, 16]. Esses sensores de glicose baseados em óxido certamente têm potencial para serem usados em diagnósticos reais e precisam de mais estudos.

Há um interesse crescente na fabricação de eletrodos com materiais de óxido metálico de baixo custo, como NiO, CuO, TiO ₂ , ZnO e compostos que podem mostrar alta sensibilidade à glicose, melhorando a atividade eletrocatalítica [17,18,19,20,21,22,23,24]. Quando se trata de detecção baseada em reação, os nanomateriais podem ser interessantes, pois podem fornecer mais área de superfície para a reação e, portanto, uma detecção melhor. Nos últimos tempos, uma variedade de materiais na forma nanoestruturada têm mostrado grande potencial em detecção, eletrônica e optoeletrônica [25,26,27]. Fato estabelecido sobre as nanoestruturas é a capacidade de adequar uma propriedade física alterando seu tamanho e / ou morfologia o que confere versatilidade aos nanomateriais para serem utilizados em diversas aplicações. Conseqüentemente, para os sensores, o design da superfície dos eletrodos é um dos parâmetros-chave. Entre muitos, nanomateriais à base de Ni exibem propriedades notáveis, como catálise [28,29,30] e alta sensibilidade devido à grande relação superfície-volume. Um sensor de glicose econômico, mas sensível, pode ser uma realidade com sensores baseados em nanoestrutura de NiO, projetando o dispositivo de forma adequada e sintetizando o material. Neste artigo, um eletrodo de trabalho consistindo de nanoestruturas de NiO semelhantes a pétalas para detecção de glicose via estudo eletroquímico foi fabricado para ser usado como o composto ativo. O substrato de vidro condutor revestido com óxido de estanho dopado com fluoreno (FTO) tem sido usado para fazer crescer as nanoestruturas de NiO (NSs) por meio de técnica hidrotérmica.

Experimental

Precursor de nitrato de níquel misturado com persulfato de potássio na presença de menor quantidade de solução de amônio tem sido utilizado para o alinhamento durante a preparação destes NiO NSs. Após 5 h de aquecimento contínuo a 150 ° C, o filme depositado foi enxaguado com água desionizada e seco ao ar. Posteriormente, o filme de NiO-NSs foi recozido a 250 ° C por 2 h. NiO NSs uniformes e bem alinhados foram obtidos na superfície condutora de vidro revestido com FTO. A microestrutura do filme foi investigada por um XRD (difratômetro de raios-X Rigaku SmartLab usando radiação monocromática Cu-Kα λ =1,54 Å) junto com microscopia eletrônica (Supra55 Zeiss). A espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (Oxford Instrument) e o espectrômetro de fotoelétrons de raios-X (ESCA System, SPECS GmbH, Germany) com radiação Al Kα (1486,6 eV) foram usados para a confirmação elemental. A microscopia de força atômica foi realizada em uma máquina Bruker (MultiMode 8-HR), e as análises de nanoestruturas de alta resolução foram realizadas usando o software WSxM [31]. Para detecção de glicose com NiO-NSs, medições eletroquímicas apropriadas foram realizadas usando a estação de trabalho eletroquímica Keithley 2450-EC. O método Brunauer – Emmett – Teller (BET) também foi empregado no Autosorb iQ, versão 1.11 (Quantachrome Instruments) para análise de superfície.

Resultados e discussão

Detalhes microestruturais e morfologia de NiO NSs foram estudados usando microscopia eletrônica e microscopia de força atômica (AFM). A Figura 1a mostra estruturas semelhantes a pétalas de rosa muito densas crescidas no substrato de vidro condutor revestido com FTO. A espessura dessas pétalas é de aproximadamente 25-30 nm, cobertas por espinhos muito finos como estruturas no topo delas. O filme é denso e uniforme em mais de cem mícrons. A uniformidade em áreas maiores o torna elegível para aplicações de detecção. A vista transversal dos NiO NSs pode ser vista no detalhe da Fig. 1a, que mostra o alinhamento vertical e a altura das pétalas. A micrografia TEM desses NiO NSs pode ser vista no arquivo adicional 1:Figura S1. A Figura 1b mostra a imagem SEM de nanopetais de NiO mostrando que NPs de NiO uniformes são cultivados em uma área ampla. Mais detalhes sobre a forma e os tamanhos desses nanopetais foram estudados usando imagens AFM na Fig. 1c-e. A Figura 1c, d mostra imagens de AFM bidimensionais e tridimensionais, respectivamente. Ele mostra pétalas distribuídas aproximadamente uniformemente com nanopetais altamente densos (NPs) alinhados verticalmente. Imagens AFM na Fig. 1e e inserção da Fig. 1c mostram NiO NSs em maior resolução. A linha preta na Fig. 1e mostra o perfil da linha da nanoestrutura, que fornece informações sobre a espessura média das NPs. É aparente que os nanopetais têm larguras na faixa de ~ 25-30 nm. O espectro de energia dispersiva de raios-X (EDX) na Fig. 1f mostra a composição química de NiO NPs sugestivos de NiO NSs de alta pureza com relação Ni / O adequada. Alguns picos correspondentes ao estanho elementar (Sn) também podem ser vistos no vidro revestido com FTO usado como substrato. A Figura 1 demonstra claramente que NiO NSs densos em forma de pétala foram fabricados uniformemente, com alguma porosidade, em um substrato de vidro revestido com FTO.

