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Nanogaiolas Dupla-Casca de CuS: Eletrocatálise Aprimorada para Detecção Ultra-Sensível de Ácido Ascórbico

Resumo

Embora sulfetos de metais de transição tenham apresentado perspectivas em sensoriamento eletroquímico, seu desempenho eletrocatalítico ainda não atende às demandas para aplicações práticas devido às dificuldades no transporte de massa e transferência de elétrons. Neste trabalho, nanogaiolas de CuS de casca dupla (2-CuS NCs) foram preparadas para sensor enzimático-livre de ácido ascórbico (AA) através de um método templateado por Cu₂O. A estrutura oca única de casca dupla exibiu grandes áreas de superfície específica, canais de difusão ordenados, taxa de ocupação de volume aumentada e taxa de transferência de elétrons acelerada, resultando em dinâmica eletroquímica aprimorada. Como eletrodo de sensoriamento para AA, eletrodo de carbono vítreo modificado com 2-CuS NCs (2-CuS NCs/GCE) exibiu atividade eletrocatalítica eminente em termos de sensibilidade satisfatória (523,7 µA mM−1 cm−2), tempo de resposta curto (0,31 s) e baixo limite de detecção (LOD, 0,15 µM). 2-CuS NCs parecem promissores para sensoriamento analítico de AA em sensores eletroquímicos graças à sua cinética eletrocatalítica proeminente proveniente da estrutura porosa oca de casca dupla.

Contexto

O AA desempenha papel chave no metabolismo biológico para saúde humana. Detecção precisa e rápida de AA pode evitar doenças como escorbuto, diarreia e convulsão estomacal. Uma série de métodos já foi estabelecida para detectar AA com precisão. Dentre estes, o método eletroquímico atraiu muita atenção devido a resposta rápida, alta sensibilidade, operação simples e baixo custo. Materiais de metais de transição apresentam grande perspectiva em sensores eletroquímicos enzimático-livres devido às suas reservas abundantes, estados de valência variáveis, pares redox ativos e acessibilidade para espécies de detecção. Como materiais ativos para sensores eletroquímicos, sulfetos de metais de transição são um novo surto de interesse devido à sua condutividade elétrica mais alta comparada com hidróxidos ou óxidos de metais de transição.

Como sabemos, o desempenho de sensores eletroquímicos correlaciona-se intimamente com as propriedades dos eletrocatalisadores. Inspirados pela teoria estrutura-atividade, eletrocatalisadores de alta atividade podem ser obtidos controlando sua morfologia única e estrutura fina. Consequentemente, pesquisadores focaram no design racional de materiais eletrocatalíticos com diferentes estruturas, como nanoflocos, nanobastões, nanochapas, nanocubos e nanoesferas. Dentre estes, estruturas porosas ocas (HPSs) fornecem grandes áreas de superfície específica e sítios ativos suficientes para reações redox. Além disso, as cascas porosas ultrfinas também encurtam distâncias de difusão de íons ou transferência de elétrons. Notavelmente, a maioria das HPSs preparadas são compostas de cascas únicas. Estas HPSs de casca única comumente sofrem de baixa taxa de ocupação de volume (Vmateriais ativos/Vtotal) e limitam a melhoria adicional do desempenho eletroquímico. Recentemente, tentativas de fabricar HPSs de múltiplas cascas foram propostas para contornar esta questão. Por exemplo, Shen et al. sintetizaram estruturas ocas bola-em-bola de NiCo₂S₄ com capacitância específica aprimorada de 705 F g−1 a 20 A g−1 comparado com HPSs de NiCo₂S₄ de casca única (567 F g−1 a 20 A g−1). Segundo relatório de Wang e colaboradores, Co₃O₄ de casca dupla com maior taxa de ocupação de volume exibiu capacidade específica superior à de casca única com menor taxa de ocupação de volume. Comparados com contrapartes convencionais de casca única simples, estruturas de múltiplas cascas com maior área de superfície e maior taxa de ocupação de volume maximizam as vantagens das HPSs, o que significa a oportunidade de melhorar propriedades físico-químicas de materiais ativos e contribuir para desempenho eletrocatalítico proeminente. Assim, o design de estruturas ocas com múltiplas cascas é tanto significativo quanto interessante para sensores eletroquímicos.

