Rationales Design des Ordners

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 10617 (2015) Diesen Artikel zitieren

Es wurde erwartet, dass eindimensionale Nanokomposite aus Metalloxid und Edelmetall aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit und hohen katalytischen Aktivität, die von Edelmetall bzw. Metalloxid geerbt werden, eine überlegene Leistung für den nichtenzymatischen Glukosenachweis bieten. Als Machbarkeitsnachweis haben wir ein Gold- und Kupferoxid-Komposit (Au/CuO) mit einer einzigartigen eindimensionalen Nano-Blumenkohlstruktur synthetisiert. Aufgrund der Art der Synthesemethode war kein Fremdbinder erforderlich, um Au oder CuO an Ort und Stelle zu halten. Nach unserem besten Wissen ist dies der erste Versuch, Metalloxid und Edelmetall in einer bindemittelfreien Art zu kombinieren, um einen nichtenzymatischen Glukosesensor herzustellen. Die Au/CuO-Nanoblumenkohle mit großer elektrochemisch aktiver Oberfläche und großer Elektrolytkontaktfläche würden aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit von Au und der hohen elektrokatalytischen Aktivität von CuO einen breiten linearen Bereich und einen hochempfindlichen Nachweis von Glucose mit guter Stabilität und Reproduzierbarkeit versprechen.

Die genaue Bestimmung des Glukosespiegels im Blut ist für die klinische Diagnostik bei der Diabeteskontrolle unerlässlich1,2,3,4. Traditionell wird die Glukosekonzentration durch ein amperometrisches System überwacht, bei dem Glukose durch hochselektive Glukoseoxidase (GOx), die auf der Elektrodenoberfläche immobilisiert ist, enzymatisch oxidiert und die so erzeugten Elektronen oder das Reaktionsprodukt Wasserstoffperoxid (H2O2) anschließend gemessen werden Bestimmen Sie die Konzentration der Glukose5,6,7,8. Aufgrund der Natur des Enzyms verfügt der GOx-basierte Glukosesensor über eine Selektivität, seine Anwendung ist jedoch aufgrund der inhärenten Nachteile, die mit der Enzymreinigung, -immobilisierung und seinem Schutz vor Denaturierung verbunden sind, immer noch begrenzt. Darüber hinaus verkompliziert der große Abstand zwischen dem tief eingebetteten Flavingruppen-Redoxzentrum (FAD) von GOx und der Elektrodenoberfläche das System und erfordert das Vorhandensein bestimmter Elektronenshuttles in den Proben, was wohl das größte Hindernis darstellt, das die Empfindlichkeit dieser Methode einschränkt9, 10. Zu diesem Zweck hat der nichtenzymatische, direkte elektrokatalytische Nachweis von Glucose in letzter Zeit großes Interesse geweckt, da er einen Sensor ohne Elektronentransfer-Shuttle und damit eine hohe Empfindlichkeit und Wiederholbarkeit verspricht11,12.

Für einen erfolgreichen nichtenzymatischen elektrokatalytischen Nachweis von Glucose sind eine hohe Leitfähigkeit und katalytische Aktivität des Elektrokatalysators erforderlich. Unter allen Kandidatenmaterialien für den Elektrokatalysator beim Glukosenachweis, darunter Edelmetalle13,14,15, Metalloxide16,17,18, Kohlenstoffmaterialien19,20,21, mesoporöse Legierungen22 und Polymere23,24, haben sich Edelmetall- und Metalloxidmaterialien hervorgetan sich. In jüngster Zeit haben verschiedene Nanostrukturen wie Nanostäbe25, Nanodrähte26, Nanoröhren27,28, dendritische29 und mesoporöse Materialien30,31 aufgrund ihrer großen Oberfläche, effizienten Ladungstrennung usw., die für viele Anwendungen von Vorteil sind, große Aufmerksamkeit erhalten. Unter den Synthesemethoden zur Herstellung eindimensionaler Nanostrukturen zeichnet sich die Anodisierung durch ihre Vielseitigkeit, die einstufige, kostengünstige und vor allem nahtlose Verbindung zwischen dem Metallsubstrat und den anodisierten Nanostrukturen aus, die die so hergestellten Nanostrukturen im wahrsten Sinne des Wortes zu einer idealen Elektrode macht hohe Leitfähigkeit32,33,34,35. Im Allgemeinen werden bei einem herkömmlichen elektrochemischen, nichtenzymatischen Sensorprozess die Elektrokatalysatoren in Form von Nanopartikeln hergestellt und dann mit Hilfe bestimmter Polymerbindemittel, die normalerweise isolierend und elektrochemisch inaktiv sind, auf leitfähigen Substraten immobilisiert. Das Vorhandensein der polymeren Bindemittel in den herkömmlichen Systemen erhöht zwangsläufig den Serienwiderstand, blockiert die ansonsten katalytisch aktiven Stellen und behindert die Elektrolytdiffusion, was letztendlich zu einer deutlich verringerten elektrokatalytischen Aktivität und einer schlechten Leistung der Sensoren führt. Aus den oben genannten Gründen können eloxierte eindimensionale Nanostrukturen eine rationale Lösung des Problems in den herkömmlichen Systemen sein.

