Sensor de Glicose Não Enzimático Altamente Sensível Baseado em Nanopétalas Mesoporosas de NiO Crescidas em FTO

Resumo

Relatamos um sensor de glicose não enzimático construído sobre nanopétalas mesoporosas, bem alinhadas, de óxido de níquel (NiO) crescidas hidrotermalmente em vidro de óxido de estanho dopado com flúor (FTO). Análise estrutural (XRD, SEM, TEM, AFM, EDX, XPS) confirma morfologia NP densa, verticalmente orientada, com espessura média de 25–30 nm. Área de superfície Brunauer-Emmett-Teller (BET) de 115 m² g⁻¹ e tamanho de poro de 3,7 nm indicam excelente acessibilidade eletroquímica. O sensor fornece resposta linear de 50 µM a 1,2 mM glicose com sensibilidade de 3,9 µA µM⁻¹ cm⁻² a 0,5 V, limite de detecção de 1 µM e tempo de resposta inferior a 1 s. Mostra interferência desprezível de ácido ascórbico, ácido úrico e dopamina, tornando-o uma sonda confiável de glicose não enzimática.

Introdução

O manejo do diabetes depende de monitoramento preciso de glicose em tempo real. Sensores enzimáticos convencionais dependem de oxidase de glicose (GOx) e sofrem de vida útil limitada e sensibilidade a temperatura, pH e reagentes tóxicos. Sensores não enzimáticos baseados em óxidos metálicos contornam esses problemas oxidando diretamente glicose na superfície do eletrodo. NiO, CuO, TiO₂ e ZnO nanoestruturados surgiram como candidatos promissores devido à alta razão superfície/volume e atividade catalítica. A nanoestruturação aumenta ainda mais a área de superfície ativa, melhorando desempenho do sensor. Aqui, apresentamos nanopétalas de NiO crescidas em FTO, projetadas para oxidação ótima de glicose.

Experimental

Nitrato de níquel e persulfato de potássio foram misturados com traço de solução de amônio para guiar alinhamento de NSs de NiO. A solução precursora foi tratada hidrotermicamente a 150 °C por 5 h em vidro FTO, enxaguada, seca e recozida a 250 °C por 2 h. XRD (Rigaku SmartLab, Cu-Kα, λ = 1,54 Å), SEM (Zeiss Supra55), TEM, AFM (Bruker MultiMode 8-HR), EDX (Oxford Instruments) e XPS (SPECS) caracterizaram estrutura e composição. Análise BET (Quantachrome Autosorb iQ) quantificou área de superfície e porosidade. Medidas eletroquímicas usaram workstation Keithley 2450-EC em configuração de três eletrodos com referência Ag/AgCl (1 M KCl) e contraeletrodo de fio Pt, empregando 0,1 M NaOH como eletrólito.

Resultados e Discussão

Imagens SEM e AFM revelam estruturas de NiO densamente empacotadas, semelhantes a pétalas de rosa, cobrindo uniformemente o substrato FTO. Cada pétala tem 25–30 nm de espessura, com características finas semelhantes a espinhos aumentando área de superfície. TEM confirma morfologia, e EDX demonstra NiO de alta pureza com mínimo Sn do substrato. XPS mostra Ni²⁺ em ligações Ni-O e confirma estrutura cristalina FCC (picos XRD a 43°, 37°, 63°, 76°, 79°). Medidas BET indicam rede mesoporosa com área de superfície de 114,936 m² g⁻¹ e distribuição de tamanho de poro centrada em 3,7 nm.

Testes eletroquímicos mostram que o eletrodo NiO-NPs@FTO é controlado por superfície: corrente de pico escala linearmente com taxa de varredura, indicando transferência de carga eficiente. Voltametria cíclica em 0,1 M NaOH revela pico de oxidação pronunciado entre 0 V e 0,6 V. Na presença de 5 mM glicose, a corrente de pico dobra, confirmando oxidação de glicose. A via de reação envolve NiO formando NiO(OH), que oxida glicose a gluconolactona e subsequentemente a ácido gluconico, produzindo corrente mensurável (sensibilidade 3,9 µA µM⁻¹ cm⁻²). Espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) mostra semicírculo reduzido e linha de baixa frequência mais íngreme após adição de glicose, corroborando atividade eletroquímica do sensor.

Curvas de calibração mostram linearidade (R² = 0,9948) entre 100 µM–1,2 mM glicose, com resposta amperométrica a +0,5 V rendendo resposta sub-segundo e excelente repetibilidade. Testes de seletividade contra ácido úrico, ácido ascórbico e ácido fólico demonstram interferência desprezível, enquanto a corrente do sensor diminui após picos de glicose, indicando reutilização. Comparado a sensores não enzimáticos recentes, o eletrodo NiO-NPs oferece sensibilidade superior e resposta rápida.

Conclusões

Nanopétalas de NiO densamente empacotadas crescidas hidrotermalmente em FTO fornecem sensor de glicose não enzimático altamente sensível. Com limite de detecção de 1 µM, tempo de resposta inferior a 1 s e seletividade robusta, esta plataforma é adequada para diagnóstico biomédico e análise farmacêutica.

Figuras