Entre sulfetos de metais de transição, CuS é um grande candidato para sensores eletroquímicos, graças ao seu par redox efetivo de Cu²⁺/Cu³⁺ e condutividade elétrica tipo metálica. Neste trabalho, 2-CuS NCs foram sintetizados através de método templateado por Cu₂O. Os 2-CuS NCs preparados têm vantagens combinadas de estrutura tipo gaiola e característica de casca dupla, e adquiriram grande área de superfície específica, porosidades desejáveis e taxa de ocupação de volume aumentada. Como esperado, 2-CuS NCs/GCE apresentou maior atividade eletrocatalítica em termos de tempo de resposta mais curto (0,31 s), maior sensibilidade (523,7 µA mM−1 cm−2) e menor LOD (0,15 µM) comparado com nanogaiolas de CuS de casca única modificadas em GCE (1-CuS NCs/GCE).

Métodos/Experimental

Reagentes

CuCl₂·2H₂O, Na₂S, Na₂S₂O₃·5H₂O, Na₂HPO₄, polivinilpirrolidona (PVP, Mw = 40.000) e NaOH foram comprados da Chengdu Kelong Chemical Reagent Corporation. Glicose (Glu.), dopamina (DA), lactose (Lac.), frutose (Fruc.), ácido L-ascórbico (AA), ácido úrico (UA) e solução de Nafion (5% em peso em mistura de álcoois alifáticos inferiores e água) foram comprados da Sigma-Aldrich sem purificação adicional.

Preparação de Templates de Cu₂O

Templates de Cu₂O foram obtidos de acordo com nosso trabalho anterior. Sessenta mililitros de solução de NaOH (2 M) foram gotejados em CuCl₂·2H₂O (600 ml, 0,01 M) agitado a 55 °C. Após 30 min de reação, 60 mL de AA (0,6 M) foram adicionados na solução acima. Os produtos vermelho-tijolo foram lavados e coletados por concentração após 3 h, seguidos por secagem em vácuo a 40 °C por 12 h.

Preparação de 2-CuS NCs

Brevemente, 15 mg de templates de Cu₂O foram dispersos em solução mista de água e álcool (15 mL, razão de volume 1:1). Após agitação completa, 0,45 mL de Na₂S (0,086 M) foi adicionado na solução. A sulfidação durou 30 s, e então produtos Cu₂O@CuS foram coletados por centrifugação. Em seguida, produtos Cu₂O@CuS foram redispersos em 15 mL de solução mista de água e álcool (1:1), e 3 mL de Na₂S₂O₃ (1 M) foi adicionado para corroer Cu₂O por 1 min. Após um processo de sulfidação repetido por 2 min, templates de Cu₂O foram completamente corroídos por Na₂S₂O₃ (1 M) por 1 h. Os produtos finais foram lavados e coletados por centrifugação, e então secos em vácuo a 60 °C por 12 h. Amostras 1-CuS NCs foram obtidas sem processo de sulfidação repetido (ver imagens MEV-CE e MET no Arquivo Adicional 1: Figura S1).

Medidas Eletroquímicas

Todas as medidas eletroquímicas foram realizadas em solução fosfato 0,1 M (PBS) em uma estação de trabalho eletroquímica (µIII Autolab). Os GCEs modificados, Ag/AgCl e eletrodos de Pt foram considerados como eletrodos de trabalho, eletrodo de referência e contraeletrodo, respectivamente. GCEs (Φ = 3 mm) foram primeiro polidos por pasta de alumina de 1, 0,5 e 0,05 µm. Então, os GCEs polidos foram sucessivamente limpos com HNO₃ diluído, água e etanol sob ultrassom. Depois, 5 mg de produtos (2-CuS NCs ou 1-CuS NCs) foram dispersos em mistura de 0,9 mL de água e 0,1 mL de Nafion. Cinco microlitros de suspensão foram então gotejados em GCEs pré-tratados e secos à temperatura ambiente. Os GCEs modificados foram denotados como 2-CuS NCs/GCE e 1-CuS/GCE, respectivamente.

