포도당에 대한 구리 나노 입자의 감지 성능을 향상시키는 다공성 탄소 기질

초록

전 세계적으로 당뇨병 발병률이 매우 높아짐에 따라 포도당 농도를 신속하게 측정하기 위한 정확한 센서는 인체 건강에 매우 중요합니다. 본 연구에서는 구리 이온이 함침된 여과지를 고온에서 소성하여 합성된 다공성 탄소 기판(Cu NP@PC)에 수용된 구리 나노입자를 포도당의 전기화학적 감지를 위한 전극 활물질로 설계하였다. 다공성 탄소가 형성되는 동안 구리 나노 입자는 형성된 공극에 자발적으로 수용되어 반으로 덮인 복합재를 구성했습니다. 전기화학적 포도당 산화의 경우, 준비된 Cu NP@PC 합성물은 0.31mA/cm² 의 전류 밀도로 훨씬 우수한 촉매 활성을 나타냅니다. 0.2mM 포도당이 있는 상태에서 0.55V의 전위에서 높은 전기화학적 산화 활성을 기반으로 현재 Cu NP@PC 합성물은 또한 우수한 포도당 감지 성능을 나타냅니다. 감도는 84.5μA/(mmol^. 로 결정됩니다. L) 선형 범위가 0.01 ~ 1.1mM이고 낮은 검출 한계(LOD)가 2.1μmol/L입니다. 이는 비다공성 탄소 담지 구리 나노 입자(Cu NP/C)와 비교하여 향상된 물질 전달 및 구리 나노 입자와 다공성 탄소 기질 사이의 강화된 시너지 효과로 인해 합리적일 수 있습니다.

소개

최근 몇 년 동안 당뇨병은 포도당 농도에 대한 신속하고 정확한 측정을 촉진하면서 전 세계적으로 큰 주목을 받았습니다[1]. 다양한 기술이 개발되었습니다[2]. 손쉬운 조작, 빠른 응답, 높은 감도의 장점으로 인해 전기화학적 방법은 포도당 감지에서 특히 관심을 받고 있으며 전극 활물질은 센서에서 가장 중요합니다[3, 4]. 지금까지 보고된 포도당 반응 활성이 좋은 물질에는 귀금속(금[4], 은[5], 백금[6], 팔라듐[7]), 비귀금속(구리[8], 니켈[9] ), 금속 산화물(산화아연[10], 산화망간[11], 산화니켈[12], 산화철[13]) 및 탄소재료(탄소나노튜브[14], 탄소나노도트[15], 메조포러스 탄소[16] ]) 등. 이러한 재료 중 구리 기반 복합 재료는 저렴한 비용[3], 우수한 전기 전도성[17], 제어된 비표면적의 결과로 포도당에 대한 효율적인 감지 플랫폼을 구성할 수 있는 큰 잠재력을 보여줍니다. 한편, 그래핀[18, 19], 탄소나노섬유[20], 탄소나노튜브[21] 및 메조포러스 탄소[22]와 같은 탄소질 기질과 복합체를 형성함으로써 구리 기반 재료의 전기화학적 성능이 크게 향상될 것으로 보고되고 있다[22]. . 예를 들어, Zhang et al. 레이저 유도 그래핀 복합 재료에 구리 나노 입자를 준비하고 유연한 효소가 없는 포도당 전류 측정 바이오센서를 성공적으로 개발했습니다. 단순성과 높은 감도의 이점으로 인해 센서는 웨어러블 또는 이식 가능한 바이오 센서에 사용될 것으로 예상되었습니다[23]. 아크 방전법을 사용하여 CuO와 단일벽 탄소나노튜브의 복합 재료는 Wang의 그룹에 의해 합성되었습니다. 탄소 나노튜브에 의해 촉진되는 높은 전도성 네트워크는 포도당 감지에서 높은 감도와 좋은 선택성을 이끌어냈습니다[21]. 구리 나노와이어의 우수한 전도성과 2차원 환원그래핀옥사이드(rGO) 층에서의 빠른 전자 전달 때문에 Ju et al. 1625 \(\upmu\)A/(mM·cm² 감도를 나타내는 1차원 구리 나노와이어와 2차원 rGO 나노시트의 합성물을 합성했습니다. ) 및 포도당 검출을 위한 0.2 \(\upmu\)M의 한계 검출 [3]. 구리 기반 재료의 성능 향상이 많이 이루어졌지만 휴대 장치의 실제 응용 프로그램에는 여전히 충분하지 않습니다. 이는 구리 나노 입자에 대한 새로운 템플릿이나 일치 항목을 검색할 필요가 있음을 의미합니다.