In dieser Studie schlagen wir vor, eine anodisierte eindimensionale Nanostruktur aus Metalloxid und Edelmetallkomposit für den nichtenzymatischen Glukosenachweis zu verwenden. Der Verbund aus Metalloxid und Edelmetall ist eine kluge Wahl, da er eine gute elektrokatalytische Leistung sowie Leitfähigkeit und hohe katalytische Aktivität bietet, die von Edelmetall bzw. Metalloxid geerbt werden. Als Machbarkeitsnachweis haben wir einen Gold- und Kupferoxid-Verbund (Au/CuO) mit eindimensionaler Nanostruktur synthetisiert. Unter den gewöhnlichen Edelmetallen wies Au äußerst stabile, leitfähige Eigenschaften und eine gute katalytische Aktivität36,37 auf. Darüber hinaus wurden der detaillierte katalytische Mechanismus von Glucose auf Goldsubstrat und eine umsetzbare Strategie zur Verbesserung der Selektivität und Anti-Interferenz-Fähigkeit gut vorgeschlagen und bestimmt Pasta und Cui38,39, die sich als beste Wahl für die Konstruktion eines nichtenzymatischen Sensors erwiesen. Als Metalloxide wurde CuO aufgrund seiner hohen katalytischen Aktivität, seiner geringen Kosten, des Kupferreichtums in der Erdkruste40,41 und, was noch wichtiger ist, der Tatsache ausgewählt, dass eine eindimensionale CuO-Nanodrahtstruktur leicht durch Anodisierung synthetisiert werden konnte42,43. Die Au-Nanopartikel wurden mit einer einfachen Photoreduktionsmethode auf dem eloxierten CuO-Nanodrahtarray dekoriert und nahmen eine einzigartige Nanoblumenkohlstruktur an. Aufgrund der Art der Synthesemethode war kein Fremdbinder erforderlich, um Au oder CuO an Ort und Stelle zu halten. Nach unserem besten Wissen ist dies der erste Versuch, Metalloxid und Edelmetall in einer bindemittelfreien Art zu kombinieren, um einen nichtenzymatischen Glukosesensor herzustellen. Die Au/CuO-Nanoblumenkohle mit großer elektrochemisch aktiver Oberfläche und großer Elektrolytkontaktfläche würden aufgrund ihrer guten elektrischen Leitfähigkeit von Au und der hohen elektrokatalytischen Aktivität von CuO einen breiten linearen Bereich und einen hochempfindlichen Nachweis von Glucose mit guter Stabilität und Reproduzierbarkeit versprechen.

Die Herstellungsverfahren für Au/CuO-Nanoblumenkohl sind in Abb. 1 dargestellt. Zuerst wurde die gereinigte Kupferfolie in einem herkömmlichen Drei-Elektroden-System elektrochemisch anodisiert, um Cu(OH)2-Nanodraht-Arrays zu bilden, und dann 1 Stunde lang bei 180 °C getempert um Cu(OH)2 in CuO umzuwandeln, wobei die Nanodraht-Arrays gut erhalten bleiben. Zweitens wurden die Au-Nanopartikel durch eine direkte photokatalytische Reduktion von HAuCl4 in wässriger Lösung auf den CuO-Nanodrähten abgeschieden und bildeten einzigartige Nanoblumenkohlstrukturen. Zum Vergleich wurden auch Cu(OH)2-, CuO- und Au/Cu(OH)2-Verbundelektroden nach ansonsten demselben Verfahren hergestellt.

Eine schematische Darstellung der Herstellung des Au/CuO-Nanoblumenkohl-Komposits.

Abbildung 2a-d zeigt die Rasterelektronenmikroskopbilder (REM) der Cu(OH)2-Nanodrähte, Au/Cu(OH)2-Nanodrähte, CuO-Nanodrähte bzw. Au/CuO-Nanoblumenkohle. Wie zu sehen ist, bedeckte eine dichte Schicht der Cu(OH)2-Nanodrähte das Cu-Foliensubstrat nach der Anodisierung (Abb. 2a1-a3) und mit den darauf abgeschiedenen Au-Nanopartikeln konnte das Cu(OH)2 die Schicht aufrechterhalten einheitliche Nanodrahtstrukturen (Abb. 2b1-b3). Nach dem Glühen verwandelten sich die bläulichen Cu(OH)2-Nanodrähte in schwarze CuO-Nanodrähte mit etwas rauer Oberfläche (Abb. 2c1-c3). Die Länge der CuO-Nanodrähte betrug etwa 8 bis 10 μm (Ergänzende Abbildung S1). Die energiedispersiven Röntgenspektroskopiespektren (EDS) von Au / CuO liefern Hinweise auf die erfolgreiche Au-Beladung (Ergänzung, Abb. S2). Wie in Abb. 2d1-d3 gezeigt, bedeckte das Au im Gegensatz zum Au/Cu(OH)2-Fall bei Au/CuO die gesamten CuO-Nanodrahtoberflächen vollständig, was darauf zurückzuführen sein kann, dass es sich bei den rauen CuO-Nanodrahtoberflächen um aktives Au handelt Ladestellen. Interessanter ist, dass sich aufgrund der räumlichen Verfügbarkeit auf jeder Nanodrahtspitze Au-Nanoaggregate befanden, die eine einheitliche Nanoblumenkohlstruktur aufwiesen (Ergänzung, Abb. S3). Es ist erwähnenswert, dass der pH-Wert der wässrigen HAuCl4-Lösung einen signifikanten Einfluss auf die Au-Abscheidung hatte und in dieser Arbeit ein optimierter pH-Wert von 6,5 sowohl im Au/Cu(OH)2- als auch im Au/CuO-Fall verwendet wurde. Es wurde festgestellt, dass ein niedrigerer pH-Wert zur Entfernung der Nanodrähte vom Kupferfoliensubstrat führen würde (ergänzende Abbildung S4), während ein höherer pH-Wert dazu führen würde, dass sich kein Au auf den Nanodrähten ablagert (ergänzende Abbildung S5).