Aparelhos e Instrumentos

Estruturas cristalinas das amostras foram caracterizadas por difração de raios X (DRX, Rigaku D/Max-2400). As composições foram analisadas por espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS, ESCALAB250Xi) com picos C 1s (284,8 eV) como padrão interno. As morfologias foram observadas via microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo (MEV-CE, SU8020) e microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução (HRMET, FEIF20). Brunauer-Emmett-Teller (BET, Belsort-max) foi utilizado para analisar a área de superfície específica e estrutura de poros.

Resultados e Discussões

Caracterização dos Produtos

Ilustração esquemática do processo sintético para 2-CuS NCs é representada na Fig. 1. Primeiramente, templates de Cu₂O foram distribuídos uniformemente na solução mista de água e álcool (razão de volume 1:1) sob assistência de ultrassom. O processo de sulfidação foi impulsionado por íons S²⁻ liberados do Na₂S, e uma fina camada de CuS foi formada ao redor dos templates de Cu₂O (reação 1). Então, íons S₂O₃²⁻ foram introduzidos e a corrosão de Cu₂O ocorreu (reação 2) devido à interação suave entre Cu⁺ e S₂O₃²⁻, resultando na formação de espaço entre CuS e Cu₂O. Posteriormente, a estrutura Cu₂O@CuS preparada acima foi sulfurizada por 2 min para gerar a casca interna de CuS ao redor dos templates residuais de Cu₂O. Finalmente, 2-CuS NCs foram obtidos por corrosão completa dos templates de Cu₂O por 1 h usando íons S₂O₃²⁻. O controle coordenado da taxa de corrosão de Cu₂O e precipitação de CuS levou à formação de 2-CuS NCs bem definidos. Imagens de MET dos produtos obtidos em diferentes estágios também são exibidas na Fig. 1 (inseto a–d). O processo de formação observado concordou bem com o mecanismo deduzido acima.

$$ {\mathrm{Cu}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{S}}^{2-}+{\mathrm{O}}_2+4{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 4\mathrm{CuS}+8{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-} $$ (1) $$ {\mathrm{Cu}}_2\mathrm{O}+{\mathrm{S}}_2{{\mathrm{O}}_3}^{2-}+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to {\left[{\mathrm{Cu}}_2\left({\mathrm{S}}_2{{\mathrm{O}}_3}^{2-}\right)x\right]}^{2-2x}+2{\mathrm{O}\mathrm{H}}^{-} $$ (2)
Nanogaiolas Dupla-Casca de CuS: Eletrocatálise Aprimorada para Detecção Ultra-Sensível de Ácido Ascórbico
O processo sintético de 2-CuS NCs. O inseto representa imagens MET correspondentes a a Cu₂O, b Cu₂O@CuS, c Cu₂O@CuS@CuS, e d CuS@CuS

Como mostrado na Fig. 2a, todos os picos de difração dos produtos finais concordaram bem com PDF#06-0464, e nenhum pico de difração de Cu₂O foi observado, indicando preparação bem-sucedida de CuS hexagonal. Além disso, a informação detalhada sobre composições químicas e estados eletrônicos dos produtos finais foi medida por XPS. A espectroscopia de varredura demonstrou picos Cu 2p e S 2p (Fig. 2b), revelando a composição principal das amostras. Como representado na Fig. 2c, os dois picos principais em 931,8 eV e 951,7 eV foram atribuídos a Cu 2p3/2 e Cu 2p1/2, respectivamente. A separação de energia de ligação foi de cerca de 20 eV, que foi a característica típica de Cu²⁺ em CuS. Além disso, dois picos satélites (Sat.) em 944,1 eV e 962,5 eV foram observados no espectro Cu 2p, demonstrando ainda a existência de Cu²⁺. No espectro S 2p (Fig. 2d), o pico típico de 160 a 164 eV foi ajustado por dois picos localizados em 161,8 eV e 162,9 eV, que foi a característica de S-Cu. Um pico característico em 168,9 eV também indicou a existência de sulfetos metálicos. Os resultados de dados de DRX e XPS confirmaram a preparação bem-sucedida de CuS hexagonal.

