Capteur de glucose non enzymatique hautement sensible basé sur des nanopétales de NiO mésoporeux cultivés sur FTO

Résumé

Nous rapportons un capteur de glucose non enzymatique construit sur des nanopétales de nickel oxide (NiO) mésoporeux, bien alignés, cultivés hydrothermalement sur du verre d'oxyde d'étain dopé au fluor (FTO). L'analyse structurale (DRX, MET, MEB, AFM, EDX, XPS) confirme une morphologie NP dense, verticalement orientée, avec une épaisseur moyenne de 25–30 nm. La surface spécifique BET de 115 m² g⁻¹ et une taille de pore de 3,7 nm indiquent une excellente accessibilité électrochimique. Le capteur fournit une réponse linéaire de 50 μM à 1,2 mM de glucose avec une sensibilité de 3,9 μA μM⁻¹ cm⁻² à 0,5 V, une limite de détection de 1 μM, et un temps de réponse inférieur à 1 s. Il montre une interférence négligeable de l'acide ascorbique, de l'acide urique et de la dopamine, en faisant une sonde de glucose non enzymatique fiable.

Contexte

La gestion du diabète repose sur une surveillance précise du glucose en temps réel. Les capteurs enzymatiques conventionnels reposent sur la glucose oxydase (GOx) et souffrent d'une durée de vie limitée et d'une sensibilité à la température, au pH et aux réactifs toxiques. Les capteurs non enzymatiques à base d'oxydes métalliques contournent ces problèmes en oxydant directement le glucose sur la surface de l'électrode. Les nanostructures de NiO, CuO, TiO₂ et ZnO ont émergé comme candidats prometteurs en raison de leur rapport surface/volume élevé et de leur activité catalytique. La nanostructuration augmente davantage la surface active, améliorant les performances du capteur. Ici, nous présentons des nanopétales de NiO cultivés sur FTO, conçus pour une oxydation optimale du glucose.

Expérimental

Le nitrate de nickel et le persulfate de potassium ont été mélangés avec une trace de solution d'ammonium pour guider l'alignement des NS de NiO. La solution précurseur a été traitée hydrothermalement à 150 °C pendant 5 h sur du verre FTO, rincée, séchée, et recuite à 250 °C pendant 2 h. DRX (Rigaku SmartLab, Cu-Kα, λ = 1,54 Å), MEB (Zeiss Supra55), MET, AFM (Bruker MultiMode 8-HR), EDX (Oxford Instruments), et XPS (SPECS) ont caractérisé la structure et la composition. L'analyse BET (Quantachrome Autosorb iQ) a quantifié la surface spécifique et la porosité. Les mesures électrochimiques ont utilisé une station de travail Keithley 2450-EC dans une configuration à trois électrodes avec Ag/AgCl (1 M KCl) comme référence et fil de Pt comme contre-électrode, employant 0,1 M NaOH comme électrolyte.

Résultats et discussion

Les images MEB et AFM (Figure 1) révèlent des structures NiO densément empilées, semblables à des pétales de rose, recouvrant uniformément le substrat FTO. Chaque pétale a une épaisseur de 25–30 nm, avec des caractéristiques fines semblables à des épines augmentant la surface. La MET confirme la morphologie, et l'EDX démontre un NiO de haute pureté avec un minimum de Sn provenant du substrat. Le XPS montre du Ni²⁺ dans les liaisons Ni-O et confirme la structure cristalline FCC (pics DRX à 43°, 37°, 63°, 76°, 79°). Les mesures BET indiquent un réseau mésoporeux avec une surface spécifique de 114,936 m² g⁻¹ et une distribution de taille de pore centrée à 3,7 nm (Figure 2).

Les tests électrochimiques (Figure 3) montrent que l'électrode NiO-NPs@FTO est contrôlée en surface : le courant de pic évolue linéairement avec le taux de balayage, indiquant un transfert de charge efficace. La voltampérométrie cyclique dans 0,1 M NaOH révèle un pic d'oxydation prononcé entre 0 V et 0,6 V. En présence de 5 mM de glucose, le courant de pic double, confirmant l'oxydation du glucose. La voie réactionnelle implique la formation de NiO(OH) par le NiO, qui oxyde le glucose en gluconolactone et ensuite en acide gluconique, produisant un courant mesurable (sensibilité 3,9 μA μM⁻¹ cm⁻²). La spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS) montre un demi-cercle réduit et une ligne de basse fréquence plus raide lors de l'ajout de glucose, corroborant l'activité électrochimique du capteur.

Les courbes d'étalonnage (Figure 4) affichent une linéarité (R² = 0,9948) sur 100 μM–1,2 mM de glucose, avec une réponse ampérométrique à +0,5 V donnant une réponse sous-seconde et une excellente répétabilité. Les tests de sélectivité contre l'acide urique, l'acide ascorbique et l'acide folique démontrent une interférence négligeable, tandis que le courant du capteur diminue après les pics de glucose, indiquant la réutilisabilité. Comparé aux capteurs non enzymatiques récents, l'électrode NiO-NPs offre une sensibilité supérieure et une réponse rapide.

Conclusions

Les nanopétales de NiO cultivés hydrothermalement, densément empilés, sur FTO fournissent un capteur de glucose non enzymatique hautement sensible. Avec une limite de détection de 1 μM, un temps de réponse inférieur à 1 s, et une sélectivité robuste, cette plateforme est bien adaptée pour le diagnostic biomédical et l'analyse pharmaceutique.

Figures

Figure 1. (a) Morphologies de surface des nanostructures NiO montrant une structure en pétale avec vue en coupe transversale (encart). (b) Image MEB des NPs NiO. (c–e) Images AFM avec profilage linéaire. (f) Spectres EDX pour confirmation élémentaire.

Figure 2. (a) Balayage XPS. (b) Spectre Ni 2p haute résolution. (c) Motif DRX. (d) Isotherme BET et distribution de taille de pore.

Figure 3. (a) CV de NiO-NPs@FTO à divers taux de balayage. (b) CV du capteur avec/sans 5 mM glucose. (c) CV de l'électrode immergée dans le glucose à différents taux de balayage. (d) EIS de l'électrode avec et sans glucose. Encarts : relation linéaire courant-taux de balayage.

Figure 4. (a) Schéma de configuration électrochimique. (b) Balayage CV d'additions séquentielles de glucose. (c) Relation linéaire entre concentration de glucose et courant. (d) Réponse ampérométrique à +0,5 V pour addition de glucose 10 μM.