a , b Morfologias de superfície de nanoestruturas de NiO mostrando estrutura semelhante a uma pétala com sua vista em corte transversal (detalhe). c - e Imagens AFM com perfil de linha. f Espectros EDX para conformação elementar

A espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS) é realizada para a análise de constituintes e composições químicas de superfície de nanopetais de NiO. A pesquisa de varredura XPS (Fig. 2a) mostra a composição de níquel e oxigênio com o pico do substrato de estanho (Sn), que é consistente com os resultados de EDX. Dois picos Ni 2p característicos são observados em cerca de 855,7 eV (2p _3/2 ) e 873,4 eV (2p _1/2 ) em varredura de alta resolução (Fig. 2b). O espectro deconvoluído contém sete picos com dois picos mais fortes em 855,7 e 873,4 eV correspondem a Ni ²⁺ em ligações Ni – O, com dois picos de satélite (fracos) [32]. O padrão de XRD na Fig. 2c mostra claramente os picos de difração, na ordem decrescente das intensidades de pico de XRD, a 43 °, 37 °, 63 °, 76 ° e 79 °, respectivamente. As posições de pico e suas intensidades relativas estão em boa concordância com a estrutura cúbica centrada na face (FCC) de NiO-NSs revelando uma natureza cristalina dos NPs [33]. A caracterização morfológica e estrutural acima mencionada do substrato preparado prevê a presença de estruturas semelhantes a pétalas de baixa dimensão de NiO e as mesmas serão investigadas para possíveis propriedades de detecção de glicose.

Análise de constituintes dos nanopetais fabricados de NiO usando XPS a varredura de pesquisa, b varredura profunda de 2p Ni, c XRD para a análise estrutural, e d área de superfície e estudo textual usando medição de isoterma BET por N ₂ adsorção / dessorção

Como mencionado anteriormente, a base do mecanismo de detecção é a reatividade da glicose com NiO, portanto, necessitando de áreas de superfície maiores, que devem ser analisadas antes de investigar as propriedades de detecção. A área de superfície específica e outros parâmetros, como tipo de isoterma, tamanho médio dos poros e volume total dos poros foram obtidos pelo N ₂ adsorção / dessorção usando o método BET. A Figura 2d revela a isoterma do tipo IV e a histerese do tipo H3 quando medido a 77 K com a faixa de pressão relativa de 0,025 ≤ P / P ₀ ≤ 1,00 [18]. A área de superfície medida, estimada pelos métodos BET e Langmuir no P / P ₀ intervalo de 0,05–0,30, é 114,936 m ² / ge distribuição de tamanho de poro em torno de 3,7 nm. Isso indica que os NPs de NiO são mesoporosos com distribuição de tamanho de poro relativamente uniforme. O volume total do poro na amostra é de 0,267 cm ³ / g como estimado em uma pressão relativa ( P / P ₀ ) de 0,99.