Nanogaiolas Dupla-Casca de CuS: Eletrocatálise Aprimorada para Detecção Ultra-Sensível de Ácido Ascórbico
a Padrão de DRX de 2-CuS NCs e Cu₂O. b Espectro de varredura XPS para o produto. c Cu 2p. d S 2p

No Arquivo Adicional 1: Figura S2, templates de Cu₂O exibiram morfologia cúbica requintada com comprimento médio de aresta cerca de 500 nm. Como mostrado na Fig. 3a, o CuS preparado duplicou exatamente características estruturais e morfológicas dos templates de Cu₂O. A casca de CuS era porosa e composta de nanopartículas montadas aleatoriamente (Fig. 3b). Como mostrado na Fig. 3c, o cubo quebrado revelou característica tipo gaiola e estrutura de casca dupla dos produtos de CuS. Os NCs internos de CuS aumentaram ainda mais a área de contato entre eletrodo e eletrólito para fornecer mais sítios eletroativos, levando a atividade eletrocatalítica aprimorada. A estrutura detalhada de 2-CuS NCs é estudada por MET. Como mostrado na Fig. 3d, os produtos finais de CuS apresentaram estrutura típica de gaiola de casca dupla comparado com 1-CuS NCs (inseto da Fig. 3d). Notavelmente, os NCs internos de CuS não estavam no local central, e um espaço óbvio entre as duas gaiolas foi observado (Fig. 3e). Como mostrado na Fig. 3f, as espessuras das cascas externa e interna eram cerca de 60 nm e 8 nm, respectivamente. A diminuição da espessura da casca interna pode ser atribuída ao efeito de blindagem da casca externa de CuS. Duas franjas de rede distintas de 0,190 nm e 0,282 nm observadas na Fig. 3g foram consistentes com planos cristalinos (110) e (103) de CuS (PDF#06-0464), respectivamente. Simultaneamente, o padrão de difração de elétrons de área selecionada no inseto revelou característica policristalina de 2-CuS NCs. Os resultados de MEV-CE e MET demonstraram a preparação bem-sucedida de 2-CuS NCs.

Nanogaiolas Dupla-Casca de CuS: Eletrocatálise Aprimorada para Detecção Ultra-Sensível de Ácido Ascórbico
a–c Imagens MEV-CE de 2-CuS NCs. Imagens MET de d–f 2-CuS NCs e (inseto de d) 1-CuS NCs. g Imagem HRMET de 2-CuS NCs e inserto é o padrão de difração de elétrons de área selecionada. Isoterma de adsorção-desorção de N₂ de h 2-CuS NCs e i 1-CuS NCs. Insetos são as distribuições de tamanho de poro correspondentes

Para verificar a porosidade, isoterma de adsorção-desorção de N₂ e distribuições de tamanho de poro correspondentes são registradas na Fig. 3h, i. A curva de 2-CuS NCs foi considerada como isotermia tipo 4 com histerese H3, sugerindo a existência de mesoporos. A distribuição de tamanho de poro de 2-CuS NCs (inseto da Fig. 3h) variando de 2,4 a 18,5 nm confirmou ainda a característica mesoporosa. Especialmente, os volumes de poro de 2-CuS NCs e 1-CuS NCs foram estimados como 0,045 cm³ g−1 e 0,011 cm³ g−1, respectivamente. Os mesoporos serviram como canais adequados para difusão de íons e desempenharam papel chave no transporte de massa facilitado durante reações eletrocatalíticas. Além disso, a área de superfície de 2-CuS NCs (28,3 m² g−1) foi muito maior que a de 1-CuS NCs (10,03 m² g−1). Além disso, 2-CuS NCs também tiveram maior área de superfície comparada com materiais de CuS previamente relatados, incluindo nanoflocos, nanochapas, nanoflores e nanoesferas. Geralmente, alto volume poroso e grandes áreas de superfície beneficiaram a acessibilidade de moléculas reagentes às cascas internas de 2-CuS NCs, levando a atividade eletrocatalítica aprimorada.

