A novel nanobiosensor based on nickel(II) oxide/graphene oxide/purpald nanocomposite for non-enzymatic glucose determination

Subject Areas : Applications of Nanostructures

Mojtaba Ghorbani ¹ , Aliakbar Tarlani ^{2 *} , Saeed Taghvaei Ganjali ³ , Mersedeh Malekzadeh ⁴

1 - Department of Chemistry, Chemistry & Chemical Engineering Research Center of Iran (CCERCI), Tehran, Iran.
2 - Department of Chemistry, Islamic Azad University, North Tehran Branch, Postal Code: 1913674711, Tehran, Iran.
3 - Department of Chemistry, Chemistry & Chemical Engineering Research Center of Iran (CCERCI), Tehran, Iran.
4 - Department of Chemistry, Chemistry & Chemical Engineering Research Center of Iran (CCERCI), Tehran, Iran.

Received: 2025-03-01 Accepted : 2025-05-12 Published : 2025-06-09

Keywords: Cyclic voltammetry, Hydrothermal, Nanostructure. ,

Abstract :

Diabetes is one of the leading causes of death and disability in the world. Non-enzymatic glucose measurement has a significant impact on diabetes control. Diagnosis and management of diabetes requires accurate control of blood glucose levels. In a new approach, nickel(II) oxide nanostructures were synthesized by solvothermal method with the help of bifunctional amino acid lysine and urea additive. Then, nickel(II) oxide nanostructures were loaded on graphene oxide functionalized with Purpald. The above nanocomposite was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and scanning electron microscopy. In order to construct a new nanobiosensor for glucose detection without the need for glucose oxidase, the prepared nanostructure was placed on a glassy carbon electrode. The sensitivity of the designed nanobiosensor for glucose detrermination was 1.7 μA/cm² mM at a concentration of 10 mM. Meanwhile, the fabricated glucose sensor showed no interference with dopamine, fructose, and ascorbic acid.

References:


[1] Siangproh W, Dungchai W, Rattanarat P, Chailapakul O. Nanoparticle-based electrochemical detection in conventional and miniaturized systems and their bioanalytical applications: A review. Analytica Chimica Acta. 2011;690(1):10-25.
[2] Rahman MM, Ahammad A, Jin J-H, Ahn SJ, Lee J-J. A comprehensive review of glucose biosensors based on nanostructured metal-oxides. Sensors. 2010;10(5):4855-86.
[3] Clark LC, Lyons C. Electrode systems for continuous monitoring in cardiovascular surgery. Annals of the New York Academy of sciences. 1962;102(1):29-45.
[4] Siqueira Jr JR, Caseli L, Crespilho FN, Zucolotto V, Oliveira Jr ON. Immobilization of biomolecules on nanostructured films for biosensing. Biosensors and Bioelectronics. 2010;25(6):1254-63.
[5] Park S, Boo H, Chung TD. Electrochemical non-enzymatic glucose sensors. Analytica chimica acta. 2006;556(1):46-57.
[6] Tang J, Tang D. Non-enzymatic electrochemical immunoassay using noble metal nanoparticles: a review. Microchimica Acta. 2015;182:2077-89.
[7] Wang L, Zheng Y, Lu X, Li Z, Sun L, Song Y. Dendritic copper-cobalt nanostructures/reduced graphene oxide-chitosan modified glassy carbon electrode for glucose sensing. Sensors and Actuators B: Chemical. 2014;195:1-7.
[8] Yu H, Jian X, Jin J, Zheng X-c, Liu R-t, Qi G-c. Nonenzymatic sensing of glucose using a carbon ceramic electrode modified with a composite film made from copper oxide, overoxidized polypyrrole and multi-walled carbon nanotubes. Microchimica Acta. 2015;182:157-65.
[9] Zhu X, Jiao Q, Zhang C, Zuo X, Xiao X, Liang Y, et al. Amperometric nonenzymatic determination of glucose based on a glassy carbon electrode modified with nickel (II) oxides and graphene. Microchimica Acta. 2013;180:477-83.
[10] Chen H, Li CL, Li N, Xiang KX, Hu ZL. Facile synthesis of CuO–NiO nanocomposites with high surface areas and their application for lithium‐ion batteries. Micro & Nano Letters. 2013;8(9):544-8.
[11] Ambrosi A, Chua CK, Bonanni A, Pumera M. Electrochemistry of graphene and related materials. Chemical reviews. 2014;114(14):7150-88.
[12] Yavari F, Koratkar N. Graphene-based chemical sensors. The journal of physical chemistry letters. 2012;3(13):1746-53.
[13] Hu Z, Chen Y, Chen H. Comparative study on the formation mechanism of graphene oxide-derived carbon/Pd composites. Micro & Nano Letters. 2011;6(8):709-12.
[14] Hung S-C, Chen C-C, Lin Y-C, Lin C-W. Non-Enzymatic Glucose Sensor Fabricated By Ni-Nanowires Decorated Graphene Gated FETs. ECS Transactions. 2023;111(3):55.
[15] Mustafa A, Alsafari IA, Somaily H, Yousaf S, Din MI, Rahman J, et al. Fabrication, characterization of NiO–Co3O4/rGO based nanohybrid and application in the development of non-enzymatic glucose sensor. Physica B: Condensed Matter. 2023;648:414404.
[16] Yang H, Hu Y, Yin X, Huang J, Qiao C, Hu Z, et al. A disposable and sensitive non-enzymatic glucose sensor based on a 3D-Mn-doped NiO nanoflower-modified flexible electrode. Analyst. 2023;148(1):153-62.
[17] Akter R, Saha P, Shah SS, Shaikh MN, Aziz MA, Ahammad AS. Nanostructured Nickel‐based Non‐enzymatic Electrochemical Glucose Sensors. Chemistry–An Asian Journal. 2022;17(23):e202200897.
[18] Xu X, Tan R, Lv X, Geng C, Li Y, Cui B, et al. Non-enzymatic electrochemical detection of glucose using Ni–Cu bimetallic alloy nanoparticles loaded on reduced graphene oxide through a one-step synthesis strategy. Analytical Methods. 2021;13(46):5628-37.
[19] Hummers Jr WS, Offeman RE. Preparation of graphitic oxide. Journal of the american chemical society. 1958;80(6):1339-.
[20] Ghorbani M, Tarlani A, Taghvaei‐Ganjali S, Malekzade M. Nanostructures Originated from Grafting Amino Group Containing Biomolecules on Graphene Oxide. ChemistrySelect. 2024;9(16):e202304045.
[21] Yang J, Liu C, Gao L, Wang J, Xu Y, He R. Novel composite membranes of triazole modified graphene oxide and polybenzimidazole for high temperature polymer electrolyte membrane fuel cell applications. RSC advances. 2015;5(122):101049-54.
[22] Tarlani A, Fallah M, Lotfi B, Khazraei A, Golsanamlou S, Muzart J, et al. New ZnO nanostructures as non-enzymatic glucose biosensors. Biosensors and Bioelectronics. 2015;67:601-7.
[23] Khazraei A, Tarlani A, Eslami-Moghadam M, Muzart J. New Bi2MoO6 nano-shapes toward ultrasensitive enzymeless glucose tracing: Synergetic effect of the Bi-Mo association. Talanta. 2021;221:121560.