Uma superfície adequada parece estar disponível para detecção de glicose de NiO-NPs foi estudada abaixo usando medições de CV eletroquímicas como mostrado na Fig. 3. Para medições de CV, um sistema de três eletrodos foi empregado com amostra de NiO-NPs @ FTO como eletrodo de trabalho , Ag / AgCl (1 M KCl) e fio de platina usados como eletrodos de referência e contra-eletrodos, respectivamente. A Figura 3a mostra I - V curvas com diferentes taxas de varredura de tensão variando entre 10 e 100 mV / s. O eletrodo é muito estável, conforme testado, repetindo as varreduras CV por 3000 ciclos (arquivo adicional 1:Figura S2). É evidente a partir da Fig. 3a que uma corrente de ~ 0,25 mA / cm ² estava fluindo a uma taxa de varredura de 10 mV / s (curva preta) e aumenta para ~ 2,5 mA / cm ² quando a taxa de varredura foi aumentada para 100 mV / s (curva verde claro). Um aumento de dez vezes na corrente, aumentando a taxa de varredura em dez vezes, significa uma variação linear entre os dois. Essa variação linear na corrente em função de uma taxa de varredura, como é evidente na inserção da Fig. 3a, é mais frequentemente atribuída a ser originada devido a uma reação controlada por superfície e será melhor para aplicações de detecção.

a Voltametria cíclica (CV) de NiO-NPs @ FTO em várias taxas de varredura. b Detecção de glicose eletroquímica (10 μM) usando a técnica CV. c Varredura CV do eletrodo NiO-NPs @ FTO imobilizado com glicose em várias taxas de varredura. b Espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) para mostrar a detecção de glicose. Inserções em a e c mostram uma variação linear da corrente em função da taxa de varredura

Para estudo de detecção, as medições de CV foram realizadas com filme NiO NSs como eletrodo de trabalho (NiO-NPs @ FTO) a uma taxa de varredura de 50 mV / s com (vermelho) e sem (preto) glicose (5 mM), no presença de eletrólito de NaOH 0,1 M como mostrado na Fig. 3b. Os gráficos de CV registrados em diferentes taxas de varredura na presença de glicose também foram mostrados na Fig. 3c, que também mostra valores de corrente aumentados em comparação com o caso sem glicose e aumentos adicionais com o aumento das taxas de varredura. Estas curvas CV dependentes da taxa de varredura na Fig. 3c são consistentes com as discussões acima relativas à detecção de glicose e reação de superfície controlada. Como pode ser visto nas curvas preta e vermelha na Fig. 3b, uma corrente de pico de reação é observada, indicando que o eletrodo NiO-NPs @ FTO sofre a reação redox na faixa de potencial de 0,0 a 0,6 V. O valor da corrente de pico duplica na presença de glicose, ou seja, a corrente do eletrodo NiO-NPs @ FTO com glicose é maior do que aquele sem glicose, o que pode ser atribuído à oxidação da molécula de glicose imobilizada dentro de uma área maior de superfície dos NiO NSs. Este parece ser o mecanismo mais provável de detecção de glicose, como pode ser apoiado pelas seguintes reações redox ocorrendo em locais apropriados.
$$ \ mathrm {NiO} + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to \ mathrm {NiO} \ mathrm {OH} $$ (1) $$ \ mathrm {NiO} \ mathrm {OH} + \ mathrm {glucose} \ to \ mathrm {NiO} + {\ mathrm {H}} _ 2 {\ mathrm {O}} _ 2+ \ mathrm {gluconolactona} $$ (2) $$ \ mathrm {Gluconolactona} \ to \ mathrm {gluconic} \ \ mathrm {acid} $$ (3) $$ \ mathrm {Gluconic} \ \ mathrm {acid} + {\ mathrm {H}} _ 2 \ mathrm {O} \ to {\ mathrm {gluconato} } ^ {\ hbox {-}} + {\ mathrm {H}} ^ {+} $$ (4)
Durante a medição de CV, Ni ²⁺ oxida em Ni ³⁺ por solução eletrolítica aquosa presente na célula no eletrodo NiO-NPs @ FTO (reação 1). Ni oxidado ³⁺ funciona como um catalisador para a glicose e oxida a glicose reduzindo-se (reação 2). Na oxidação, a glicose se converte em gluconolactona que, consequentemente, é convertida imediatamente em ácido glucônico (reação 3) e este composto reage com as moléculas de água para formar gluconato e íons hidrônio (reação 4). Esses íons próximos à superfície do eletrodo de trabalho resultam em aumento da corrente como sinal detectável com uma sensibilidade específica muito boa de 3,9 μA / μM / cm ² .