REM-Bild.

(a) Cu(OH)2-Nanodrähte, (b) Au/Cu(OH)2-Nanodrähte, (c) CuO-Nanodrähte und (d) Au/CuO-Nanoblumenkohl in verschiedenen Vergrößerungen.

Die Kristallstrukturen der Cu(OH)2-, Au/Cu(OH)2-, CuO- und Au/CuO-Proben wurden charakterisiert und erfolgreich durch Röntgenbeugung (XRD) bestätigt. Wie in Abb. 3 dargestellt, gibt es einen schwachen Beugungspeak bei 43,3° und zwei starke Beugungspeaks bei 50,4° und 74,1°, die vom Kupferfoliensubstrat stammen (JCPDS 04-0836). Für die Cu(OH)2-Probe konnten die auf orthorhombisches Cu(OH)2 (JCPDS 80-0656) indizierten Beugungspeaks eindeutig identifiziert werden. Während die Beugungspeaks bei 35,5°, 38,7°, 61,5° und 66,2° in der CuO-Probe den Ebenen (11-1), (111), (11-3) und (31-1) der CuO-Phase zugeordnet werden können (JCPDS 48-1548), ohne scharfen Peak, der auf andere Verunreinigungen zurückzuführen ist, was auf eine hohe Reinheit des CuO hinweist. Insbesondere weisen sowohl die Au/Cu(OH)2- als auch die Au/CuO-Probe Beugungspeaks bei 38,2°, 44,3°, 64,5° und 77,5° auf, die den (111), (200), (220) zugeordnet werden können. und (311)-Ebenen der Au-Phase (JCPDS 65-2870), wobei die (111)-Ebene von Au deutlich mit der (022)-Ebene von Cu(OH)2 und der (111)-Ebene von CuO überlappt. Die durchschnittlichen Kristallgrößen von Au wurden anhand der Debye-Scherrer-Gleichung aus der (200)-Kristallebene mit 13,8 nm und 12,4 nm für Au/Cu(OH)2 bzw. Au/CuO44 geschätzt.

XRD-Muster.

(a) Cu(OH)2, (b) Au/Cu(OH)2, (c) CuO und (d) Au/CuO.

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS)-Untersuchungsspektren von Au / CuO weisen eindeutig auf Cu-, O- und Au-Elemente hin, ohne dass weitere Verunreinigungen festgestellt wurden (Ergänzende Abbildung S6a, b). Das XPS des Cu 2p-Kernniveaus ist in Abb. 4a dargestellt, wo zwei Peaks bei 934,0 und 954,0 eV gezeigt sind, die der Bindungsenergie von Cu 2p3/2 bzw. Cu 2p1/2 zugeordnet werden können, was auf das Vorhandensein von Cu 2p3/2 bzw. Cu 2p1/2 hinweist Cu2+ auf der Probe45. Darüber hinaus werden auch zwei zusätzliche Shake-up-Satellitenpeaks für Cu 2p3/2 und Cu 2p1/2 bei 941,8 und 961,9 eV auf der Seite höherer Bindungsenergie beobachtet, was auf das Vorhandensein einer ungefüllten Cu 3d9-Schale schließen lässt und somit die Existenz von Cu 3d9 weiter bestätigt Cu2+ auf der Probenoberfläche. Das Kernebenen-XPS von O 1s in Abb. 4b weist zwei Bandenpeaks bei 529,7 und 531,2 eV auf, die auf Sauerstoff im CuO-Gitter und Hydroxyladsorption auf seiner Oberfläche zurückzuführen sind. Das Au 4f-Kernniveau von Au/CuO (Abb. 4c) kann mit zwei Peaks bei einer Bindungsenergie von 84,0 und 87,7 eV versehen werden, was Au 4f7/2 bzw. Au 4f5/2 entspricht, was metallischem Gold zugeschrieben wird Au(0)47.

Hochauflösendes XPS einer Au/CuO-Probe.

(a) Cu 2p, (b) O 1s und (c) Au 4f.

Die elektrochemischen Eigenschaften der Cu(OH)2-, Au/Cu(OH)2-, CuO- und Au/CuO-Proben wurden mit einer Cyclovoltammetrie (CV)-Methode in 1,0 M NaOH-Lösung mit einer Scanrate von 50 mV s-1 untersucht Arbeitsbereich von 1,0 cm2. Wie in Abb. 5a gezeigt, zeigten alle Proben einen Oxidationspeak im Bereich von 0,3 bis 0,5 V, der auf die Umwandlung von Cu(II) in Cu(III) zurückzuführen ist, das nach seiner Bildung als Elektronenübertragungsmedium für dienen kann die Oxidation von Glucose48,49. Unter allen Proben zeigte Au/CuO die höchste anodische Stromdichte und die niedrigsten Oxidationspotentiale, was auf die höchste elektrokatalytische Leistung schließen lässt. Dieses Ergebnis wurde aufgrund der guten Leitfähigkeit der Au-Nanostrukturen und der hohen katalytischen Aktivität der CuO-Nanodrähte erwartet.