특수한 3차원 골격 구조[24]를 통해 다공성 탄소는 금속 활성 중심의 분산을 촉진하는 풍부한 결합 부위를 가질 뿐만 아니라 전자와 반응성 물질의 접근성을 향상시키는 더 큰 비표면적을 제공합니다[25,26 ,27]. 최근에 다공성 탄소는 금속 재료의 전기화학적 감지 활성을 크게 향상시킬 수 있는 유망한 변형 및 기판 재료의 한 유형으로 인식되고 있습니다. 예를 들어, Li et al. Co₇의 합성물 조사 Fe₃ 다공성 탄소 나노시트에 내장된 합금 나노입자(Co₇ Fe₃ /NPC). 결과는 다공성 탄소의 나노 구속 효과로 인해 포도당 검출을 위한 훨씬 넓은 선형 범위(0.001 ~ 14.00mM)를 보여주었습니다[28]. 금속-유기 프레임워크(MOF)를 다공성 탄소 재료를 준비하기 위한 자기 희생 템플릿으로 사용하여 Jia et al. 빠른 응답 시간(1.6초 이내)으로 우수한 포도당 감지 특성을 나타냈습니다[29]. Song et al. Cu MOF를 원료로 하여 구리 나노입자가 균일하게 매립된 다공성 탄소층으로 구성된 복합재(Cu@C-500)를 제작하였다. 계층적 다공성으로 인해 높은 감도와 낮은 검출 한계를 나타내었고 포도당 센서 장치에서 큰 잠재력을 나타냈습니다[30]. 따라서 독특한 구조 및 전자적 효과로 다공성 탄소 재료는 포도당 감지에서 구리 나노 재료의 전기 화학적 성능을 더욱 향상시키는 훌륭한 파트너가 될 것으로 기대됩니다.

여기에서 본 연구에서는 구리 이온이 함침된 값싼 여과지를 고온에서 소성하여 다공성 탄소 기판에 수용된 구리 나노 입자의 복합체를 설계하고 합성하였다. 합성 과정에서 다공성 탄소의 형성과 구리 나노 입자의 수용이 동시에 발생했으며 이는 주사 전자 현미경과 투과 전자 현미경으로 확인할 수 있습니다. 전기화학적 측정의 경우, 결과는 준비된 샘플(Cu NP@PC)이 0.31mA/cm^-2 의 전류 밀도에서 포도당 산화에 대한 높은 전기 촉매 활성을 나타냄을 보여줍니다. Cu NP/C보다 훨씬 우수한 0.2mM 포도당이 있는 상태에서 0.55V의 전위에서. 포도당 감지의 경우 감도는 84.5μA(mmol/L)⁻¹ 로 결정됩니다. 검출 한계는 2.1μmol/L로 계산되어 이전에 보고된 대부분의 물질보다 훨씬 우수합니다. 또한, 본 물질의 우수한 선택성은 간섭 방지 실험에서도 입증되었습니다.

실험

시약

질산구리(Cu(NO₃ )₂ ·3H₂ O, AR), 에탄올(C₂ H₅ OH, 99.8%), 포도당(C₆ H₁₂ O₆ , 96%), 요소(CH₄ N₂ O, AR, 99%), 구연산(C₆ H₈ O₇ , AR, 99.5%), 암모늄 아세테이트(CH₃ 쿤₄ , AR), 염화나트륨(NaCl, AR, 99.5%), 수산화칼륨(KOH, AR, 85%). 위에서 언급한 모든 시약은 알라딘에서 구입했습니다. DuPont에서 얻은 5% D520 Nafion 용액과 Hangzhou Fuyang BEIMU Pulp Co., Ltd.에서 여과지를 구입했습니다. 일본의 Toray 전도성 탄소 종이(TGP-060)에서 탄소 종이를 구입했습니다. 전체 실험에 사용된 물은 전도도가 18.25 MΩ⋅cm인 초순수입니다.