Full-Text:



 

 

 

نانو زیست حسگر جدید بر پایه نانوکامپوزیت نیکل(II) اکسید/گرافن اکسید/پورپالد جهت اندازه گیری غیر آنزیمی گلوکز

مجتبی قربانی1، علی اکبر طرلانی*2، سعید تقوایی گنجعلی*1، مرسده ملک زاده 1

1 دانشکده شیمی، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2 پژوهشگاه شیمی و مهندسی شیمی ایران، تهران، ایران.

 

[e-mail], [e-mail]

 

 

1- مقدمه 

https://doi.org/10.71508/crn.2024.140312111200844

دیابت یک مشکل بهداشت عمومی در سراسر جهان است و یکی از علل اصلی مرگ و میر و ناتوانی در جهان است. تشخیص و مدیریت دیابت نیاز به نظارت دقیق بر سطح گلوکز خون دارد[2,1]. از زمانی که برای اولین بار در سال 1962 حسگرهای گلوکز توسعه یافتند[3]، رویکردهای مختلفی در عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفتند. به طور کلی حسگرهای گلوکز به دلیل گزینش پذیری و حساسیت بالا بر پایه گلوکز اکسیداز ساخته شده اند. با این حال، اشکالات اجتناب‌ناپذیری مانند ناپایداری‌های شیمیایی و حرارتی ناشی از ماهیت ذاتی آنزیم‌ها و همچنین روش‌های ساخت  پرزحمت ممکن است کاربردهای تجزیه ای آن‌ها را محدود کند[4]. تلاش های زیادی برای تعیین مستقیم گلوکز با حسگرهای غیر آنزیمی انجام شده است تا از معایب حسگرهای آنزیمی جلوگیری شود. ساخت و ذخیره‌سازی حسگرهای غیرآنزیمی ساده است زیرا هیچ اتصال/تخریب آنزیمی در آنها وجود ندارد و حسگرها ممکن است تحمل بهتری نسبت به دما، pH و حضور مواد شیمیایی سمی داشته باشند[5]. مطالعات قبلی بر روی استفاده از فلزات نجیب و همچنین الکترودهای آلیاژی آنها به عنوان حسگرهای غیر آنزیمی گلوکز متمرکز شده‌اند[6]. از آنجایی که استفاده از این فلزات بسیار پرهزینه است، تحقیقات قابل توجهی بر روی استفاده از مواد اکسید فلزی مقرون به صرفه تر مانند نیکل اکسید، مس اکسید و کبالت اکسید متمرکز شده است[11-7]. به دلیل مساحت سطح بالا، زیست سازگاری خوب، هزینه نسبتا کم و فعالیت کاتالیزگری بالا، NiO و CuO می­توانند عوامل اصلاح کننده ایده آل برای اندازه گیری غیر آنزیمی گلوکز باشند. به تازگی، گرافن و مواد مشتق از آن برای طراحی حسگرهایی الکتروشیمیایی با عملکرد بالاتر استفاده شده اند[13-11]. توسعه نانو زیست حسگرها برای اندازه گیری گلوکز با استفاده از نانو کامپوزیت های جدید نیکل اکسید و گرافن اکسید نتایج امیدوارکننده ای را نشان داده است[17-14]. این نانوکامپوزیت ها حساسیت عالی، حد تشخیص کم، محدوده خطی گسترده و گزینش پذیری خوبی برای تشخیص گلوکز از خود نشان داده اند[18]. به عنوان مثال، نانوهیبرید NiO-Co3O4/rGO پاسخی خطی از 4-10× 23/1 تا 10 میلی‌مولار با حد تشخیص13/0 میکرومولار نشان داده است. به طور مشابه، نانوذرات آلیاژ دو فلزی  Ni-Cuکه بر روی گرافن اکسید کاهش یافته قرار گرفته است، محدوده خطی گسترده‌ای از 01/0 میکرومولار تا ۳۰ میکرومولار با حد تشخیص 005/0 میکرومولار نشان داده است. این پیشرفت ها در نانو زیست حسگرها پتانسیل قابل توجهی برای تعیین دقیق و کارآمد گلوکز دارند. این تحقیق شامل سنتز سولووترمال نانوساختار مس(II) اکسید با استفاده از افزودنی‌های جدید است. این نانوساختار پس از این برای شناسایی مولکول زیستی گلوکز با استفاده از روش غیر آنزیمی استفاده می‌شود. در این تحقیق از یک الکترود کربن شیشه­ای(GCE) مقرون به صرفه و ساده استفاده می شود که با استفاده از گرافن اکسید پیوند شده با پورپالد تقویت شده است. شکل 1 ساختارهای شیمیایی  گرافن اکسید(الف)، پورپالد(ب) و کامپوزیت گرافن اکسید/پورپالد(ج) را نشان می‌دهد. همچنین در این شکل راهکار مورد استفاده برای سنتز نیکل اکسید آورده شده است(1 د).