Elektrochemischer nichtenzymatischer Nachweis.

(a) Zyklische Voltammogramme von Cu(OH)2, Au/Cu(OH)2, CuO und Au/CuO in 1,0 M NaOH mit einer Scanrate von 50 mV s-1; (b) lineare Sweep-Voltammogramme der Au/CuO-Elektrode in verschiedenen Glucosekonzentrationen mit einer Scanrate von 50 mV s-1 durch Subtrahieren der Leerwertantwort in 1,0 M NaOH; (c) amperometrische Reaktionen der Au/CuO-Elektrode bei sukzessiver Zugabe von Glucose bei 0,35 V vs. Ag/AgCl, der Einschub oben links ist die Kalibrierungskurve der aktuellen Glucosekonzentration und der Einschub unten rechts ist die Kalibrierungskurve bei niedrigen Glucosekonzentrationen .

Eine Reihe von Linear-Sweep-Voltammogrammen (LSV) wurde auf der Au/CuO-Elektrode bei verschiedenen Glukosekonzentrationen aufgezeichnet und in Abb. 5b und in der ergänzenden Abb. S7 dargestellt, wobei die Blindreaktion in NaOH-Lösung abgezogen wurde. Offensichtlich stieg der anodische Strom mit zunehmender Glukosekonzentration an, erreichte seinen Höhepunkt bei 0,35 V vs. Ag/AgCl, bevor er danach abfiel. Daher wurde das Potenzial von 0,35 V vs. Ag/AgCl als Messspannung für nachfolgende amperometrische Tests ausgewählt, um die elektrokatalytische Reaktion zu optimieren und die beste Empfindlichkeit zu erzielen. Eine typische Strom-Zeit-Kurve (It-Kurve) der Au/CuO-Sensorelektrode ist in Abb. 5c dargestellt. Sie zeigt, dass der Au/CuO-Sensor als Reaktion auf die Zugabe von Glucose mit unterschiedlichen Konzentrationen eine ausgezeichnete amperometrische Reaktion mit einer kurzen Reaktionszeit erzeugte . Darüber hinaus wurde eine Kalibrierungskurve aufgezeichnet und im Einschub oben links in Abb. 5c dargestellt, die eine hohe Empfindlichkeit von 708,7 μA mM-1 cm-2 aufwies, und die Kalibrierungskurve in niedriger Konzentration wurde im Einschub unten rechts in Abb. 5c dargestellt .5c, die beide dabei halfen, eine niedrige Nachweisgrenze von 0,3 μM (S/N = 3) und einen breiten linearen Bereich zu demonstrieren. Die It-Kurven der Cu(OH)2-, Au/Cu(OH)2-, CuO- und Au/CuO-Proben wurden aufgezeichnet, um ihre amperometrischen Erfassungseigenschaften (ergänzende Abbildung S8-11) und die entsprechende Empfindlichkeit, den linearen Bereich und die Erkennung zu bestimmen Grenzwerte sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Wie erwartet zeigte der Au/CuO-Sensor aufgrund der rationalen Kombination von Edelmetall und Metalloxid in einem wünschenswerten Nanogerüst eine überlegene Leistung gegenüber anderen.

Die CV-Reaktionen der Au/CuO-Elektrode bei unterschiedlichen Abtastraten wurden untersucht (Abb. 6a), um das Redoxreaktionsmodell zu bestätigen. Wie in Abb. 6b dargestellt, variierten sowohl der anodische als auch der kathodische Spitzenstrom linear mit der potenziellen Abtastrate im Bereich von 5 bis 500 mV s-1, was darauf hindeutet, dass die Redoxreaktion ein oberflächenbegrenzter Prozess ist50,51 und die Glucosemoleküle waren direkt auf der Oberfläche der Verbundelektrode oxidiert und das Elektron direkt ohne andere Mediatoren übertragen.

Elektrochemische Charakterisierung.

(a) Zyklische Voltammogramme, die an der Au/CuO-Nanoblumenkohl-Elektrode in Gegenwart von 1 mM Glucose in 1,0 M NaOH bei verschiedenen Scan-Raten erhalten wurden, (b) die Beziehung zwischen Spitzenstrom und Scan-Rate. (c) Nyquist-Diagramme von Cu(OH)2-, Au/Cu(OH)2-, CuO- und Au/CuO-Proben, die bei Leerlaufpotential entnommen wurden. (d) Anti-Interferenz-Eigenschaft der Au/CuO-Elektrode bei anfänglicher Zugabe von 1,0 mM Glucose und 0,05 mM UA, AA und DA und dann erneut 1,0 mM Gluocse, gefolgt von der Zugabe von 0,02 mM Saccharose, Lactose und Maltose und der letzten Zugabe von 1,0 mM Glucose.

Die Messung elektrochemischer Impedanzspektren (EIS) ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Untersuchung der elektronischen Eigenschaften an der Elektrodenschnittstelle. Die EIS-Messungen wurden durchgeführt, um die Verbesserung der Leitfähigkeit nach der Au-Beladung zu demonstrieren, wobei das Frequenzintervall von 105–0,1 Hz unter Verwendung einer Amplitude von 10 mV beim Leerlaufpotential des Systems abgedeckt wurde. Abb. 6c zeigt Nyquist-Diagramme für die Proben Cu(OH)2, Au/Cu(OH)2, CuO bzw. Au/CuO. Halbkreise in Nyquist-Diagrammen vermitteln Informationen über den Ladungsübertragungsprozess, da die Durchmesser der Halbkreise dem Ladungsübertragungswiderstand einer Probe entsprechen52. Wie in Abb. 6c dargestellt, wies die Au/CuO-Probe den kleinsten halbkreisförmigen Durchmesser auf und bestätigte tatsächlich den beschleunigten Elektronentransfer in Gegenwart der Au-Nanostrukturen, da Au/CuO unter allen Proben den niedrigsten Widerstand aufwies.