악기

X'Pert PRO MPD 다목적 분말 X선 회절계에서 X선 회절(XRD) 스펙트럼을 얻었습니다. 1000–4000cm 범위의 푸리에 변환 적외선 스펙트럼(FT-IR)⁻¹ IS50 FT-IR 분광계에서 기록되었습니다. 라만 스펙트럼은 532 nm의 파장에서 inVia Qontor(Renishaw, UK) 시스템에서 측정되었습니다. X선 광전자 분광법(XPS) 측정은 120W에서 실행되는 Thermo ESCALAB 250XI 분광계에서 수행되었습니다. 샘플의 형태는 작동 가속 전압이 20kV인 Hitachi S4800 주사 전자 현미경(SEM)으로 특성화되었습니다. Tecnai G2 F20에서 투과전자현미경(TEM) 이미지를 수집했습니다. BET(Brunauer-Emmett-Teller) 측정은 비표면적 물리적 흡착 장치(ASAP2020M)에서 수행되었습니다.

Cu NP@PC와 Cu NP/C의 합성

일반적으로 Cu NP@PC의 합성은 2단계 고온 열분해에 의해 완료되었습니다. 먼저 상용 여과지를 질소 분위기의 관로에서 250℃에서 1시간 동안 전처리하였다. 다음으로 처리된 10mm × 50mm 크기의 담황색 여과지를 농도 0.1M의 청색 투명 질산구리 용액에 담그고 10분 후에 꺼냈다. 상온에서 건조시킨 후 여과지를 깨끗한 도자기 보트에 넣고 질소 보호 하에 관형로에서 180°C, 240°C, 900°C에서 각각 2시간, 2시간, 1시간 연속 처리하였다. . 마지막으로 시스템이 실온으로 냉각되었을 때 Cu NP@PC 생성물을 수집하고 전기화학적 시험 전에 분쇄하였다. 대조 시료의 경우, 질산구리의 농도를 각각 0.2M 및 0M으로 한 것을 제외하고는 동일한 절차를 통해 Cu NP/C 및 순수 탄소의 합성을 수행하였다.

전기화학 측정

이 작업에서 모든 전기화학 테스트는 실온에서 표준 3전극 시스템이 있는 CHI 760E 전기화학 워크스테이션에서 수행되었습니다. 실험 전에 집전체로 사용되는 여러 장의 탄소 종이(5mm × 5mm)를 물, 에탄올로 헹구고 60°C에서 밤새 건조시켰다. 촉매 잉크의 제조를 위해 샘플 10mg(Cu NP@PC, Cu NP/C 또는 순수 탄소 분말)을 에탄올, 물 및 Nafion(5%) 용액과 10:10:1의 특정 비율로 혼합했습니다. 균일한 분산을 형성합니다. 그런 다음 40 μL의 촉매 잉크를 1.6 mg/cm2의 하중으로 깨끗한 카본지에 떨어뜨렸습니다.² , 작동 전극으로 사용되었습니다. Ag/AgCl(포화 KCl) 전극과 흑연 막대를 각각 기준 전극과 상대 전극으로 사용했습니다. 전기화학적 실험을 위해 준비된 포도당 산화에 대한 잠재적 성능을 정성적으로 조사하기 위해 순환 전압전류법과 선형 스위프 전압전류법을 채택했습니다. 준비된 재료의 센싱 성능을 정량적으로 평가하기 위해 크로노암페로메트리를 사용하였다. 전체 과정에서 0.1M KOH 용액이 전해질로 선택되었습니다.