Desempenho Eletroquímico de 2-CuS NCs/GCE

Voltametria cíclica (VC) foi realizada para estudar a atividade eletrocatalítica de 2-CuS NCs/GCE para AA. Figura 4a exibe as VC de GCE nu, 1-CuS NCs/GCE e 2-CuS NCs/GCE na ausência e presença de 50 µM AA. Obviamente, GCE nu teve pequena corrente de fundo, enquanto o GCE modificado teve condutividade muito melhor comparado com GCE nu. Após adição de 50 µM AA, resposta de corrente extremamente fraca foi investigada em GCE nu (Arquivo Adicional 1: Figura S3). No entanto, respostas de corrente foram claramente observadas para os outros dois eletrodos. Notavelmente, 2-CuS NCs/GCE exibiu resposta de corrente maior que a de 1-CuS NCs/GCE, revelando maior atividade eletrocatalítica. O par redox ativo de Cu²⁺/Cu³⁺ desempenha papel crucial na oxidação de AA, e o mecanismo catalítico em 2-CuS NCs/GCE é discutido na Fig. 4b. Primeiramente, Cu atingiu alto estado oxidante devido à conversão inicial de Cu²⁺ para Cu³⁺. Então, moléculas de AA enriquecidas na superfície de 2-CuS NCs/GCE foram oxidadas a ácidos desidroascórbicos por Cu³⁺, enquanto Cu³⁺ obteve elétrons de AA e reduziu para estado de valência baixa de Cu²⁺.

Nanogaiolas Dupla-Casca de CuS: Eletrocatálise Aprimorada para Detecção Ultra-Sensível de Ácido Ascórbico
a VCs de 2-CuS NCs/GCE, 1-CuS NCs, e GCE nu a 50 mV s−1. b Mecanismo catalítico da oxidação de AA em 2-CuS NCs/GCE. c Gráfico de Nyquist de 2-CuS NCs/GCE e 1-CuS NCs/GCE. d Resposta i-t para 25-µM AA

Para estudar as vantagens cinéticas, espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) foi registrada. Como mostrado na Fig. 4c, os gráficos de Nyquist consistiram em uma porção semicircular em alta frequência e uma porção linear em baixa frequência. O semicírculo correspondeu à resistência de transferência de elétrons, e a porção linear foi relacionada à resistência de difusão de íons. Obviamente, 2-CuS NCs/GCE mostrou um semicírculo menor que o de 1-CuS NCs/GCE, revelando menor resistência de transferência de elétrons. A menor resistência de transferência de elétrons pode ser atribuída à alta eficiência de coleta de elétrons e taxa de transferência de elétrons elevada fornecida pela estrutura de casca dupla. Notavelmente, a inclinação na região de baixa frequência ao longo do eixo imaginário para 2-CuS NCs/GCE foi subvertical, demonstrando baixa resistência de difusão de íons proveniente da porosidade aprimorada das cascas e cavidades internas.

No Arquivo Adicional 1: Figura S4, o efeito de taxas de varredura nas VCs de 2-CuS NCs/GCE foi registrado. A corrente de pico redox mudou linearmente com raiz quadrada das taxas de varredura (inseto), indicando um processo controlado por difusão na superfície de 2-CuS NCs/GCE. Arquivo Adicional 1: Figura S5a e Figura S5b exibiram a resposta de cronoamperometria (CA) para 1-CuS NCs/GCE e 2-CuS NCs/GCE em 0 mM e 0,5 mM de AA a 0,25 V. Em solução estática de AA, uma grande corrente de difusão foi produzida uma vez que o potencial foi aplicado na CA devido ao alto gradiente de concentração. Então, a corrente de difusão diminuiu gradualmente com a diminuição do gradiente de concentração. Finalmente, uma corrente de difusão estável foi mantida devido à difusão estável de AA da solução para o eletrodo. O coeficiente de difusão (D) de AA pode ser calculado de acordo com a equação de Cottrell:

$$ I\mathrm{cat}=\mathrm{nF}A{D}^{1/2}C0{\pi}^{-1/2}{t}^{-1/2} $$ (3)

onde Icat é a corrente do eletrodo em 0,5 mM AA, n representa o número de elétrons transferidos, F é a constante de Faraday, A é a área do eletrodo, C0 é a concentração do substrato, D é o coeficiente de difusão, e t expressa o tempo decorrido. Arquivo Adicional 1: Figura S5c mostrou os gráficos de Icat vs t−1/2 de acordo com as curvas CA. Assim, o valor de D para 2-CuS NCs/GCE pôde ser calculado como 2,77 × 10−5 cm² s−1, que foi maior que 1-CuS NCs/GCE (4,16 × 10−7 cm² s−1). A constante de taxa catalítica (Kcat) da oxidação de AA pode ser calculada de acordo com a seguinte equação:

$$ {I}_{\mathrm{cat}}/{I}_L={\left(\pi {k}_{\mathrm{cat}}{C}_{0t}\right)}^{1/2} $$ (4)

onde Icat e IL são as correntes de difusão do eletrodo em 0,5 mM e 0 mM AA, respectivamente. C0 é a concentração do substrato, e t é o tempo decorrido. De acordo com Arquivo Adicional 1: Figura S5d, o valor de Kcat foi estimado como 0,08 × 103 M−1 s−1, que foi maior que o de 1-CuS NCs/GCE (0,02 × 103 M−1 s−1). Geralmente, os valores elevados de D e Kcat resultariam em atividades eletrocatalíticas mais altas.

Detecção de AA

Para obter o potencial de trabalho ótimo, curvas i-t em diferentes potenciais são reunidas na Fig. 4d. Obviamente, a resposta de corrente a 0,25 V foi maior que a a 0,2 V, e a relação entre concentração e corrente de resposta a 0,25 V mostrou linearidade melhor que 0,3 V (inseto da Fig. 4d). Além disso, interferência severa à oxidação de AA emergiu facilmente em potenciais mais positivos, então 0,25 V foi selecionado como potencial de trabalho ótimo. Como demonstrado na Fig. 5a, 2-CuS NCs/GCE exibiu resposta amperométrica superior a 1-CuS/GCE. Uma vez que AA foi adicionado ao eletrólito, a corrente de resposta imediatamente atingiu 95% da corrente de estado estacionário dentro de 0,31 s para 2-CuS NCs/GCE e 0,46 s para 1-CuS NCs/GCE (Fig. 5b), sugerindo que 2-CuS NCs/GCE teve resposta mais rápida para AA. Como mostrado na Fig. 5c, a corrente de resposta aumentou linearmente com concentrações de AA entre 5 e 1200 µM, e a equação de regressão foi expressa como I (µA) = 0,037C (µM) + 0,06 (R2 = 0,996). A sensibilidade foi calculada como 523,7 µA mM−1 cm−2, que foi maior que a de 1-CuS/GCE (324,4 µA mM−1 cm−2). Além disso, 2-CuS NCs/GCE apresentou LOD tão baixo quanto 0,15 µM na razão sinal-ruído de 3. O desempenho eletrocatalítico aprimorado de 2-CuS NCs pode ser atribuído ao acoplamento de duas estruturas ocas (Fig. 5d). (1) Maiores áreas de superfície e mais sítios ativos foram adquiridos para melhorar reações redox. Este ponto foi provado por análise BET; (2) maior taxa de ocupação de volume e amplos mesoporos promoveram efetivamente a utilização da estrutura de gaiola de casca dupla; (3) as duas cascas finas de 2-CuS NCs aceleraram a taxa de transferência de elétrons catalíticos, que foi confirmada pela análise EIE acima. Comparado com literaturas previamente relatadas, 2-CuS NCs/GCE exibiu maior desempenho eletroquímico em termos de alta sensibilidade e baixo LOD como mostrado na Tabela 1, demonstrando que 2-CuS NCs era ideal para sensoriamento analítico de AA.