Die Anti-Interferenz-Eigenschaft ist ein weiterer wesentlicher Parameter für nichtenzymatische Glukosesensoren, da eine gute Selektivität eine hohe Genauigkeit gewährleistet. Die Selektivität des Au/CuO-Sensors wurde mit verschiedenen potenziell störenden Reagenzien getestet. Wie in Abb. 6d gezeigt, führte die Zugabe von 1,0 mM Glucose zu einem schnellen und signifikanten Stromanstieg, wohingegen eine Zugabe von 0,1 mM Harnsäure (UA), Ascorbinsäure (AA), Dopamin (DA) und 0,05 mM z Saccharide wie Saccharose, Laktose und Maltose verursachten keine beobachtbaren Stromveränderungen. Wenn man bedenkt, dass die Konzentrationen dieser getesteten Störsubstanzen im Plasma wesentlich niedriger sind als die von Glucose53,54, besitzt der Au/CuO-Sensor eine sehr günstige Selektivität für den Glucosenachweis.

Um die Reproduzierbarkeit weiter zu bewerten, wurden fünf Au/CuO-Elektroden bei 0,35 V untersucht, um ihre amperometrische Stromreaktion zu vergleichen. Es wurde eine gute relative Standardabweichung von 1,56 % erreicht, was die gute Reproduzierbarkeit bestätigte. Darüber hinaus wurde auch die Langzeitstabilität der Au/CuO-Elektroden getestet, indem die Stromreaktion intermittierend über einen Zeitraum von 30 Tagen untersucht wurde. Für dieselbe Glukoseprobe wurde eine gute Wiederholbarkeit festgestellt, was darauf hindeutet, dass die Au/CuO-Elektrode recht stabil ist für die Glukosemessung.

Zusammenfassend haben wir die Au/CuO-Nanoblumenkohl-Elektrode für die hochempfindliche nichtenzymatische Glukosemessung erfolgreich synthetisiert und gezeigt, dass das Edelmetall/Metalloxid-Komposit mit bindemittelfreier Verbindung eine hervorragende elektrokatalytische Aktivität und hohe Empfindlichkeit aufweist. Diese Studie ist der bedeutungsvolle erste Schritt bei der Erforschung von Edelmetall-/Metalloxid-Kompositen für die nichtenzymatische Sensorik.

Alle Chemikalien hatten analytische Qualität und wurden ohne weitere Reinigung wie gekauft verwendet. Kupferfolie (Dicke 0,1 mm) wurde von Hebei Jinjia Metal Materials Ltd. Co (VR China) geliefert. HAuCl4, Natriumhydroxid, Glucose, Dopamin, Ascorbinsäure, Harnsäure, Saccharose, Lactose und Maltose wurden von Macklin Inc, Shanghai, China, geliefert. Die Cu-Folie wurde in einer Alkalilösung (3 M NaOH) 30 Minuten lang unter 10 mA cm-2 anodisiert, um Cu(OH)2-Nanodraht zu bilden. Die Temperatur der elektrochemischen Zellen wurde bei allen Experimenten auf 25 °C gehalten. Der anodisierte Nanodraht wurde 1 Stunde lang bei 180 °C getempert, um Cu(OH)2 in CuO umzuwandeln. Die Nanodraht-Arrays wurden zur Au-Abscheidung 30 Minuten lang unter simulierter Sonnenlichtbestrahlung (100 mW cm-2) in HAuCl4-Lösung (pH = 6,0) getaucht.

Die Morphologien der Elektroden wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (REM, FEI, Quanta 600) charakterisiert. Die Kristallstruktur der Proben wurde durch Röntgenbeugung (XRD) (Bruker D8 Discover Diffraktometer, unter Verwendung von Cu-Kα-Strahlung (1,540598 Å)) analysiert. Die chemischen Zusammensetzungen und der Status wurden durch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) mit einem Axis Ultra-Instrument (Kratos Analytical) unter Ultrahochvakuum (<10−8 Torr) und unter Verwendung einer monochromatischen Al Kα-Röntgenquelle analysiert. Der zufällige Kohlenstoff-1-s-Peak wurde auf 284,8 eV kalibriert und als interner Standard verwendet, um etwaige Aufladungseffekte zu kompensieren.

Alle elektrochemischen Messungen, einschließlich zyklischer Voltammetrie, Chronoamperometrie und elektrochemischem Impedanzspektroskop, wurden mit der elektrochemischen Arbeitsstation CHI 660E in einem Drei-Elektroden-System mit Nanodrahtelektroden als Arbeitselektrode (geometrische Fläche in Lösung beträgt 1,0 cm2) und einer Platinfolie als Gegenelektrode durchgeführt und Ag/AgCl mit gesättigter KCl-Lösung als Referenzelektrode.