결과 및 토론

Fig. 1a에서 보는 바와 같이 표적물질 합성을 위해 예열처리를 하여 여과지의 색이 연한 노란색으로 변하면서 불안정한 불순물과 수분을 여과지에서 제거하였다. 그런 다음 금속 나노 입자를 지지하기 위해 처리된 여과지를 구리 이온 용액에 침투시켰다. 관형로에서 고온 소성 과정에서 구리 원자와 작은 결정체가 형성되었습니다. 구리 나노 입자의 핵 생성 및 성장 속도는 탄소의 열분해 속도보다 낮기 때문에 이러한 초기 구리 미세 결정은 탄소의 분해 및 증발을 촉매하여 정공을 형성할 수 있다[31]. 마지막으로 갈색-검정색 Cu NP@PC 샘플이 준비되었습니다. 구리 이온의 과도한 농도는 핵 생성 속도를 증가시켜 비다공성 탄소 재료를 형성합니다. 준비된 샘플의 성분을 확인하기 위해 그림 1b와 같이 X선 회절(XRD) 패턴을 수집했습니다. Cu NP@PC 및 Cu NP/C 샘플 모두 구리와 탄소의 회절 피크를 나타냅니다. 43.2°, 50.3° 및 73.9°의 회절각에 위치한 3개의 날카로운 특성 피크는 각각 구리 나노 입자의 (111), (200) 및 (220) 격자 평면에 기인할 수 있습니다(PDF#04-0836) [32, 33]. 중심이 약 25°인 넓은 피크는 흑연화 탄소의 (002) 결정면에 해당하며, 이는 후속 전기화학 반응에서 전자 수송을 촉진합니다[3, 25, 34]. 탄소의 특정 조성을 분석하기 위해 Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 라만 스펙트럼을 수집했습니다. 그림 1c에서 볼 수 있듯이 D-band와 G-band는 1350cm^-1 부근의 피크에 의해 명확하게 결정될 수 있습니다. 및 1600cm⁻¹ , 각각 [35]. 보고된 바와 같이 G 밴드는 sp의 상대적인 움직임으로 인해 발생합니다. ² 탄소 원자, D 밴드는 탄소 고리의 호흡 모드와 연결되어 있습니다[36]. 여기서 계산된 Cu NP@PC의 D/G 밴드비는 0.899로 Cu NP/C의 값과 동일하다. 따라서 두 샘플에서 비정질 탄소와 나노결정질 흑연의 분포는 유사합니다. 이것은 준비된 두 재료의 거의 동일한 구성 요소, 즉 Cu NP@PC와 Cu NP/C가 모두 구리 나노 입자와 탄소 프레임워크로 구성되어 있음을 나타냅니다. 미세 구조 정보를 추가로 밝히기 위해 Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 FTIR 스펙트럼을 조사했습니다. 그림 1d에 나타난 바와 같이 1734 cm^-1 에 위치한 신호를 알 수 있습니다. 및 1628cm⁻¹ Cu NP@PC에서 나타나는데 이는 C=O의 신축진동[39]과 C–O의 신축진동[40]에 기인한다. Cu NP/C와 비교하여 2363cm⁻¹ 의 밴드 Cu NP@PC에서 발생하는 것은 공기 중의 이산화탄소 때문입니다. 3466cm^-1 에서 약간의 흡수 밴드가 관찰되었습니다. Cu NP@PC 및 Cu NP/C로부터 물 분자의 OH 결합 신축 진동에 할당될 수 있습니다[37].

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아 Cu NP@PC 및 Cu NP/C 샘플 준비의 개략도; ㄴ Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 X선 회절(XRD) 패턴; ㄷ Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 라만 스펙트럼; 그리고 d Cu NP@PC 및 Cu NP/C

의 FTIR 스펙트럼

제조된 물질의 형태 및 구조를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(SEM) 실험을 수행하였다. Cu NP@PC 샘플의 경우 그림 2a의 SEM 이미지는 탄소 층 표면에 풍부한 정공이 무작위로 분포하고 구리 나노 입자가 이 정공에 존재함을 보여줍니다. 그림 2b는 거의 모든 구리 나노 입자가 반은 내부에, 반은 외부에 있음을 보여줍니다. 보고된 바와 같이, 전기화학 반응은 일반적으로 전자와 물질 수송을 수반합니다. 따라서 내부의 절반은 탄소 기질과의 전자 전달에 도움이 되는 반면 외부의 절반은 물질과 상호 작용하는 활성 사이트로 작용할 수 있습니다. 이것은 궁극적으로 전기화학 반응의 효율성을 향상시킬 것입니다. 그림 2c에서 다공성 탄소는 발견되지 않았으며 모든 구리 나노 입자는 Cu NP/C 샘플의 탄소 표면에 지지되어 있습니다. 일부 응집은 그림 2d에서도 발생했습니다. 또한, 두 샘플의 구리 나노 입자 크기는 금속 나노 입자 100개 기준으로 각각 0.406 및 0.398 μm였다. 따라서 두 가지 다른 구리 이온 농도에서 성장한 구리 나노 입자의 크기는 크게 다르지 않으며, 이는 구리 이온 농도를 증가시키면 탄소의 형태만 제어할 수 있음을 나타냅니다. 또한, 그림 2e의 TEM 이미지에서 확대된 구리 나노 입자가 이러한 구멍과 유사한 크기를 가지며 부분적으로 캡슐화되어 있음을 다시 확인할 수 있으며, 이는 다시 표적 복합체의 성공적인 형성을 나타냅니다. 준비된 재료의 다공성 특성을 추가로 밝히기 위해 Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 질소 흡착 등온선을 연구했습니다. 그림 2f에 나타난 바와 같이 Cu NP@PC 나노물질의 계산된 BET 표면적은 309.95m² 였다. /g, Cu NP/C보다 훨씬 높습니다. 이는 SEM 및 TEM의 결과와 일치합니다.

