基于CuO/Ag/NiO纳米多孔复合材料的非酶葡萄糖传感器
2023-04-22 17:23:55   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据相关研究报道，目前，全世界有超过5.37亿人患有糖尿病，并且每年死于这种慢性疾病的人数超过150万。因此，为了让糖尿病患者更好地进行疾病的自我管理并过上更健康的生活，开发能够快速准确地监测血糖的方法至关重要。Clark和Updike在20世纪60年代首次开发出了酶电极和安培生物传感器。从那时起，许多基于葡萄糖氧化酶的传感器被开发出来，并在葡萄糖检测过程中表现出出色的特异性和卓越的灵敏度。然而，基于酶的传感器显示出某些缺点，包括可重复性低、不稳定性高、价格昂贵以及需要复杂的制造技术。此外，酶传感器的功效还受到湿度、pH值和温度变化等外部变量的影响。这些缺点限制了基于酶的传感器的应用。与此同时，非酶葡萄糖传感器在快速检测葡萄糖分子以控制糖尿病方面表现出非凡的前景。其中，纳米多孔材料在非酶葡萄糖传感中已显示出巨大的应用前景，多项研究报告了纳米多孔材料在葡萄糖检测应用中具备的高灵敏度、高选择性和高稳定性特质。

据麦姆斯咨询报道，近期，阿曼佐法尔大学（Dhofar University）、沙特国王大学（King Saud University）以及美国林肯大学（University of Lincoln）的研究人员于Scientific Reports期刊共同发表了题为“Non-enzymatic glucose sensors composed of trimetallic CuO/Ag/NiO based composite materials”的论文，对用于非酶葡萄糖传感的CuO、CuO/Ag和CuO/Ag/NiO基纳米多孔复合材料的合成和电化学表征进行了研究。该研究使用过渡金属及其氧化物作为贵金属基材料的可行替代品，为葡萄糖传感器的开发提供了更具可持续性和成本效益的解决方案。

图1 基于CuO/Ag/NiO纳米多孔材料的非酶葡萄糖传感器制备和检测流程示意图

首先，研究人员制备了用于葡萄糖传感的CuO、CuO/Ag和CuO/Ag/NiO纳米多孔先进复合材料。接着，研究人员通过粉末X射线衍射（P-XRD）、能量色散X射线（EDX）光谱、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）分析确定了合成材料的晶体结构和表面形态。

图2 （A）CuO、（B）CuO/Ag、（C）CuO/Ag/NiO的SEM图像；（D）CuO、（E）CuO/Ag和（F）CuO/Ag/NiO的TEM图像；（G）CuO、（H）CuO/Ag和（I）CuO/Ag/NiO的直径分布

随后，研究人员使用循环伏安法（CV）和微分脉冲伏安法（DPV）技术探讨了制造的电极材料在碱性条件下对葡萄糖电氧化的电催化性能。值得注意的是，CuO/Ag/NiO电极材料作为非酶葡萄糖传感器，表现出卓越的性能，其线性范围为0.001 mM ~ 5.50 mM，灵敏度高达2895.3 μA/mM/cm²，检测下限为0.1 μM。

图3 （a）当葡萄糖浓度在0.001 mM ~ 5.50 mM范围内时，CuO/Ag/NiO-玻碳工作电极（GCE）在0.1 M NaOH溶液中以及正0.58 V下的电流分析结果，其中，插图为低浓度葡萄糖范围（0.001 mM ~ 2.95 mM）下电极的电流响应曲线；（b）葡萄糖浓度与电流响应的关系散点图

人体血液中同时存在多种氧化物质。第四代葡萄糖传感器在检测干扰物质方面存在很大困难，这可能会影响电极对葡萄糖水平的传感准确性。D-果糖等生物分子具有与葡萄糖分子非常相似的电活动。此外，尿酸（UA）、多巴胺（DA）和抗坏血酸（AA）等与葡萄糖同时存在于血清样本中。因此，为了测试所开发的多孔纳米材料基葡萄糖传感器的抗干扰能力，研究人员将检测溶液中潜在的干扰物质与葡萄糖的比例保持在接近1:10，高于生理条件下的近似比例。测试结果表明，与存在葡萄糖分子时产生的电流响应相比，存在干扰物质时产生的电流响应不显著。此外，即使存在干扰物质，葡萄糖产生的电流信号仍然是独特且明确的。

图4 基于CuO/Ag/NiO-GCE电极的葡萄糖传感器抗干扰能力测试

综上所述，该研究工作成功合成和表征了基于CuO、CuO/Ag和CuO/Ag/NiO的纳米多孔复合材料，并研究了其电化学性能，以作为葡萄糖传感器和其它需要快速电化学活性的应用的潜在候选材料。相关结果表明，合成的CuO/Ag/NiO-GCE纳米多孔复合材料显示出快速的电子转移能力，以及优异的葡萄糖定量传感性能，其线性范围为0.001 mM ~ 5.50 mM，检测限为0.1 μM，且灵敏度可高达2895.3 μA/mM/cm²。该纳米多孔材料卓越的电化学性能归因于其独特的结构和形态特性，包括高表面积、明确的孔结构以及多种金属成分的存在。这些特性的协同效应导致电催化活性增强，使该材料有望实现广泛的电化学应用。此外，该纳米多孔复合材料的合成为开发具有更优性能的先进材料开辟了新途径。该材料的成功合成和该研究获得的成果为电化学领域的进一步研究和发展提供了坚实的基础。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-32719-w

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