Zitierweise für diesen Artikel: Li, Z. et al. Rationales Design bindemittelfreier Edelmetall-/Metalloxid-Arrays mit Nanoblumenkohlstruktur für den nichtenzymatischen Glukosenachweis mit breitem linearen Bereich. Wissenschaft. Rep. 5, 10617; doi: 10.1038/srep10617 (2015).

Heller, A. & Feldman, B. Elektrochemische Glukosesensoren und ihre Anwendungen im Diabetesmanagement. Chem. Rev. 108, 2482–2505 (2008).

CAS PubMed Google Scholar

Ronkainen, NJ, Halsall, HB & Heineman, WR Elektrochemische Biosensoren. Chem. Soc. Rev. 39, 1747–1763 (2010).

CAS PubMed Google Scholar

Lang, XY et al. Nanoporöse goldgestützte Kobaltoxid-Mikroelektroden als leistungsstarke elektrochemische Biosensoren. Nat. Komm. 4, 2169 10.1038/ncomms3169 (2013).

Artikel CAS PubMed ADS Google Scholar

Su, J. et al. Persönlicher Glukosesensor für die frühe Krebsdiagnose am Behandlungsort. Chem. Komm. 48, 6909–6911 (2012).

CAS Google Scholar

Wang, J. Elektrochemische Glukose-Biosensoren. Chem. Rev. 108, 814–825 (2008).

CAS PubMed Google Scholar

Kim, DM et al. Elektronentransfermediator für einen Glukosesensor auf NAD-Glukosedehydrogenase-Basis. Anal. Chem. 85, 11643–11649 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Tang, J. et al. Empfindlicher enzymatischer Glukosenachweis durch photoelektrochemische TiO2-Nanodraht-Biosensoren. J. Mater. Chem. A 2, 6153–6157 (2014).

CAS Google Scholar

Si, P. et al. Hierarchisch strukturiertes eindimensionales TiO2 für die Proteinimmobilisierung, direkte Elektrochemie und mediatorfreie Glukoseerkennung. ACS Nano 5, 7617–7626 (2011).

CAS PubMed Google Scholar

Li, J., Li, Y., Zhang, Y. & Wei, G. Hochempfindlicher molekular geprägter elektrochemischer Sensor basierend auf der doppelten Verstärkung durch ein anorganisches Berliner Blau-Katalysatorpolymer und der enzymatischen Wirkung von Glucoseoxidase. Anal. Chem. 84, 1888–1893 (2012).

CAS PubMed Google Scholar

Chen, C. et al. Jüngste Fortschritte bei elektrochemischen Glukose-Biosensoren: ein Rückblick. RSC Adv. 3, 4473–4491 (2013).

CAS Google Scholar

Tian, ​​K., Prestgard, M. & Tiwari, A. Ein Überblick über die jüngsten Fortschritte bei nichtenzymatischen Glukosesensoren. Mater. Wissenschaft. Ing. C 41, 100–118 (2014).

CAS Google Scholar

Guo, C., Huo, H., Han, Anal. Chem. 86, 876–883 (2014).

CAS PubMed Google Scholar

Bai, H., Han, M., Du, Y., Bao, J. & Dai, Z. Einfache Synthese poröser röhrenförmiger Palladium-Nanostrukturen und ihre Anwendung in einem nichtenzymatischen Glukosesensor. Chem. Komm. 46, 1739–1741 (2010).

CAS Google Scholar

Park, S., Chung, TD & Kim, HC Nichtenzymatischer Glukosenachweis mit mesoporösem Platin. Anal. Chem. 75, 3046–3049 (2003).

CAS PubMed Google Scholar

Ni, P. et al. Einfache Synthese von Preußischblau @ Gold-Nanokomposit für den nichtenzymatischen Nachweis von Wasserstoffperoxid. RSC Adv. 3, 15987–15992 (2013).

CAS Google Scholar

Fang, B. et al. Auf Cu-Substrat gewachsene Silberoxid-Nanowände als enzymloser Glukosesensor. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 1, 2829–2834 (2009).

CAS PubMed Google Scholar

Chen, J., Zhang, WD & Ye, JS Nichtenzymatischer elektrochemischer Glukosesensor basierend auf MnO2/MWNTs-Nanokomposit. Elektrochem. Komm. 10, 1268–1271 (2008).

CAS Google Scholar

Wu, Y., Jia, D., He, Y., Miao, Y. & Wu, HL Nano-Nickeloxid-modifizierte nicht-enzymatische Glukosesensoren mit erhöhter Empfindlichkeit durch eine elektrochemische Prozessstrategie bei hohem Potenzial. Biosensor. Bioelektronik. 26, 2948–2952 (2011).

Google Scholar

Zhong, Chem. Komm. 48, 597–599 (2012).

CAS Google Scholar

Zhan, B. et al. Freistehende elektrochemische Elektrode auf Basis von Ni(OH)2/3D-Graphenschaum für den nichtenzymatischen Glukosenachweis. Nanoscale 6, 7424–7429 (2014).

CAS PubMed ADS Google Scholar

Ye, J. et al. Nichtenzymatischer Glukosenachweis mithilfe mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektroden. Elektrochem. Komm. 6, 66–70 (2004).