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아 , b 다양한 배율에서 Cu NP@PC의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지; ㄷ , d 다양한 배율에서 Cu NP/C의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지; 이 Cu NP@PC의 투과전자현미경(TEM) 이미지; 및 f Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 BET(Brunauer-Emmett-Teller) 표면적 분석

샘플의 전자 구조를 조사하기 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 수행했습니다. 그림 3a와 b는 각각 Cu, C 및 O의 존재를 나타내는 Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 전체 XPS 조사 스펙트럼을 표시합니다. Cu 요소의 경우 그림 3c는 디컨볼루션된 Cu 2를 나타냅니다. 피 Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 XPS 스펙트럼. 두 신호 모두 동일한 피크 위치에서 생성되어 두 샘플의 동일한 구성을 나타냅니다. 952.5 eV 및 932.8 eV에서 두 개의 명백한 피크는 Cu 2p에 기인합니다. _3/2 및 Cu 2p _1/2 금속 구리의 존재를 암시하는 Cu(0) [38]. 953.7 eV 및 934.8 eV에서의 결합 에너지는 Cu 2p에 할당됩니다. _3/2 및 Cu 2p _1/2 Cu(II)[39,40,41]에서. Cu(II)의 존재는 944.2 eV와 941.4 eV의 약한 위성 피크로도 확인할 수 있습니다[10]. Cu(0) 및 Cu(II)에 해당하는 피팅 피크에서 Cu NP@PC 및 Cu NP/C에서 Cu(0)/Cu(II)의 비율은 각각 2.2 및 1.8로 추정됩니다. 이는 Cu NP@PC의 표면 구리 원자가 다공성 탄소층의 캡슐화로 인해 쉽게 산화되지 않는다는 사실로 설명할 수 있습니다. 한편, 더 많은 금속 구리 원자가 포도당 감지에 중요한 역할을 할 수 있습니다. C1s의 경우 그림 3d의 두 샘플의 스펙트럼에서 289eV, 286eV 및 284.8eV에 위치한 3개의 신호는 각각 C=O, C–O, C–C/C–H에 해당하며, 이는 산소 함유 카르복실기와 같은 작용기[42, 43] 및 FTIR의 결과와 일치합니다.

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아 Cu NP@PC의 XPS 조사 스펙트럼; ㄴ Cu NP/C의 XPS 조사 스펙트럼; ㄷ Cu 2p Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 XPS 스펙트럼; 그리고 d Cu NP@PC 및 Cu NP/C