۲- بخش تجربی

1-2- مواد و دستگاه ها

پودر گرافیت با قطر کمتر از 70 میکرومتر از شرکت شیمی پژوهش آسیا تهیه شد. نیکل(II) نیترات هگزا هیدرات، لیزین،

 

(د)

 

شکل 1. ساختارهای شیمیایی (الف) گرافن اکسید، (ب) پورپالد و (ج) کامپوزیت گرافن اکسید/پورپالد و (د) راهکار سنتز نانوساختار نیکل(II) اکسید به روش هیدروترمال با کمک اسید آمینه دو عاملی لیزین و افزودنی اوره.

اوره، پتاسیم هیدروکسید و اتانول از شرکت شیمیایی مرک خریداری و پورپالد (4-آمینو-3-هیدرازینو-5-مرکاپتو-1،2،4-تریازول) از سیگما آلدریچ خریداری شد.

طیف‌های FT-IR گرافن اکسید و کامپوزیت آن با استفاده از طیف‌سنج مادون قرمز تبدیل فوریه، Spectrum 65 (PERKIN-ELMER)  به دست آمد  .طیف‌ها در محدوده عدد موجی cm-1 4000-400 با وضوح  cm-14 به دست آمدند. 

حالت‌های شیمیایی گرافن اکسید اصلاح‌شده با استفاده از طیف‌سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS)با استفاده از یک منبع اشعه ایکس آند AL تجزیه و تحلیل شدند. اندازه‌گیری‌ها در فشار خلاء 10-10 میلی‌بار با استفاده از طیف‌سنج BesTec انجام شد. پیک‌های حاصل در طیف‌های XPS با استفاده از یک تابع گوسین تجزیه و تحلیل شدند. ریخت‌شناسی نمونه‌ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)ساخت شرکت SERON TECHNOLOGY  (مدلAIS2100، کره جنوبی) بررسی شد. آنالیز الکتروشیمیایی با استفاده از یک پتانسیواستات/گالوانواستاتμAutolab  نوع III متراهم  انجام شد. 

2-2- سنتز گرافن اکسید 

ابتدا یک ظرف شیشه ای در یک حمام سرد قرار می گیرد. در مرحله اول این مرحله آزمایشی، حفظ دمای زیر 10 درجه سانتیگراد با قرار دادن دماسنج در حمام بسیار مهم است. 46 میلی لیتر اسید سولفوریک با غلظت 98 درصد به همراه 2 گرم گرافیت خالص به ظرف اضافه شد. سپس محتویات ظرف به مدت 15 دقیقه هم­زده شد. در حالی که محلول فوق به مدت 5/1 ساعت به شدت هم­زده می شد، مقدار 6 گرم پودر پتاسیم پرمنگنات به آرامی به مخلوط اضافه شد. پس از اتمام مرحله اختلاط، هم زدن به مدت نیم ساعت اضافی ادامه یافت. سپس دمای حمام به 35 درجه سانتیگراد افزایش یافت. پس از رسیدن به دمای پایدار، فرآیند اختلاط برای یک ساعت دیگر ادامه یافت. برای رقیق‌سازی، 400 میلی‌لیتر آب مقطر به ظرف اضافه شده و سپس مخلوط به مدت 30 دقیقه به‌طور مداوم هم‌زده شد. حفظ دمای حمام زیر 40 درجه سانتیگراد در این نقطه بسیار مهم است. پس از افزودن آب مقطر به مخلوط، 20 میلی لیتر هیدروژن پراکسید با غلظت 30 درصد به آرامی به ظرف اضافه شد. عملیات اختلاط به مدت نیم ساعت ادامه یافت. در طول این مرحله خاص، محلول یک انتقال کوتاه را تجربه می کند که منجر به تغییر رنگ به زرد روشن می شود. پس از آن، مخلوط تحت یک روش شستشو شامل محلول اسید هیدروکلریک 1 مولار و سپس شستشوی بیشتر با آب مقطر قرار گرفت. هدف از این فرآیند حذف یون­ها و افزایش مقدار pH بود[20, 19].

