FTO 상에 수직 성장한 메조포러스 NiO 나노페탈 기반 고감도 비효소 포도당 센서

초록

우리는 플루오린 도핑 산화주석(FTO) 유리 위에 수열 합성으로 성장시킨 메조포러스, 잘 정렬된 산화니켈(NiO) 나노페탈(NPs) 기반 비효소 포도당 센서를 보고한다. 구조 분석(XRD, SEM, TEM, AFM, EDX, XPS)은 평균 두께 25-30 nm의 조밀하고 수직으로 정렬된 NP 형태를 확인한다. 115 m² g⁻¹의 BET 표면적과 3.7 nm 기공 크기는 우수한 전기화학적 접근성을 나타낸다. 이 센서는 0.5 V에서 50 μM ~ 1.2 mM 포도당에 대해 선형 응답을 보이며, 감도 3.9 μA μM⁻¹ cm⁻², 검출 한계 1 μM, 응답 시간 1초 미만을 달성한다. 아스코르브산, 요산, 도파민으로부터의 간섭이 거의 없어 신뢰할 수 있는 비효소 포도당 프로브로 활용 가능하다.

배경

당뇨병 관리는 정확하고 실시간 포도당 모니터링에 달려 있다. 기존 효소 센서는 포도당 산화효소(GOx)에 의존하며 수명 제한, 온도·pH·독성 시약에 대한 민감성 문제를 안고 있다. 금속 산화물 기반 비효소 센서는 전극 표면에서 포도당을 직접 산화시켜 이러한 문제를 우회한다. NiO, CuO, TiO₂, ZnO 나노구조는 높은 표면적-부피 비율과 촉매 활성으로 유망한 후보로 부상했다. 나노구조화는 활성 표면적을 더욱 증가시켜 센서 성능을 향상시킨다. 여기서는 최적의 포도당 산화를 위해 설계된 FTO 상 성장 NiO 나노페탈을 제시한다.

실험

질산니켈과 과황산칼륨을 미량의 암모늄 용액과 혼합하여 NiO 나노시트의 정렬을 유도했다. 전구체 용액을 FTO 유리 위에서 150°C, 5시간 수열 처리한 후 세척, 건조, 250°C에서 2시간 어닐링했다. XRD(Rigaku SmartLab, Cu-Kα, λ = 1.54 Å), SEM(Zeiss Supra55), TEM, AFM(Bruker MultiMode 8-HR), EDX(Oxford Instruments), XPS(SPECS)로 구조와 조성을 분석했다. BET 분석(Quantachrome Autosorb iQ)으로 표면적과 기공도를 정량화했다. 전기화학적 측정은 3전극 시스템(Ag/AgCl (1 M KCl) 기준 전극, Pt 와이어 대극, 0.1 M NaOH 전해질)에서 Keithley 2450-EC 워크스테이션으로 수행했다.

결과 및 논의

SEM과 AFM 이미지(그림 1)는 FTO 기판을 균일하게 덮는 조밀하게 패킹된 장미 꽃잎 모양의 NiO 구조를 보여준다. 각 페탈은 25-30 nm 두께로, 미세한 가시 모양 특징이 표면적을 증가시킨다. TEM이 형태를 확인하고, EDX는 기판으로부터의 최소 Sn 함량으로 고순도 NiO를 입증한다. XPS는 Ni-O 결합의 Ni²⁺와 결정질 FCC 구조(XRD 피크 43°, 37°, 63°, 76°, 79°)를 확인한다. BET 측정은 114.936 m² g⁻¹ 표면적과 3.7 nm 중심의 기공 크기 분포를 가진 메조포러스 네트워크를 나타낸다(그림 2).

전기화학 테스트(그림 3)는 NiO-NPs@FTO 전극이 표면 제어됨을 보여준다: 피크 전류가 주사 속도에 선형적으로 비례하여 효율적인 전하 전달을 나타낸다. 0.1 M NaOH에서 순환전압전류법(CV)은 0 V ~ 0.6 V 사이에서 뚜렷한 산화 피크를 보인다. 5 mM 포도당 존재 시 피크 전류가 두 배로 증가하여 포도당 산화를 확인한다. 반응 경로는 NiO가 NiO(OH)를 형성하고, 이것이 포도당을 글루코노락톤으로 산화한 후 글루콘산으로 추가 산화시켜 측정 가능한 전류를 생성한다(감도 3.9 μA μM⁻¹ cm⁻²). 전기화학적 임피던스 분광법(EIS)은 포도당 첨가 시 반원 축소와 저주파 영역에서 더 가파른 선을 보여 센서의 전기화학적 활성을 뒷받침한다.

보정 곡선(그림 4)은 100 μM ~ 1.2 mM 포도당 범위에서 선형성(R² = 0.9948)을 보이며, +0.5 V에서 앰페로메트릭 응답으로 아초 단위 응답과 우수한 반복성을 보인다. 요산, 아스코르브산, 폴산에 대한 선택성 테스트에서 무시할 만한 간섭을 보였으며, 포도당 스파이크 후 전류 감소가 관찰되어 재사용 가능성을 시사한다. 최근 비효소 센서들과 비교 시 NiO-NPs 전극이 우수한 감도와 빠른 응답을 제공한다.

결론

수열 합성으로 FTO 상에 조밀하게 패킹된 NiO 나노페탈을 성장시켜 고감도 비효소 포도당 센서를 구현했다. 1 μM 검출 한계, 1초 미만 응답 시간, 견고한 선택성으로 생의학 진단 및 제약 분석에 적합한 플랫폼이다.

그림