의 C 1 XPS 스펙트럼

다공성 탄소의 장점을 기반으로 Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 포도당에 대한 전기화학적 감지 특성을 0.1M KOH 용액에서 조사했습니다. 구리 나노 입자가 없는 순수한 탄소 물질을 기준 샘플로 사용합니다. 그림 4a에서 볼 수 있듯이 순환 전압 전류 곡선(CV)은 Cu NP/C 및 순수 탄소 샘플과 비교할 때 전해질에 0.2mM 포도당이 존재하는 Cu NP@PC에서 가장 큰 전류 응답을 보여줍니다. 구체적으로, 0.31mA/cm⁻² 의 전류 밀도 이것은 0.55V의 전위에서 얻어졌다. 이것은 준비된 Cu NP@PC가 글루코스 산화를 위한 최상의 촉매임을 나타내며, 이는 다공성 구조를 소유하고 있기 때문에 합리적일 수 있다. 보고된 바와 같이 다공성은 대량 수송을 촉진할 수 있습니다[29]. 여기에서 향상된 질량 수송을 입증하기 위해 포도당 산화에 대한 스캐닝 속도의 영향을 Cu NP@PC 변형 전극에서 조사했습니다. Fig. 4b에서 보는 바와 같이 주사율이 20, 40, 60에서 80 mV/s로 변화함에 따라 전류밀도는 기울기로 증가한다. 그림 4c는 전류 밀도(J _p ) 및 스캔 속도의 제곱근(v ^1/2 ). 선형 관계는 다음과 같이 표현할 수 있습니다. J _p =0.00254 v ^1/2 − 0.00359(상관 계수:R ² =0.995), Cu NP@PC 수정 전극에서 포도당 산화의 확산 제어 과정을 나타냅니다[44]. 또한, 도 4d에서, 전기화학적 임피던스 스펙트럼(EIS)은 Cu NP@PC의 전하 전달 저항이 Cu NP/C의 전하 전달 저항보다 낮다는 것을 나타낸다. 따라서 촉진된 물질 수송과 강화된 전자 전달 과정을 결합하여 Cu NP@PC 개질된 전극에서 포도당의 촉매 산화를 그림 4e에 스케치할 수 있습니다. Cu(II)는 먼저 Cu(III)로 산화되었고, 이후에 전자를 받아 Cu(II)로 환원되었습니다. 이 과정에서 포도당 분자는 전자를 기증하고 글루코노락톤으로 산화됩니다. 재료의 다공성 덕분에 형성된 글루코노락톤은 용액으로 빠르게 이동한 다음 글루콘산으로 가수분해될 수 있습니다[3, 45].

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아 포도당 산화 반응에 대한 Cu NP@PC, Cu NP/C 및 순수 탄소 샘플의 CV 곡선; (0.2mM 포도당, 0.1M KOH, 스캔 속도:100mV/s.) b 다양한 스캔 속도(20, 40, 60, 80 mV/s)에서 0.1 M KOH에서 Cu NP@PC의 CV 곡선; ㄷ 스캔 속도의 제곱근과 관련하여 0.4V에서의 전류 밀도 도표. d Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 전기화학적 임피던스 스펙트럼; 및 e Cu NP@PC에서 포도당 전환 메커니즘 과정의 개략도

우수한 전기화학적 촉매 산화 성능에 따라 Cu NP@PC의 포도당에 대한 잠재적 감지 성능을 조사하였다. 포도당 농도에 대한 Cu NP@PC의 현재 반응을 정성적으로 연구하기 위해 2, 4, 6, 8 및 10mM 농도에서 순환 전압전류법을 수행했습니다. 그림 5a에서 볼 수 있듯이 Cu NP@PC 수정 전극의 전류 밀도는 포도당 농도가 증가함에 따라 점진적으로 증가하여 잠재적인 우수한 감지 성능을 암시합니다. Cu NP@PC의 포도당 감지 특성을 정량적으로 나타내기 위해 크로노암페로메트리(I-t)를 수행하고 0.55V의 전위를 선택했습니다. 도 5b에 도시된 바와 같이, Cu NP@PC-modified 전극으로부터의 전류 밀도는 글루코스 농도가 0.01에서 1.1mM으로 증가함에 따라 단계적으로 증가한다. 그림 5d의 I-t 곡선에서 포도당 농도와 응답 전류 사이의 적합된 보정 곡선은 다음과 같이 표현될 수 있습니다. y =0.3378 x + 0.0077(상관 계수:R ² =0.997). 한편, 감도는 84.5μA(mmol/L)⁻¹ 로 확인되었습니다. . LOD =3σ의 공식에 따르면 /q [46] (σ는 블랭크 응답의 표준편차를 나타내고 q는 선형 회귀 곡선의 기울기를 나타냄), 검출 한계는 2.1μmol/L로 계산되었습니다. 이 두 지수는 그림 6b[47,48,49,50,51,52]에서 볼 수 있듯이 대부분의 이전 보고서보다 훨씬 우수합니다. 비교하자면, Cu NP/C로 수정된 전극의 I-t 곡선의 전류 밀도도 그림 5c와 같이 포도당 농도가 증가함에 따라 기울기 변화를 보여줍니다. 그러나 변화의 크기는 크게 줄어들었다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 포도당 농도와 응답 전류 사이의 피팅 선형 곡선은 다음과 같이 표현되었다:y =0.007 x + 0.0017(상관 계수 R ² =0.998). 감도는 1.75μA(mmol/L)⁻¹ 였습니다. 검출 한계는 10μmol/L로 추정되었습니다. 따라서 Cu NP/C의 결과에 비해 Cu NP@PC 샘플의 센싱 성능도 다공성 탄소 기질에 의해 향상되었습니다.

