Nanopartikel Tembaga pada Substrat Karbon Porosus Hasilkan Sensor Glukosa Berkinerja Tinggi
Abstrak
Sensor yang akurat untuk menentukan konsentrasi glukosa dengan cepat sangat penting untuk kesehatan tubuh manusia, karena diabetes telah menjadi penyakit dengan incidensi sangat tinggi di seluruh dunia. Dalam pekerjaan ini, nanopartikel tembaga yang dikomposkan dalam substrat karbon porosus (Cu NP@PC), yang disintesis dengan membakar kertas filter yang diimpregnasi ion tembaga pada suhu tinggi, dirancang sebagai bahan aktif elektroda untuk sensing elektrokimiawi glukosa. Selama pembentukan karbon porosus, nanopartikel tembaga secara spontan menempati rongga yang terbentuk dan menyusun komposit yang setengah tertutup. Untuk oksidasi glukosa elektrokimiawi, komposit Cu NP@PC yang disiapkan menunjukkan aktivitas katalitik yang jauh lebih unggul dengan kepadatan arus 0,31 mA/cm² pada potensial 0,55 V dalam kehadiran 0,2 mM glukosa. Berdasarkan aktivitas oksidasi elektrokimiawi yang tinggi, komposit Cu NP@PC saat ini juga menunjukkan performa sensing glukosa yang unggul. Sensitivitas ditetapkan sebesar 84,5 μA/(mmol/L) dengan rentang linier 0,01 ~ 1,1 mM dan batas deteksi (LOD) rendah sebesar 2,1 μmol/L. Dibandingkan dengan nanopartikel tembaga yang didukung karbon non-porosus (Cu NP/C), hal ini dapat dipahami oleh transfer massa yang ditingkatkan dan efek sinergi yang diperkuat antara nanopartikel tembaga dan substrat karbon porosus.
Pendahuluan
Dalam beberapa tahun terakhir, diabetes telah menarik perhatian besar di seluruh dunia, mendorong penentuan konsentrasi glukosa yang cepat dan akurat [1]. Berbagai teknik telah dikembangkan [2]. Dengan keuntungan operasi yang mudah, respons cepat, dan sensitivitas tinggi, metode elektrokimia secara khusus menarik perhatian dalam sensing glukosa, dan bahan aktif elektroda sangat penting untuk sensor [3, 4]. Sejauh ini, bahan yang dilaporkan memiliki respons glukosa yang baik termasuk logam mulia (emas [4], perak [5], platinum [6], paladium [7]), logam bukan mulia (tembaga [8], nikel [9]), oksida logam (oksida seng [10], oksida mangan [11], oksida nikel [12], oksida besi [13]), dan bahan karbon (nanotubus karbon [14], nanodot karbon [15], karbon mesopor [16)], dll. Di antara bahan-bahan ini, komposit berbasis tembaga menunjukkan potensi besar untuk membangun platform sensing yang efisien untuk glukosa, karena biaya rendah [3], konduktivitas listrik yang baik [17], dan luas permukaan spesifik yang dapat dikendalikan. Sementara itu, dilaporkan bahwa performa elektrokimia bahan berbasis tembaga akan ditingkatkan secara signifikan dengan membentuk komposit dengan substrat karbon seperti grafen [18, 19], nanofibre karbon [20], nanotubus karbon [21] dan karbon mesopor [22]. Misalnya, Zhang et al. menyiapkan nanopartikel tembaga pada komposit grafen yang diinduksi laser dan berhasil mengembangkan biosensor glukosa amperometrik enzim-belebas yang fleksibel. Berdasarkan kesederhanaannya dan sensitivitas tinggi, sensor ini diharapkan dapat digunakan dalam biosensor yang dapat dipakai atau ditanamkan [23]. Menggunakan metode arc discharge, komposit material CuO dan nanotubus karbon dinding tunggal disintesis oleh kelompok Wang. Jaringan konduktif yang tinggi yang diaktifkan oleh nanotubus karbon menghasilkan sensitivitas tinggi dan selektivitas yang baik dalam sensing glukosa [21]. Karena konduktivitas yang baik dari kawat tembaga dan transfer elektron yang cepat dalam lapisan oksida grafen reduksi dua dimensi (rGO), Ju et al. menyintesis komposit kawat tembaga satu dimensi dan lapisan nanosheet rGO dua dimensi, yang menunjukkan sensitivitas 1625 μA/(mM·cm²) dan batas deteksi 0,2 μM untuk deteksi glukosa [3]. Peningkatan performa yang sangat besar pada bahan berbasis tembaga telah dicapai, namun masih belum cukup untuk aplikasi perangkat portable di dunia nyata. Ini berarti diperlukan mencari templat atau kecocokan baru untuk nanopartikel tembaga.