2-3- سنتز گرافن اکسید عامل دار شده با پورپالد(PUR-g-GO)

افزودن 100 میلی گرم گرافن اکسید به 200 میلی لیتر آب بدون یون در یک بالن 500 میلی لیتری ته گرد منجر به پراکندگی یکنواخت شد. سپس محلولی حاوی 200 میلی گرم پورپالد و 200 میلی گرم پتاسیم هیدروکسید اضافه شده و مخلوط به مدت 1 ساعت در معرض امواج فراصوت قرار گرفت. پس از آن، مخلوط به یک حمام روغن منتقل شده و در دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 24 ساعت با هم­زدن مداوم تا زمانی که یک محلول سیاه همگن به دست آمد، در معرض رفلاکس قرار گرفت. محلول با استفاده از نانوصافی صاف شده، سپس با محلول اسید هیدروکلریک 1 مولار و آب مقطر شستشو داده شد. رسوب جمع آوری شده با احتیاط در یک بشر ریخته شده و سپس در یک خشک کن مجهز به دریچه خلاء در دمای محیط ثابت قرار داده شد[21, 20].

2-4- سنتز نیکل اکسید

در ابتدا 02/1 گرم اوره و 29/0 گرم لیزین به بشر اضافه شد. سپس محلول 40 میلی لیتری متشکل از مقادیر مساوی آب و اتانول به بشر اضافه شد و به خوبی هم زده شد. مقدار 86/1 گرم نیکل(II) نیترات به بشر دیگری اضافه شده و سپس 40 میلی لیتر محلول متشکل از مقادیر مساوی آب و اتانول اضافه و هم­زده شد. محتویات دو بشر در یک بشر 200 میلی لیتری ترکیب شده و با استفاده از هم­زن مغناطیسی به مدت 15 دقیقه هم­زده شد. محلول به دست آمده با استفاده از اتوکلاو تفلونی به مدت 18 ساعت در دمای 150 درجه سانتیگراد تحت یک فرآیند حرارت دهی قرار گرفت. سپس، محصول به دست آمده خنک و pH آن در عدد 9 تنظیم شد. سوسپانسیون سپس صاف شده و در دمای 50 درجه سانتیگراد در آون خشک شد. برای دستیابی به اندازه ذرات ثابت، رسوب در هاون پودر شده و فرآیند کلسینه کردن در دمای 550 درجه سانتیگراد با سرعت گرمایش 5 درجه سانتیگراد در دقیقه به مدت 3 ساعت در داخل کوره انجام شد. ابعاد نانو نیکل اکسید با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) تشخیص داده می شود. این فن‌ها به‌طور گسترده برای بررسی مورفولوژی و اندازه نانوذرات استفاده می‌شوند[24].

2-5- بارگذاری نیکل(II) اکسید بر روی PUR-g-GO 

در ابتدا، نیکل اکسید در 10 میلی لیتر دی اتیلن گلیکول حل شد. پس از آن، گرافن اکسید عامل دار اضافه شد و به دنبال آن 10 میلی لیتر آب بدون یون اضافه شد. نمونه به مدت 30 دقیقه تحت امواج فراصوت قرارگرفت. پس از آن، مخلوط با استفاده از یک هم­زن مغناطیسی با سرعت 200 دور در دقیقه در دمای 80 درجه سانتیگراد به مدت 20 ساعت هم­زده شد. این فرآیند در داخل یک ظرف شیشه ای انجام شده که با روکش فویل آلومینیومی بسته شده بود. پس از آن، مخلوط تحت سانتریفیوژ قرار گرفته و سپس جدا شد. قبل از خشک شدن در آون با دمای 50 درجه سانتی گراد، چندین بار شستشو با آب و اتانول انجام شد.

2-6- آماده سازی الکترود

مقدار 5 میلی گرم از مخلوط خشک شده در مرحله قبل در 5 میلی لیتر دی متیل فرمامید با استفاده از حمام فراصوت به مدت 1 ساعت همگن شده و پس از آن، به مدت 24 ساعت هم­زده شد. سپس مقدار 3 میکرولیتر از آن بر روی الکترود کربن شیشه ای قرار داده شده و سپس در کوره خشک شد. به دنبال آن، الکترود حاوی پودر خشک شده برای تعیین کمی محلول های آماده شده با غلظت­های مختلف با استفاده از دستگاه الکتروآنالایزر استفاده شد[23, 22]. برای اطمینان از بارگذاری نیکل اکسید بر روی گرافن اکسید عامل‌دار شده، روش‌های مختلفی مانند طیف‌سنجی پرتو ایکس(XPS)، میکروسکوپ الکترونی(SEM) و پراش پرتو ایکس(XRD) برای تأیید تعامل و پوشش مواد استفاده می‌شوند. این روش‌ها می‌توانند اطلاعات دقیقی در مورد تشکیل ساختارهای نانو و نوع اتصال نیکل اکسید به گرافن اکسید عامل‌دار شده ارائه دهند که این روش مطابق با مطالعات پیشین گزارش‌شده می‌باشد [24،25].