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아 2, 4, 6, 8 및 10mM의 다양한 농도에서 포도당이 존재하는 0.1M KOH에서 Cu NP@PC의 CV 곡선. 스캔 속도:100mV/s; ㄴ 0.55V(vs Ag/AgCl)에서 0.1M KOH의 포도당 용액을 연속적으로 첨가했을 때 Cu NP@PC의 전류 측정 반응; ㄷ 0.55V(Ag/AgCl 대비)에서 0.1M KOH의 포도당 용액을 연속적으로 첨가했을 때 Cu NP/C의 전류 측정 반응; 그리고 d 포도당 감지를 위한 Cu NP@PC 및 Cu NP/C의 해당 보정 곡선. 오차 막대는 실험을 3회 반복하여 얻은 결과입니다.

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아 0.01mM 포도당 용액, 0.01mM 암모늄 아세테이트(NH₄) 주입 후 Cu NP@PC의 응답 전류 OAc), 0.01mM 염화나트륨(NaCl), 0.01mM 요소(UA), 0.01mM 시트르산(CA), 각각; 그리고 b Cu NP@PC와 이전에 보고된 재료 사이의 LOD 및 감도의 연민

잘 알려진 바와 같이 간섭 방지 능력은 재료의 감지 성능을 평가하는 또 다른 핵심 요소입니다. 이 연구에서 포도당에 대한 Cu NP@PC 수정 전극의 선택성을 조사하기 위해 암모늄 아세테이트(NH₄ OAc), 염화나트륨(NaCl), 요소(UA), 0.01mM 농도의 시트르산(CA)을 선택하여 전해질에 순차적으로 주입하였다[53]. 분명히, 간섭 물질로 인한 전류 밀도 변화는 무시할 수 있습니다. 0.01mM의 포도당을 주입한 경우에만 위의 간섭에 관계없이 전류밀도가 유의하게 증가하였다(Fig. 6a). 또한, 이 제안된 시스템은 소변을 기질로 사용하여 상업용 시험지(추가 파일 1:그림 S3 및 S4)에 필적하는 포도당의 감도 검출을 여전히 달성할 수 있습니다. 따라서 Cu NP@PC 재료는 포도당에 대한 우수한 전기화학적 촉매 산화 및 감지 능력을 가지고 있습니다.

결론

구리 나노 입자와 다공성 탄소 기질로 구성된 복합체는 구리 이온이 함침된 상업용 여과지를 소성하여 설계 및 합성되었습니다. 다공성의 장점으로 제조된 Cu NP@PC는 전기화학적 포도당 산화 및 감지에 대해 우수한 능력을 보였다. 감도는 84.5μAmM⁻¹ 으로 결정되었습니다. 그리고 검출 한계는 2.1μM로 계산되었으며, 이는 대부분의 이전 보고서의 것보다 훨씬 우수합니다. 또한 Cu NP@PC-modified 전극도 포도당에 대한 좋은 선택성을 나타냈다. 따라서 본 연구에서 준비한 합성물은 휴대용 포도당 센서를 구성하는 새로운 후보일 뿐만 아니라 다공성 탄소 재료의 제조에 대한 새로운 생각을 제공할 것이다.

데이터 및 자료의 가용성

이 작업의 데이터와 결론은 모두 이 백서에 나와 있습니다.

약어

LOD:: 감지 한계
rGO:: 환원그래핀옥사이드
MOF:: 금속-유기 프레임워크
XRD:: X선 회절
SEM:: 주사 전자 현미경
TEM:: 투과전자현미경
베팅:: 브루나우어-에밋-텔러
XPS:: X선 광전자 분광법
이력서:: 순환 전압 전류 곡선
I-t:: 크로노암페로메트리
UA:: 요소
캐나다:: 구연산

교차 포인트 어레이 애플리케이션을 위한 내구성이 높은 Ag-Ga2Te3 선택기의 임계값 전환 현장 펄스 레이저 촬영을 통해 MBE 성장 Ga-액적의 손쉬운 크기 재분배 활성화

나노물질