华西李壹&山师孙旭平团队: 非贵金属纳米带阵列实现高效葡萄糖传感

学术   2024-12-19 10:40   英国  

研究背景

葡萄糖对于提供日常活动所需的能量至关重要,由于其高度可变性,血糖水平经常需要在一天中多次测量。因此,开发准确、方便、经济高效的葡萄糖生物传感器是非常必要的。具有高灵敏度、高选择性、价格低廉等特点的电化学葡萄糖传感器受到人们关注,研究人员正在开发利用直接电极电催化的非酶促葡萄糖传感器。
贵金属及其合金因其优异的催化性能被广泛应用于非酶促葡萄糖传感中。然而,它们的稀缺性和高成本限制了它们的广泛使用。镍 (Ni) 作为一种非贵金属,其储量丰富,性价比高。同时,Ni 的高导电能力有助于葡萄糖在电催化过程中的快速电子转移。
尽管如此,由于低催化位点暴露和颗粒团聚,Ni 往往面临快速的活性衰退和较差的稳定性。为了克服这些问题,金属有机框架、纳米碳和金属氧化物等载体被广泛用于分散 Ni 纳米颗粒,增强催化位点暴露。
二氧化钛 (TiO₂) 是一种广泛使用的过渡金属氧化物,由于其具有很高的化学和结构稳定性,被用作活性金属的载体,成为葡萄糖生物传感的理想选择。为了减少复合材料电极传感器的复杂构建过程,我们在钛片 (TP) 上直接构建 Ni@TiO₂ 纳米带阵列,作为自支撑电极在碱性条件下实现对葡萄糖的高效电氧化。

文章简介

近日,四川大学华西医院李壹副教授和四川大学华西医院/山东师范大学孙旭平教授研究团队报道了一种非贵金属自支撑纳米带阵列作为有效的非酶促葡萄糖生物传感电极

要点一


Ni@TiO₂/TP 的制备和物理表征



通过水热反应制备 Na₂Ti₂O₅/TP,随后在硝酸镍溶液中浸泡,使镍离子与钠离子交换;最后在氢氩氛围下管式炉中退火得到 Ni@TiO₂/TP。通过 XRD、SEM、TEM、XPS 等表征技术证实 Ni@TiO₂/TP 被成功合成。
  • 图 1. (a) XRD pattern of Ni@TiO₂/TP. SEM images of (b) TiO₂/TP and (c) Ni@TiO₂/TP. (d) TEM and (e) HRTEM images of Ni@TiO₂. (f) HAADF-STEM and its corresponding mapping images of Ni@TiO₂. High-resolution XPS spectra in the (g) Ni 2p, (h) Ti 2p, and (i) O 1s regions of Ni@TiO₂.

要点二

              


Ni@TiO₂/TP 直接作为自支撑电极,进行电化学测试。在循环伏安法曲线中显示出明显的氧化峰,表明有效的葡萄糖电化学氧化。不同扫描速率的电流响应,其与扫描速率的平方根呈线性关系,说明在 Ni@TiO₂/TP 电极上发生了扩散控制反应。

  • 图 2. (a) CV curves for the Ni@TiO/TP and TiO/TP electrodes in the absence and presence of glucose in 0.1 M NaOH. (b) CV curves of the Ni@TiO/TP electrode in a mixed solution of 0.1 mM glucose and 0.1 M NaOH (20–200 mV s⁻¹). (c) Calibration plots for anodic and cathodic peak current responses versus the square roots of the scan rates for the Ni@TiO/TP electrode. (d) CV curves for the Ni@TiO/TP electrode upon the successive addition of 0.1 M glucose in 0.1 M NaOH.