۳- نتایج و بحث

3-1- مشخصه یابی نانوکامپوزیت

شکل 2 الف، طیف زیر ‌قرمز تبدیل فوریه ترکیب گرافن اکسید را نشان می‌دهد. یک نوار جذبی که در عدد موج 1cm- 3396 مشاهده می شود، به ارتعاش کششی پیوندهای O-H موجود در کربوکسیلیک اسید و گروه­های هیدروکسیل گرافن اکسید نسبت داده می­شود. نوار ارتعاشی که در عدد موج 1cm- 2922 مشاهده می شود ، به کشش پیوندهای C-H نسبت داده شود، در حالی که حالت ارتعاشی در1cm- 1724 مربوط به کشش پیوندهای C=O در گروه های کربوکسیلیک اسید در داخل گرافن اکسید است. همچنین، نوار­های موجود در 1049 و 1cm- 851 نشان دهنده کشش C-O مربوط به گروه­های اپوکسی است. طیف زیر ‌قرمز تبدیل فوریه گرافن اکسید عامل دار شده نیز در شکل 2 ب نشان داده‌شده است. به دنبال عامل دار شدن با مولکول های زیستی آمینه، قدرت حالت کشش C=O کاهش می­یابد. وجود نوارهای کششی OH و NH در محدوده طیفی1cm- 3415 شواهدی برای تولید نانوکامپوزیت­ها بین گرافن اکسید و مولکول­های زیستی آمینه فراهم می­کند[26]. طیف FTIR مربوط به ترکیبPUR-g-GO  وجود پیوند C-N را در عدد موجی برابر با cm-1 1336 نشان داد[27]. شکل 3، طیف XPS مربوط به گرافن اکسید و گرافن اکسید عامل دار شده با پورپالد را نشان می دهد. دو نوار متمرکز در 8/286 و eV 9/533 به ترتیب به C1s و O1s برای گرافن اکسید اختصاص داده شده‌اند، که نوار O1s شدید‌تر از نوار C1s است. نوار C1s از پنج جزء تشکیل شده است، C=C در eV 30/284، C-C  در eV 6/285، C-O  در eV 7/286،C=O  در eV 5/287، O=C-O  در eV 03/289[28]. علاوه بر این، نوار O1s در حدود eV 7/532 در گرافن اکسید دیده می‌شود، که نشان دهنده حضور اکسیژن در گروه‌های عاملی کربونیل(C=O) و اتر(C-O-C) است. حضور N1s در محدوده 400 تا eV 407 در نتیجه عاملدار کردن گرافن اکسید با مولکول‌های حاوی نیتروژن پیش‌بینی می‌شود. محدوده انرژی ویژه N1s به محیط شیمیایی اتم‌های نیتروژن بستگی دارد.

 

شکل 2. طیف FT-IR اکسید گرافن و اکسید گرافن عامل دار شده

 

شکل 3. طیف XPS مربوط به (الف)GO و (ب)PUR-g-GO

شکل 4. طیف XPS تفکیک شده نواحی C1s، O1s گرافن اکسید

بر اساس بررسی طیف گرافن اکسید (شکل 4)، می‌توان مشاهده کرد که دو نوار متمایز در 284 و eV 26/531 وجود دارد که به ترتیب به سطوح انرژی C1s و O1s نسبت داده می شوند. نوار C1s تفکیک شد و منجر به ایجاد چهار طیف مجزا با محوریت مقادیر انرژی 55/283، 47/285، 13/287 و eV 64/288 شد. این منحنی‌ها به ترتیب به پیکربندی‌های پیوند شیمیایی  C-C، C-O، C=O  و O-C=O نسبت داده شده‌اند. نوار O1s نیز تفکیک شد که منجر به دو منحنی مجزا با محوریت مقادیر 12/531 و eV 09/533 شد. این منحنی‌ها به ترتیب به گونه‌های شیمیایی O-C=O  و  C- OH  نسبت داده شده‌اند[29].

بر اساس بررسی طیف PUR-g-GO (شکل 5)، می‌توان مشاهده کرد که چهار نوار مجزا وجود دارد، که سطوح انرژی مربوطه آنها در 86/167، 284، 42/399 و eV 56/531 متمرکز شده است. این نوار­‌ها به ترتیب به اوربیتال‌های S2p، C1s، N1s و O1s نسبت داده شده‌اند. نوار C1s  تفکیک شدکه منجر به کشف چهار منحنی مختلف با موقعیت‌های مرکزی در 92/283، 07/286، 09/287 و eV 23/289 شد. منحنی‌های مشاهده شده به ترتیب به پیوندهای شیمیایی C-C، C-N، C=O و O-C=O نسبت داده شدند[31,30]. نوار O1s به دو منحنی مجزا، با مراکز نوار واقع در 92/530 و eV 51/532 تفکیک شد. این نوار­‌ها به ترتیب به گونه‌های شیمیایی O-C=O و C-OH  نسبت داده شدند. نوار N1s تفکیک شد و منجر به دو منحنی مجزا با محوریت 99/398 و eV 50/401 شد. این منحنی‌ها به ترتیب به گونه‌های شیمیاییC-N ، =N-،NH2 ، [32] -NH و [33]=N+H-  نسبت داده شدند. همچنین نوار S2p به دو منحنی مجزا تفکیک شد که مراکز آن در 29/167 و eV 71/169 قرار داشتند. این منحنی‌ها به ترتیب به حالت‌های S2p3/2 و S2p1/2 نسبت داده شدند[34]. عاملدار شدن موثر گرافن اکسید توسط PUR ممکن است از وجود نوار S2p استنباط شود.