Dengan struktur kerangka tiga dimensi khusus [24], karbon porosus tidak hanya memiliki situs ikatan yang melimpah untuk mendorispersi senter logam aktif, tetapi juga menyediakan luas permukaan spesifik yang lebih besar yang meningkatkan aksesibilitas elektron dan reaktan [25,26,27]. Dalam beberapa tahun terakhir, karbon porosus diakui sebagai jenis bahan modifikasi dan substrat yang menjanjikan, yang dapat sangat meningkatkan aktivitas sensing elektrokimia bahan logam. Misalnya, Li et al. menyelidiki komposit logam paduan Co₇Fe₃ nanoparticle yang terselubung dalam lapisan nanosheet karbon porosus (Co₇Fe₃/NPCSs). Hasilnya menunjukkan rentang linier yang jauh lebih luas untuk deteksi glukosa (dari 0,001 hingga 14,00 mM), karena efek nanoterbatas dari karbon porosus [28]. Menggunakan kerangka logam-organik (MOF) sebagai templat pengorbatan diri untuk menyiapkan bahan karbon porosus, nanoparticle nikel yang terselubung pada batang karbon nanoporos yang disiapkan oleh Jia et al. menunjukkan properti sensing glukosa yang baik dengan waktu respons cepat (dalam 1,6 s) [29]. Song et al. membangun komposit (Cu@C-500) yang terdiri dari nanopartikel tembaga yang terselubung seragam dalam kandang karbon porosus dengan menggunakan Cu MOF sebagai bahan baku. Karena porositas hierarkis, ia menunjukkan sensitivitas tinggi dan batas deteksi rendah, serta menunjukkan potensi besar dalam perangkat sensor glukosa [30]. Oleh karena itu, dengan efek struktural dan elektronik yang unik, bahan karbon porosus diantisipasi sebagai mitra yang sangat baik untuk meningkat lebih lanjut performa elektrokimia nanomaterial tembaga dalam sensing glukosa.
Di sini, dalam pekerjaan ini, komposit nanopartikel tembaga yang dikomposkan dalam substrat karbon porosus dirancang dan disintesis dengan membakar kertas filter murah yang diimpregnasi ion tembaga pada suhu tinggi. Selama proses sintesis, pembentukan karbon porosus dan akomodasi nanopartikel tembaga terjadi secara bersamaan, yang dapat dibuktikan dengan mikroskop elektron pemindai dan mikroskop elektron transmisi. Untuk pengukuran elektrokimia, hasilnya menunjukkan bahwa sampel yang disiapkan (Cu NP@PC) menunjukkan aktivitas elektrokatali yang tinggi untuk oksidasi glukosa dengan kepadatan arus 0,31 mA/cm⁻² pada potensial 0,55 V dalam kehadiran 0,2 mM glukosa, yang jauh lebih baik dari Cu NP/C. Untuk sensing glukosa, sensitivitas ditetapkan sebesar 84,5 μA (mmol/L)⁻¹ dan batas deteksi dihitung sebesar 2,1 μmol/L, jauh lebih unggul dari sebagian besar bahan yang sebelumnya dilaporkan. Selain itu, selektivitas yang baik dari bahan saat ini juga dibuktikan oleh eksperimen anti-interferensi.
Eksperimen
Reagen
Nitrat tembaga (Cu(NO₃)₂·3H₂O, AR), etanol (C₂H₅OH, 99,8%), glukosa (C₆H₁₂O₆, 96%), urea (CH₄N₂O, AR, 99%), asam sitrat (C₆H₈O₇, AR, 99,5%), ammonium asetat (CH₃COONH₄, AR), klorida natrium (NaCl, AR, 99,5%), hidroksida kalium (KOH, AR, 85%). Semua reagen yang disebutkan di atas dibeli dari Aladdin. Larutan Nafion 5% D520 diperoleh dari DuPont, dan kertas filter dibeli dari Hangzhou Fuyang BEIMU Pulp Co., Ltd. Kertas karbon dari kertas karbon konduktif Toray Jepang (TGP-060). Air yang digunakan dalam seluruh eksperimen adalah air ultra murni dengan konduktivitas 18,25 MΩ·cm.