要点三

              

使用计时电流法确定了 Ni@TiO₂/TP 对不同浓度葡萄糖的响应,线性范围为 1 μM ~ 1 mM,检测限为 0.08 μM (S/N = 3)。此外,实验表明该电化学传感器具有高选择性、重复性、稳定性。

  • 图 3. CA curves for the Ni@TiO/TP electrode with the successive addition of glucose at different potentials (0.45 – 0.55 V). (b) CA curves for the Ni@TiO/TP electrode with the consecutive addition of varying glucose concentration at 0.50 V (inset: current response at trace glucose concentrations). (c) Corresponding standard curves of current response with different concentrations from the CA curve. (d) CA curve for the addition of glucose and various interfering substances. (e) CA curves for multiple bending angles. (f) CA curves after multiple bending cycles at a 90° angle.

要点四

              


采用 Ni@TiO₂/TP 电极检测人血清和细胞培养液中的葡萄糖,评估该电化学葡萄糖传感器的适用性。

  • 图 4. CA curves of the Ni@TiO/TP electrode with the successive addition of 0.1 mM glucose and their corresponding standard curves (a) and (b) in human blood serum samples and (c) and (d) in cell culture fluid.

该成果以 “Ni@TiO₂ nanoribbon array electrode for high-efficiency non-enzymatic glucose biosensing”(《Ni@TiO₂ 纳米带阵列电极用于高效非酶葡萄糖生物传感》) 为题,发表在英国皇家化学会期刊 Journal of Materials Chemistry B 上,并入选为 hot article

论文信息

  • Ni@TiO2 nanoribbon array electrode for high-efficiency non-enzymatic glucose biosensing
    Peilin Wu,‡ Jianying Yang,‡ Yunze Tai, Xun He, Limei Zhang, Jiwen Fan, Yongchao Yao, Binwu Ying, Wenchuang (Walter) Hu, Fengming Luo, Xuping Sun*孙旭平,四川大学华西医院/山东师范大学) and Yi Li*李壹,四川大学华西医院)
    J. Mater. Chem. B, 2024, 12, 8897-8901
    https://doi.org/
    10.1039/D4TB01721H

作者简介

李壹 副教授
四川大学华西医院
本文通讯作者,副教授,硕士研究生导师,四川省学术技术带头人后备人选,四川省海外高层次留学人才,中西医结合学会检验医学流式专委会常委。主要研究方向是临床肿瘤免疫治疗效果的监测。以第一作者以及通讯作者在 Signal Transduct. Target. Ther., Transplantation, Biosens. Bioelectron., Food Chem., ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Mater. Chem. B 等杂志发表 SCI 期刊论文 30 余篇。曾主持国家自然科学基金项目 3 项,四川省重点研发项目 1 项,四川省自然科学青年基金项目 1 项,四川省科技局技术创新研发项目 1 项,参编多部教材以及流式相关的专家共识。






孙旭平 教授
四川大学华西医院/山东师范大学
本文通讯作者,教授,博士生导师,化学和材料科学领域全球高被引科学家,英国皇家化学会会士,iScienceNano Research Energy 副主编。长期致力于纳米功能材料设计、结构调控及催化应用研究,目前主要围绕氮循环电催化、海水电解及纳米催化医学开展研究。学术成就如下:1)建立基于荧光共振能量转移原理的均相核酸检测新体系;2)提出杂原子掺杂荧光碳点水热合成新方法及金属离子荧光检测新技术;3)率先提出保形磷化策略制备过渡金属磷化物纳米结构及三维纳米阵列,解决了无表面活性剂金属磷化物可控制备的世界难题;4)发展过渡金属磷化物高效电解水催化新体系;5)开创无定形纳米阵列电化学保形制备及电催化应用新方向;6)建立高效电化学人工氮循环催化新体系;7)发展抗沉淀海水还原及抗氯腐蚀海水氧化催化体系。已在 Nat. Synth., Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Chem, Adv. Energy Mater., Nano Lett. 等刊物发表研究论文 700 余篇,论文总引 8.3 万次,H 指数 148。

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5-年影响因子*6.1
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