Nanogaiolas Dupla-Casca de CuS: Eletrocatálise Aprimorada para Detecção Ultra-Sensível de Ácido Ascórbico
a Resposta i-t em diferentes potenciais de trabalho. b Resposta i-t de 2-CuS NCs/GCE e 1-CuS NCs/GCE a 0,25 V. c Gráfico de calibração correspondente de b. d Ilustração das vantagens dinâmicas para 2-CuS NCs

Seletividade, Reprodutibilidade e Estabilidade do 2-CuS NCs/GCE

A seletividade, reprodutibilidade e estabilidade também eram de grande importância no sensoriamento eletroquímico de AA. As espécies interferentes comuns foram injetadas durante a medição i-t para avaliar a seletividade. Como mostrado na Fig. 6a, nenhuma corrente de interferência significativa foi observada, indicando ultra-alta seletividade. Além disso, a corrente de resposta para a segunda adição de AA ainda reteve 91% de sua primeira injeção. A atenuação na corrente de resposta seria atribuída à adsorção de espécies interferentes traço ou produtos intermediários no eletrodo. Como representado na Fig. 6b, a corrente de resposta de cinco eletrodos diferentes para 100 µM AA foi registrada, e o desvio padrão relativo (RSD) foi 3,6%, sugerindo boa reprodutibilidade. Em termos de estabilidade a longo prazo, apenas 15% da resposta de corrente foi perdida ao longo de um longo período de 1000 s (Fig. 6c). Como mostrado na Fig. 6d, a corrente de resposta de 2-CuS NCs/GCE ainda reteve 91,2% do valor inicial após 15 dias. Além disso, 2-CuS NCs ainda mantiveram estrutura cúbica após teste (inseto), demonstrando estabilidade notável. A excelente estabilidade poderia ser atribuída à característica altamente porosa de casca dupla, que aliviou a tensão de estrutura associada com expansão de volume durante testes eletroquímicos.

Nanogaiolas Dupla-Casca de CuS: Eletrocatálise Aprimorada para Detecção Ultra-Sensível de Ácido Ascórbico
a CA de 2-CuS NCs/GCE com adição sucessiva de diferentes espécies. b Correntes de resposta de cinco eletrodos 2-CuS NCs para 100-µM AA. c Estabilidade de 2-CuS NCs/GCE com tempo de execução. d Estabilidade a longo prazo de 2-CuS NCs/GCE. Inseto é imagens MEV-CE de 2-CuS NCs/GCE antes e depois da detecção eletroquímica

Conclusões

Em resumo, tivemos sucesso na preparação e aplicação de 2-CuS NCs em sensor eletroquímico enzimático-livre de AA. Estrutura otimizada de gaiola de casca dupla para CuS NCs proporcionou grande área de superfície específica, taxa de ocupação de volume aumentada, canais de difusão suficientes e rotas de transferência de elétrons confinadas, levando a atividade eletrocatalítica proeminente. A estrutura única rendeu 2-CuS NCs/GCE com tempo de resposta curto (0,31 s), alta sensibilidade (523,7 µA mM−1 cm−2), baixo LOD (0,15 µM), seletividade razoável e reprodutibilidade aceitável para AA. No geral, 2-CuS NCs parecem promissores como eletrocatalisadores efetivos para sensoriamento eletroquímico de AA.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Os conjuntos de dados estão disponíveis sem restrição.

Abreviações

1-CuS NCs:
Nanogaiolas de CuS de casca única
2-CuS NCs:
Nanogaiolas de CuS de casca dupla
AA:
Ascórbico
AA:
Ácido L-ascórbico
BET:
Brunauer-Emmett-Teller
CA:
Cronoamperometria
VC:
Voltametria cíclica
DA:
Dopamina
EIE:
Espectroscopia de impedância eletroquímica
MEV-CE:
Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo
Fruc:
Frutose
GCE:
Eletrodo de carbono vítreo
Glu:
Glicose
HRMET:
Microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução
Lac:
Lactose
LOD:
Limite de detecção
PBS:
Solução fosfato
Sat.:
Satélite
UA:
Ácido úrico
XPS:
Espectroscopia de fotoelétrons de raios X
DRX:
Difração de raios X

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