CAS Google Scholar

Li, C., Wang, H. und Yamauchi, Y. Elektrochemische Abscheidung mesoporöser Pt-Au-Legierungsfilme in wässrigen Tensidlösungen: Auf dem Weg zu einem hochempfindlichen amperometrischen Glukosesensor. Chem. EUR. J. 19, 2242–2246 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Shoji, E. & Freund, MS Potentiometrische Sensoren basierend auf der induktiven Wirkung auf den pKa von Poly(anilin): ein nichtenzymatischer Glukosesensor. Marmelade. Chem. Soc. 123, 3383–3384 (2001).

CAS PubMed Google Scholar

Lu, X. et al. Nanokomposite aus Kupferkoralloidgranulat/Polyanilin/reduziertem Graphenoxid für den nichtenzymatischen Glukosenachweis. Anal. Methoden 6, 4643–4651 (2014).

CAS Google Scholar

Luo, D., Wu, L. & Zhi, J. Herstellung von Bor-dotierten Diamant-Nanostab-Waldelektroden und ihre Anwendung in der nichtenzymatischen amperometrischen Glukose-Biosensorik. ACS Nano 3, 2121–2128 (2009).

CAS PubMed Google Scholar

Zhuang, Z. et al. Ein nicht-enzymatischer Glukosesensor mit verbesserter Empfindlichkeit, der auf einer CuO-Nanodraht-modifizierten Cu-Elektrode basiert. Analyst 133, 126–132 (2008).

CAS PubMed ADS Google Scholar

Zhang, Z., Zhang, L., Hedhili, MN, Zhang, H. & Wang, P. Plasmonische Goldnanokristalle gekoppelt mit photonischen Kristallen nahtlos auf TiO2-Nanoröhren-Photoelektroden für eine effiziente photoelektrochemische Wasserspaltung mit sichtbarem Licht. Nano. Lette. 13, 14–20 (2013).

CAS PubMed ADS Google Scholar

Xu, L., Yang, Q., Liu, X., Liu, J. & Sun, X. Eindimensionale Kupferoxid-Nanoröhren-Arrays: Biosensoren für den Glukosenachweis. RSC Adv. 4, 1449–1455 (2014).

CAS Google Scholar

Li, C. & Yamauchi, Y. Einfache Lösungssynthese von Ag@Pt-Kern-Schale-Nanopartikeln mit dendritischen Pt-Schalen. Physik. Chem. Chem. Physik. 15, 3490–3496 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Li, C., Sato, T. & Yamauchi, Y. Elektrochemische Synthese eindimensionaler mesoporöser Pt-Nanostäbe unter Verwendung der Anordnung von Tensidmizellen auf engstem Raum. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 8050–8053 (2013).

CAS Google Scholar

Yamauchi, Y. Feldinduzierte Ausrichtungskontrolle eindimensionaler Mesokanäle in mesoporösen Materialien. J. Ceram. Soc. Jpn. 121, 831–840 (2013).

CAS Google Scholar

Wang, C., Yin, L., Zhang, L. & Gao, R. Ti/TiO2-Nanoröhren-Array/Ni-Verbundelektroden für die nichtenzymatische amperometrische Glukosemessung. J. Phys. Chem. C 114, 4408–4413 (2010).

CAS Google Scholar

Yuan, S. et al. Gravieren von Kupferfolie zur Herstellung großflächiger, bindemittelfreier, poröser CuO-Arrays für eine Hochleistungsanode einer Natriumionenbatterie. Adv. Mater. 26, 2273–2279 (2014).

CAS PubMed Google Scholar

Zhang, Z. & Wu, H. Mehrband-Lichteinfang im ultravioletten, sichtbaren und nahen Infrarotbereich mit photonischen Materialien auf TiO2-Basis. Chem. Komm. 50, 14179–14182 (2014).

CAS Google Scholar

Zhang, Z., Hossain, MF & Takahashi, T. Selbstorganisierte Hämatit-Nanoröhren-Arrays (α-Fe2O3) für den photoelektrokatalytischen Abbau von Azofarbstoffen unter simulierter Sonneneinstrahlung. Appl. Katal. B: Environ 95, 423–429 (2010).

CAS Google Scholar

Li, Y., Song, YY, Yang, C. & Xia, XH Dynamische Wasserstoffblasen-Templatsynthese von porösem Gold für den nichtenzymatischen elektrochemischen Nachweis von Glucose. Elektrochem. Komm. 9, 981–988 (2007).

CAS Google Scholar

Zhu, H., Lu, Talanta 79, 1446–1453 (2009).

CAS PubMed Google Scholar

Pasta, M., La Mantia, F. & Cui, Y. Mechanismus der elektrochemischen Oxidation von Glucose auf der Goldoberfläche. Elektrochim. Acta. 55, 5561–5568 (2010).

CAS Google Scholar

Pasta, M., La Mantia, F. & Cui, Y. Ein neuer Ansatz zur Glukosemessung an Goldelektroden. Elektrochem. Komm. 12, 1407–1410 (2010).

CAS Google Scholar

Ahmad, R., Vaseem, M., Tripathy, N. & Hahn, YB Breiter linearer, nichtenzymatischer Glucose-Biosensor zur Erkennung von Glukose auf Basis von CuO-Nanopartikeln, die per Tintenstrahl auf Elektroden gedruckt sind. Anal. Chem. 85, 10448–10454 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Sun, S. et al. Einfache wasserunterstützte Synthese von Kupferoxid-Nanourchinen und ihre Anwendung als nichtenzymatischer Glucose-Biosensor. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 5, 4429–4437 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Zhang, Z., Dua, R., Zhang, L., Zhang, H. & Wang, P. Kohlenstoffschichtgeschützte Kupferoxid-Nanodraht-Arrays für eine effiziente Wasserreduktion. ACS Nano 7, 1709–1717 (2013).