شکل های 6 الف، ب و ج به ترتیب تصاویر SEM از نیکل(II) اکسید خالص، PUR-g-GO و نیکل(II) اکسید بارگذاری شده بر روی PUR-g-GO را نشان می‌ دهند که در آن نانوذرات NiO به وضوح قابل مشاهده هستند. به دلیل ماهیت موج‌دار نانوصفحه PUR-g-GO، نانوذرات NiO به طور همگن روی سطح نانو صفحه PUR-g-GO توزیع شده‌اند. 

 

شکل 5. طیف XPS تفکیک شده نواحی C1s، O1s، N1s و S2p مربوط به PUR-g-GO.

 

 

 

شکل 6. تصویر SEM از (الف) نیکل(II) اکسید خالص، (ب) PUR-g-GO، (ج) نیکل(II) اکسید بارگذاری شده بر روی PUR-g-GO.

3-2- مطالعات الکتروشیمیایی در تعیین گلوکز

شکل 7 الف ولتامتری چرخه­ای الکترود طراحی شده NiO/PUR-g-GO/GCE در غلظت های مختلف گلوکز را نشان می دهد. در این شکل، یک پنجره پتانسیل از 1- تا 1 + ولت با سرعت اسکن 1/0 میلی ولت بر ثانیه استفاده شده است. همانطور که مشاهده می شود، افزایش جریان با افزایش غلظت گلوکز مشاهده می شود. پیک اصلی اکسایش گلوکز در حدود 58/0+ ولت در برابر الکترود Ag/AgCl مشاهده می شود که نشان‌دهنده واکنش اکسایش الکتروشیمیایی گلوکز روی سطح الکترود اصلاح‌شده می‌باشد. حساسیت در غلظت 10 میلی مولار گلوکز μA/cm2 mM 1/7 بدست آمد. منحنی کالیبراسیون حسگر­زیستی با ضریب همبستگی 9966/0 در شکل 7 ب نشان 

 

شکل 7. (الف) ولتاموگرام چرخه ای الکترود NiO/PUR-g-GO/GCE در حضور غلظت های 1 تا 10 میلی مولار گلوکز در PBS، (ب) منحنی کالیبراسیون حسگر زیستی (ج) بررسی اثر مزاحمت آسکوربیک اسید، دوپامین و فروکتوز 4/0 میلی مولار در حضور 4 میلی مولار گلوکز در PBS.

داده شده است. حد تشخیص حسگر­زیستی 73/1 میلی مولار بود. به منظور بررسی تکرارپذیری حسگر زیستی، از الکترود طراحی شده NiO/PUR-g-GO/GCE سه بار به طور متوالی برای اندازه‌گیری غلظت 10 میلی‌مولار گلوکز استفاده شد. RSD اندازه گیری شده 29/0 بدست آمد. علاوه بر این، پاسخ الکتروشیمیایی 4/0 میلی مولار دوپامین، اسکوربیک اسید و فروکتوز به عنوان مداخله­گر بر پاسخ حسگر طراحی شده در غلظت 4 میلی مولار گلوکز در PBS، مورد مطالعه قرار گرفت(شکل 7 ج). نتایج نشان داد که هیچ کدام از مزاحم ها پاسخ قابل توجهی در حضور 4 میلی مولار گلوکز نشان نمی‌دهند. 

در جدول 1 خلاصه ای از عملکرد الکترودهای حاوی نیکل اکسید که تاکنون برای اندازه گیری گلوکز مورد استفاده قرار گرفته است، آورده شده است.

جدول 1. مقایسه نانو زیست حسگرهای مختلف برای  تشخیص گلوکز

مراجع	حد تشخیص (mM)	حساسیت (μA mM−1 cm−2 )	الکترود
کار حاضر	73/1	1/7	NiO/PUR-g-GO/GCE
[35]	32/0	1323	NiO HPA/GCE
[36]	35/25	34/67	NiO/GCE
[37]	2/0	2/668	Pt/NiO/ERGO/GCE
[38]	2/1	8/1052	Hedgehog-like NiO
[39]	313/0	8/180	Pt–NiO nanofiber/GCE
[40]	37/1	3/19	Ag/NiO nanofibers
[41]	72/0	170	NiO–Ag nanofiber/GCE
[42]	47	343	NiO hollow nanospheres
[43]	35/0	71/212	NiO–CdO nanofiber/GCE
[44]	5/0	8/171	Cu/NiO nanocomposites