A fim de apoiar ainda mais o aumento induzido por "dopagem de glicose" na condutividade elétrica, a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) do eletrodo de trabalho fabricado em NiO NP foi medida com e sem glicose (Fig. 3d). Um único semicírculo deprimido na região de alta frequência e uma linha inclinada na região de baixa frequência podem ser vistos no gráfico de Nyquist (cole-cole) na Fig. 3d. Geralmente, o semicírculo de alta frequência mostra a impedância da reação eletroquímica entre a glicose presente na solução eletrolítica e a interface da nanoestrutura de NiO, enquanto a linha inclinada na região de baixa frequência mostra o material ativo (NiO) e a impedância da interface do eletrodo condutor [34]. O efeito da glicose no gráfico de cole-cole na Fig. 3d é claramente distinguível e, portanto, a mesma medição pode ser utilizada para detectar a presença de glicose. Isso exibe claramente a propriedade de detecção de glicose do material que é NiO NSs em forma de nanopetal.

A repetibilidade de um dispositivo é um dos parâmetros importantes para um desempenho eficaz como sensor real. A Figura 4a é a célula eletroquímica para a detecção de glicose usando CV e técnicas amperométricas. A Figura 4b corresponde à varredura CV de NiO-NPs @ FTO na presença de várias concentrações de glicose de 100 μM a 1,2 mM. A Figura 4c mostra a relação linear da concentração de glicose com a densidade da corrente tendo um fator de ajuste linear ( R ² ) de 0,9948. A Figura 4d mostra o comportamento amperométrico do eletrodo NiO-NPs @ FTO na adição de solução aquosa de glicose de diferentes quantidades em eletrólito de NaOH 0,1 M, conforme detectado em + 0,5 V. Nesse viés, o eletrodo NiO-NPs @ FTO exibe mudanças sistemáticas na corrente quando 50 μL de solução de glicose de concentração, 1 μM é adicionado ao eletrólito. Além disso, para ilustrar o comportamento de detecção de glicose exclusivo, o efeito de outros compostos presentes com ácido úrico semelhante à glicose (UA), ácido ascórbico (AA) e ácido fólico (FA) foi verificado realizando experimentos de controle. As respostas das espécies mencionadas em várias concentrações foram estudadas pela adição dessas enzimas aos segundos 57 e 65 (seta marcada na Fig. 4d), que não mostram quaisquer mudanças significativas na corrente durante a medição amperométrica, enquanto a glicose foi detectada quando adicionada entre os 60 segundo. A seletividade da detecção de glicose em comparação com outros compostos pode ser vista mais claramente no arquivo adicional 1:Figura S3. Outra observação importante é a redução da corrente após o pico induzido pela glicose, o que torna o sensor reutilizável. O eletrodo NiO NS mostra uma sensibilidade muito boa em comparação com vários outros eletrodos sensores, como pode ser visto na Tabela 1, que resume alguns dos eletrodos sensores de glicose recentes. Uma sensibilidade superior do eletrodo baseado em NiO NS (linha inferior na Tabela 1) o torna um bom candidato para aplicações de detecção de glicose nas quais estudos adicionais podem ser feitos em amostras reais, como sangue ou alimentos, conforme aplicável.

a Ilustração esquemática da configuração de detecção eletroquímica de glicose usando NiO-NPs @ FTO como eletrodo de trabalho com eletrólito de suporte NaOH (0,1 M). b Adição sequencial de glicose de 50 μM durante a varredura CV com sua visão ampliada na inserção. c Relação linear da concentração de glicose com a corrente d resposta amperométrica (a + 0,5 V) em uma adição de glicose de 10 μM

Conclusões

Em resumo, um excelente comportamento de detecção de glicose com sensibilidade aprimorada foi alcançado usando um eletrodo com nanoestruturas de NiO alinhadas (NSs) altamente densas e hidrotermicamente crescidas, com alta proporção entre superfície e volume. Os NiO NSs, crescidos pela técnica simples, mostram melhores capacidades de detecção de glicose em termos de estabilidade e sensibilidade em comparação com suas contrapartes crescidas por alguma outra técnica. O eletrodo sensor proposto demonstra ampla faixa de detecção de concentrações de glicose com alta sensibilidade específica de 3,9 μA / μM / cm ² e um tempo de resposta rápido de menos de 1 s. Além disso, apresenta resposta inerte às demais enzimas presentes na glicose, como ácido ascórbico, ácido fólico e ácido úrico, o que o torna eficiente sensor não enzimático de glicose. Todos esses resultados obtidos indicam que o sensor de glicose proposto pode ser uma ferramenta analítica eficiente para o monitoramento das concentrações de glicose em fármacos, soro humano, e pode ser utilizado em aplicações relacionadas à biomedicina.

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