CAS PubMed Google Scholar

Zhang, Z. & Wang, P. Hochstabiler Kupferoxidverbund als wirksame Photokathode für die Wasserspaltung über eine einfache elektrochemische Synthesestrategie. J. Mater. Chem. 22, 2456–2464 (2012).

CAS Google Scholar

Zhang, Z., Hossain, MF & Takahashi, T. Photoelektrochemische Wasserspaltung auf hochgradig glatten und geordneten TiO2-Nanoröhren-Arrays zur Wasserstofferzeugung. Int. J Wasserstoffenergie. 35, 8528–8535 (2010).

CAS Google Scholar

Yin, M. et al. Kupferoxid-Nanokristalle. Marmelade. Chem. Soc. 127, 9506–9511 (2005).

CAS PubMed Google Scholar

Dar, MA, Kim, YS, Kim, WB, Sohn, JM & Shin, HS Strukturelle und magnetische Eigenschaften von CuO-Nanonadeln, die durch hydrothermale Methode synthetisiert wurden. Appl. Surfen. Wissenschaft. 254, 7477–7481 (2008).

CAS ADS Google Scholar

Kruse, N. & Chenakin, S. XPS-Charakterisierung von Au/TiO2-Katalysatoren: Bewertung der Bindungsenergie und Bestrahlungseffekte. Appl. Katal. A: Gen 391, 367–376 (2011).

CAS Google Scholar

Jiang, LC & Zhang, WD Ein hochempfindlicher nichtenzymatischer Glukosesensor basierend auf einer mit CuO-Nanopartikeln modifizierten Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Elektrode. Biosens. Bioelektron. 25, 1402–1407 (2010).

CAS PubMed Google Scholar

Zhuang, Z. et al. Ein nicht-enzymatischer Glukosesensor mit verbesserter Empfindlichkeit, der auf einer CuO-Nanodraht-modifizierten Cu-Elektrode basiert. Analyst 133, 126–132 (2008).

CAS PubMed ADS Google Scholar

Bai, YF, Xu, TB, Luong, JHT & Cu, HF Direkter Elektronentransfer der Glucoseoxidase-Bor-dotierten Diamant-Grenzfläche: Eine neue Lösung für ein klassisches Problem. Anal. Chem. 86, 4910–4918 (2014).

CAS PubMed Google Scholar

Zhou, J., Liao, C., Zhang, L., Wang, Q. & Tian, ​​Y. Molekulares Hydrogel-stabilisiertes Enzym mit erleichtertem Elektronentransfer zur Bestimmung von H2O2, das aus lebenden Zellen freigesetzt wird. Anal. Chem. 86, 4395–4401 (2014).

CAS PubMed Google Scholar

Zhang, Z. et al. Herstellung und photoelektrochemische Eigenschaften einer Hybridelektrode aus Polypyrrol, eingekapselt in einer hochgeordneten Titandioxid-Nanoröhrenanordnung. Thin Solid Films 516, 8663–8667 (2008).

CAS ADS Google Scholar

Hrapovic, S. & Luong, JHT Pikoamperometrischer Nachweis von Glukose an ultrakleinen Biosensoren auf Platinbasis: Vorbereitung und Charakterisierung. Anal. Chem. 75, 3308–3315 (2003).

CAS PubMed Google Scholar

Li, LM et al. Ein neuartiger nichtenzymatischer Wasserstoffperoxidsensor auf Basis eines MnO2/Graphenoxid-Nanokomposits. Talanta 82, 1637–1641 (2010).

CAS PubMed Google Scholar

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ZZ dankt der Unterstützung durch das „Yingcai“-Programm der ECNU, dem Shanghai Pujiang Program (14PJ1403400) und der National Natural Science Foundation of China (Nr. 21405046) und H. W dank der Unterstützung durch das New Century Excellent Talent Project des Bildungsministeriums (Nr. 1253-NCET004), Provinz Heilongjiang, VR China.

Fakultät für Chemie und Molekulartechnik, East China Normal University, 500 Dongchuan Road, Shanghai, 200241, China

Zhenzhen Li, Yanmei Xin und Zhonghai Zhang

Provincial Key Laboratory of Oil & Gas Chemical Technology, College of Chemistry & Chemical Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing, 163318, China

Hongjun Wu

Wasserentsalzungs- und Wiederverwendungszentrum, Abteilung für Biologie und Umweltwissenschaften und Ingenieurwesen, King Abdullah University of Science and Technology, Thuwal, Saudi-Arabien

Peng Wang

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ZZ hat die Experimente entworfen. ZL, YX und HW führten Experimente durch und analysierten die Daten. ZL, ZZ und PW verfassten das Manuskript und alle Autoren diskutierten die Ergebnisse und kommentierten das Manuskript.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Li, Z., Xin, Y., Zhang, Z. et al. Rationales Design bindemittelfreier Edelmetall-/Metalloxid-Arrays mit Nanoblumenkohlstruktur für den nichtenzymatischen Glukosenachweis mit breitem linearen Bereich. Sci Rep 5, 10617 (2015). https://doi.org/10.1038/srep10617

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Eingegangen: 15. Januar 2015

Angenommen: 21. April 2015

Veröffentlicht: 12. Juni 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep10617

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