4- نتيجه گيری 

در این مطالعه، نانوساختار بلوری نیکل(II) اکسید با روش هیدروترمال و با استفاده از نیکل(II)  نیترات، اسید آمینه لیزین و اوره سنتز شد. این نانوساختار بر روی بستر پورپالد-گرافن اکسید عامل‌دار شده (PUR-g-GO) بارگذاری شد تا حسگر زیستی NiO/PUR-g-GO/GCE ساخته شود. حسگر طراحی شده در محدوده خطی 1 تا 10 میلی‌مولار عملکرد پایداری از خود نشان داد. نتایج اندازه‌گیری نشان داد که این حسگر دارای حساسیت بالا و حد تشخیص مطلوبی برای گلوکز است. علاوه بر این، بررسی تأثیر مزاحمت هایی نظیر دوپامین، اسید اسکوربیک و فروکتوز (با غلظت 4/0 میلی‌مولار) نشان داد که این ترکیبات تأثیر محسوسی بر عملکرد حسگر ندارند، که این موضوع به دلیل ساختار منحصربه‌فرد نانوکامپوزیت و افزایش گزینش‌پذیری آن است. این نتایج نشان می‌دهد که حسگر توسعه‌یافته پتانسیل بالایی برای کاربردهای عملی در پایش سطح گلوکز دارد.

سپاسگزاری‌ و قدردانی

از حمایت و همکاری دانشگاه آزاد اسلامی (واحد تهران شمال) و پژوهشگاه شیمی و مهندسی شیمی ایران (CCERCI) کمال تشکر و قدردانی را داریم. نویسندگان از کمک های دکتر فرنوش فریدبد از دانشگاه تهران در آزمایش­های حسگر تشکر می کنند.

مراجع

1.       W. Siangproh, W. Dungchai, P. Rattanarat, O. Chailapakul. Anal. Chim. Acta 690, 10–25 (2011).

2.       M.M. Rahman, A. Ahammad, J.-H. Jin, S.J. Ahn, J.-J. Lee. Sensors 10, 4855–4886 (2010).

3.       L.C. Clark, C. Lyons. Ann. N. Y. Acad. Sci. 102, 29–45 (1962).

4.       J.R. Siqueira Jr, L. Caseli, F.N. Crespilho, V. Zucolotto, O.N. Oliveira Jr. Biosens. Bioelectron. 25, 1254–1263 (2010).

5.       S. Park, H. Boo, T.D. Chung. Anal. Chim. Acta 556, 46–57 (2006).

6.       J. Tang, D. Tang. Microchim. Acta 182, 2077–2089 (2015).

7.       L. Wang, Y. Zheng, X. Lu, Z. Li, L. Sun, Y. Song. Sens. Actuators B Chem. 195, 1–7 (2014).

8.       H. Yu, X. Jian, J. Jin, X.-C. Zheng, R.-T. Liu, G.-C. Qi. Microchim. Acta 182, 157–165 (2015).

9.       X. Zhu, Q. Jiao, C. Zhang, X. Zuo, X. Xiao, Y. Liang, et al. Microchim. Acta 180, 477–483 (2013).

10.       H. Chen, C.L. Li, N. Li, K.X. Xiang, Z.L. Hu. Micro Nano Lett. 8, 544–548 (2013).

11.       A. Ambrosi, C.K. Chua, A. Bonanni, M. Pumera. Chem. Rev. 114, 7150–7188 (2014).

12.       F. Yavari, N. Koratkar. J. Phys. Chem. Lett. 3, 1746–1753 (2012).

13.       Z. Hu, Y. Chen, H. Chen. Micro Nano Lett. 6, 709–712 (2011).

14.       S.-C. Hung, C.-C. Chen, Y.-C. Lin, C.-W. Lin. ECS Trans. 111, 55 (2023).

15.       A. Mustafa, I.A. Alsafari, H. Somaily, S. Yousaf, M.I. Din, J. Rahman, et al. Phys. B Condens. Matter 648, 414404 (2023).

16.       H. Yang, Y. Hu, X. Yin, J. Huang, C. Qiao, Z. Hu, et al. Analyst 148, 153–162 (2023).

17.       R. Akter, P. Saha, S.S. Shah, M.N. Shaikh, M.A. Aziz, A.S. Ahammad. Chem. Asian J. 17, e202200897 (2022).

18.       X. Xu, R. Tan, X. Lv, C. Geng, Y. Li, B. Cui, et al. Anal. Methods 13, 5628–5637 (2021).

19.       W.S. Hummers Jr, R.E. Offeman. J. Am. Chem. Soc. 80, 1339 (1958).

20.       M. Ghorbani, A. Tarlani, S. Taghvaei-Ganjali, M. Malekzade. Chem. Select 9, e202304045 (2024).

21.       J. Yang, C. Liu, L. Gao, J. Wang, Y. Xu, R. He. RSC Adv. 5, 101049–101054 (2015).

22.       A. Tarlani, M. Fallah, B. Lotfi, A. Khazraei, S. Golsanamlou, J. Muzart, et al. Biosens. Bioelectron. 67, 601–607 (2015).

