基于CuO/Ag/NiO納米多孔復(fù)合材料的非酶葡萄糖傳感器

據(jù)相關(guān)研究報(bào)道，目前，全世界有超過5.37億人患有糖尿病，并且每年死于這種慢性疾病的人數(shù)超過150萬。因此，為了讓糖尿病患者更好地進(jìn)行疾病的自我管理并過上更健康的生活，開發(fā)能夠快速準(zhǔn)確地監(jiān)測血糖的方法至關(guān)重要。Clark和Updike在20世紀(jì)60年代首次開發(fā)出了酶電極和安培生物傳感器。從那時(shí)起，許多基于葡萄糖氧化酶的傳感器被開發(fā)出來，并在葡萄糖檢測過程中表現(xiàn)出出色的特異性和卓越的靈敏度。然而，基于酶的傳感器顯示出某些缺點(diǎn)，包括可重復(fù)性低、不穩(wěn)定性高、價(jià)格昂貴以及需要復(fù)雜的制造技術(shù)。

此外，酶傳感器的功效還受到濕度、pH值和溫度變化等外部變量的影響。這些缺點(diǎn)限制了基于酶的傳感器的應(yīng)用。與此同時(shí)，非酶葡萄糖傳感器在快速檢測葡萄糖分子以控制糖尿病方面表現(xiàn)出非凡的前景。其中，納米多孔材料在非酶葡萄糖傳感中已顯示出巨大的應(yīng)用前景，多項(xiàng)研究報(bào)告了納米多孔材料在葡萄糖檢測應(yīng)用中具備的高靈敏度、高選擇性和高穩(wěn)定性特質(zhì)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，阿曼佐法爾大學(xué)（Dhofar University）、沙特國王大學(xué)（King Saud University）以及美國林肯大學(xué)（University of Lincoln）的研究人員于Scientific Reports期刊共同發(fā)表了題為“Non-enzymatic glucose sensors composed of trimetallic CuO/Ag/NiO based composite materials”的論文，對用于非酶葡萄糖傳感的CuO、CuO/Ag和CuO/Ag/NiO基納米多孔復(fù)合材料的合成和電化學(xué)表征進(jìn)行了研究。該研究使用過渡金屬及其氧化物作為貴金屬基材料的可行替代品，為葡萄糖傳感器的開發(fā)提供了更具可持續(xù)性和成本效益的解決方案。

圖1 基于CuO/Ag/NiO納米多孔材料的非酶葡萄糖傳感器制備和檢測流程示意圖

首先，研究人員制備了用于葡萄糖傳感的CuO、CuO/Ag和CuO/Ag/NiO納米多孔先進(jìn)復(fù)合材料。接著，研究人員通過粉末X射線衍射（P-XRD）、能量色散X射線（EDX）光譜、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）分析確定了合成材料的晶體結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)。

圖2 （A）CuO、（B）CuO/Ag、（C）CuO/Ag/NiO的SEM圖像；（D）CuO、（E）CuO/Ag和（F）CuO/Ag/NiO的TEM圖像；（G）CuO、（H）CuO/Ag和（I）CuO/Ag/NiO的直徑分布

隨后，研究人員使用循環(huán)伏安法（CV）和微分脈沖伏安法（DPV）技術(shù)探討了制造的電極材料在堿性條件下對葡萄糖電氧化的電催化性能。值得注意的是，CuO/Ag/NiO電極材料作為非酶葡萄糖傳感器，表現(xiàn)出卓越的性能，其線性范圍為0.001 mM ~ 5.50 mM，靈敏度高達(dá)2895.3 μA/mM/cm2，檢測下限為0.1 μM。

圖3 （a）當(dāng)葡萄糖濃度在0.001 mM ~ 5.50 mM范圍內(nèi)時(shí)，CuO/Ag/NiO-玻碳工作電極（GCE）在0.1 M NaOH溶液中以及正0.58 V下的電流分析結(jié)果，其中，插圖為低濃度葡萄糖范圍（0.001 mM ~ 2.95 mM）下電極的電流響應(yīng)曲線；（b）葡萄糖濃度與電流響應(yīng)的關(guān)系散點(diǎn)圖

人體血液中同時(shí)存在多種氧化物質(zhì)。第四代葡萄糖傳感器在檢測干擾物質(zhì)方面存在很大困難，這可能會影響電極對葡萄糖水平的傳感準(zhǔn)確性。D-果糖等生物分子具有與葡萄糖分子非常相似的電活動。此外，尿酸（UA）、多巴胺（DA）和抗壞血酸（AA）等與葡萄糖同時(shí)存在于血清樣本中。

因此，為了測試所開發(fā)的多孔納米材料基葡萄糖傳感器的抗干擾能力，研究人員將檢測溶液中潛在的干擾物質(zhì)與葡萄糖的比例保持在接近1:10，高于生理?xiàng)l件下的近似比例。測試結(jié)果表明，與存在葡萄糖分子時(shí)產(chǎn)生的電流響應(yīng)相比，存在干擾物質(zhì)時(shí)產(chǎn)生的電流響應(yīng)不顯著。此外，即使存在干擾物質(zhì)，葡萄糖產(chǎn)生的電流信號仍然是獨(dú)特且明確的。

圖4 基于CuO/Ag/NiO-GCE電極的葡萄糖傳感器抗干擾能力測試

綜上所述，該研究工作成功合成和表征了基于CuO、CuO/Ag和CuO/Ag/NiO的納米多孔復(fù)合材料，并研究了其電化學(xué)性能，以作為葡萄糖傳感器和其它需要快速電化學(xué)活性的應(yīng)用的潛在候選材料。相關(guān)結(jié)果表明，合成的CuO/Ag/NiO-GCE納米多孔復(fù)合材料顯示出快速的電子轉(zhuǎn)移能力，以及優(yōu)異的葡萄糖定量傳感性能，其線性范圍為0.001 mM ~ 5.50 mM，檢測限為0.1 μM，且靈敏度可高達(dá)2895.3 μA/mM/cm2。

該納米多孔材料卓越的電化學(xué)性能歸因于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特性，包括高表面積、明確的孔結(jié)構(gòu)以及多種金屬成分的存在。這些特性的協(xié)同效應(yīng)導(dǎo)致電催化活性增強(qiáng)，使該材料有望實(shí)現(xiàn)廣泛的電化學(xué)應(yīng)用。此外，該納米多孔復(fù)合材料的合成為開發(fā)具有更優(yōu)性能的先進(jìn)材料開辟了新途徑。該材料的成功合成和該研究獲得的成果為電化學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

審核編輯：劉清