23.       A. Khazraei, A. Tarlani, M. Eslami-Moghadam, J. Muzart. Talanta 221, 121560 (2021).

24.       M. Li, X. Bo, Z. Mu, Y. Zhang, L. Guo. Sens. Actuators B Chem. 192, 261–268 (2014).

25.       L. Wang, X. Lu, C. Wen, Y. Xie, L. Miao, S. Chen, H. Li, P. Li, Y. Song. J. Mater. Chem. A 3, 608–616 (2015).

26.       C. Guati, L. Gomez-Coma, M. Fallanza, I. Ortiz. Phys. Sci. Rev. (2025).

27.       G. Surekha, K.V. Krishnaiah, N. Ravi, R.P. Suvarna. J. Phys. Conf. Ser. (2020).

28.       S. Sheshmani, M.A. Fashapoyeh. Acta Chim. Slov. 60(4) (2013).

29.       K. Muthoosamy, R.G. Bai, I.B. Abubakar, S.M. Sudheer, H.N. Lim, H.-S. Loh, et al. Int. J. Nanomed. (2015) 1505–1519.

30.       D. Briggs. Pract. Surf. Anal. 1, 151–152 (1990).

31.       M. Outirite, M. Lagrenée, M. Lebrini, M. Traisnel, C. Jama, H. Vezin, et al. Electrochim. Acta 55(5), 1670–1681 (2010).

32.       O. Olivares-Xometl, N. Likhanova, M. Domínguez-Aguilar, J. Hallen, L. Zamudio, E. Arce. Appl. Surf. Sci. 252(6), 2139–2152 (2006).

33.       F. Bentiss, M. Traisnel, L. Gengembre, M. Lagrenée. Appl. Surf. Sci. 161(1-2), 194–202 (2000).

34.       J. Zhou, S. Chen, L. Zhang, Y. Feng, H. Zhai. J. Electroanal. Chem. 612(2), 257–268 (2008).

35.       G. He, L. Tian, Y. Cai, et al. Nanoscale Res. Lett. 13, 3 (2018).

36.       L. Wang, X.P. Lu, C.J. Wen, Y.Z. Xie, L.F. Miao, S.H. Chen, et al. J. Mater. Chem. A 3, 608–616 (2015).

37.       M. Li, X.J. Bo, Z.C. Mu, Y.F. Zhang, L.P. Guo. Sens. Actuators B Chem. 192, 261–268 (2014).

38.       R.A. Soomro, Z.H. Ibupoto, Sirajuddin, M. Willander. Sens. Actuators B 209, 966–974 (2015).

39.       Y. Ding, Y.X. Liu, L.C. Zhang, Y. Wang, M. Bellagamba, J. Parisi, C.M. Li, Y. Lei. Electrochim. Acta 58, 209–214 (2011).

40.       Y. Ding, Y. Wang, L.A. Su, H. Zhang, Y. Lei. J. Mater. Chem. 20, 9918–9926 (2010).

41.       Y.A.K. Reddy, B. Ajitha, P.S. Reddy, M.S.P. Reddy, J.H. Lee. Electron. Mater. Lett. 5, 907–913 (2014).

42.       C.C. Li, Y.L. Liu, L.M. Li, Z.F. Du, S.J. Xu, M. Zhang, et al. Talanta 77, 455–459 (2008).

43.       Y. Ding, Y. Wang, L.C. Zhang, H. Zhang, Y. Lei. J. Mater. Chem. 22, 980–986 (2012).

44.       X.J. Zhang, A.X. Gu, G.F. Wang, Y. Huang, H.Q. Ji, B. Fang. Analyst 136, 5175–5180 (2011).

 

 

 

A novel nanobiosensor based on nickel(II) oxide/graphene oxide/purpald nanocomposite for non-enzymatic glucose determination 

        Mojtaba Ghorbani1, AliAkbar Tarlani*2, Saeed Taghvaei Ganjali*1, Mersedeh Malekzadeh1

 1 Department of Chemistry, Chemistry & Chemical Engineering Research Center of Iran (CCERCI), Tehran, Iran.

Abstract: Diabetes is one of the leading causes of death and disability in the world. Non-enzymatic glucose measurement has a significant impact on diabetes control. Diagnosis and management of diabetes requires accurate control of blood glucose levels. In a new approach, nickel(II) oxide nanostructures were synthesized by solvothermal method with the help of bifunctional amino acid lysine and urea additive. Then, nickel(II) oxide nanostructures were loaded on graphene oxide functionalized with Purpald. The above nanocomposite was characterized by Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy and scanning electron microscopy. In order to construct a new nanobiosensor for glucose detection without the need for glucose oxidase, the prepared nanostructure was placed on a glassy carbon electrode. The sensitivity of the designed nanobiosensor for glucose detrermination was 1.7 μA/cm2 mM at a concentration of 10 mM. Meanwhile, the fabricated glucose sensor showed no interference with dopamine, fructose, and ascorbic acid.

2 Department of Chemistry, Islamic Azad University, North Tehran Branch, Postal Code: 1913674711, Tehran, Iran.

Keywords: Cyclic voltammetry, Hydrothermal, Nanostructure. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

https://doi.org/10.71508/crn.2024.140312111200844

        

تاریخ دریافت : 11/12/۱403         سال سوم | شماره 4 | زمستان ۱403                50

تاریخ پذیرش : 22/2/۱404