Instrumen
Spektrum difraksi sinar-X (XRD) diperoleh dari instrumen X’Pert PRO MPD difraktometer sinar-X bubuk multi-tujuan. Spektrum inframerah transform Fourier (FT-IR) dalam rentang 1000–4000 cm⁻¹ direkam dari spektrometer IS50 FT-IR. Spektrum Raman diukur pada sistem inVia Qontor (Renishaw, UK) dengan panjang gelombang 532 nm. Pengukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dilakukan pada spektrometer Thermo ESCALAB 250XI yang beroperasi pada 120 W. Morfologi sampel dikarakterisasi dengan mikroskop elektron pemindai Hitachi S4800 (SEM) dengan tegangan percepat kerja 20 kV. Citra mikroskop elektron transmisi (TEM) dikumpulkan dari Tecnai G2 F20. Pengukuran Brunauer–Emmett–Teller (BET) dilakukan pada alat penyerapan fisik luas permukaan spesifik (ASAP2020M).
Sintesis Cu NP@PC dan Cu NP/C
Secara khas, sintesis Cu NP@PC diselesaikan melalui pirolisis suhu tinggi dua tahap. Pertama, kertas filter komersial diizinkan pra-panaskan pada 250 °C selama 1 h dalam tabung furnace di bawah atmosfer nitrogen. Selanjutnya, sepotong kertas filter kuning pucat yang telah dirawa dengan ukuran 10 mm × 50 mm direndam dalam larutan nitrat tembaga biru transparan dengan konsentrasi 0,1 M, dan diambil setelah 10 menit. Setelah kering pada suhu kamar, kertas filter dimasukkan dalam perahu porcelain yang bersih dan secara berturut-turut dirawa pada 180 °C, 240 °C, 900 °C selama 2 h, 2 h, dan 1 h dalam tabung furnace di bawah perlindungan nitrogen, masing-masing. Akhirnya, produk Cu NP@PC dikumpulkan ketika sistem pendingin ke suhu kamar, dan digiling sebelum uji elektrokimia. Untuk sampel kontrol, sintesis Cu NP/C dan karbon murni dilakukan melalui prosedur yang sama, kecuali konsentrasi nitrat tembaga adalah 0,2 M dan 0 M, masing-masing.
Pengukuran Elektrokimia
Dalam pekerjaan ini, semua uji elektrokimia dilakukan pada workstation elektrokimia CHI 760E dengan sistem tiga elektroda standar pada suhu kamar. Sebelum eksperimen, beberapa potong kertas karbon (5 mm × 5 mm) sebagai kolektor arus dicuci dengan air, etanol dan dikeringkan selama malam hari pada 60 °C. Untuk persiapan tinta katalis, 10 mg sampel (bubuk Cu NP@PC, Cu NP/C atau karbon murni) dicampur dengan etanol, air, dan larutan Nafion (5%) dalam proporsi tertentu 10:10:1 untuk membentuk dispergen seragam. Selanjutnya, tinta katalis 40 μL ditetapkan pada kertas karbon yang bersih dengan beban 1,6 mg/cm², yang digunakan sebagai elektroda kerja. Elektroda Ag/AgCl (KCl terpuas) dan batang grafit digunakan sebagai elektroda referensi dan elektroda lawan, masing-masing. Untuk eksperimen elektrokimia, voltametri siklik dan voltametri sweep linier digunakan untuk memeriksa secara kualitatif performa potensial bahan yang disiapkan untuk oksidasi glukosa. Koroamperometri digunakan untuk mengevaluasi secara kuantitatif performa sensing bahan yang disiapkan. Seluruh prosesnya, larutan KOH 0,1 M dipilih sebagai elektrolit.
Hasil dan Pembahasan
Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1a, untuk sintesis bahan target, perawatan pra-panaskan diizinkan untuk menghilangkan impuritas tidak stabil dan kelembaban dari kertas filter dengan warna berubah menjadi kuning pucat. Selanjutnya, untuk mendukung nanopartikel logam, kertas filter yang telah dirawa direndam ke dalam larutan ion tembaga. Selama proses pembakaran suhu tinggi dalam tabung furnace, atom tembaga dan kristalit kecil terbentuk. Karena laju nukleasi dan pertumbuhan nanopartikel tembaga lebih kecil dari laju pirolisis karbon, mikro kristal tembaga awal ini dapat katalisis dekomposisi dan penguapan karbon, yang mengarah pada pembentukan lubang [31]. Akhirnya, sampel Cu NP@PC coklat kehitam disiapkan. Perhatikan bahwa konsentrasi ion tembaga yang berlebihan akan meningkatkan laju nukleasi, yang menyebabkan pembentukan bahan karbon non-porosus. Untuk mengidentifikasi komponen sampel yang disiapkan, pola difraksi sinar-X (XRD) dikumpulkan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1b. Keduanya Cu NP@PC dan sampel Cu NP/C menunjukkan puncak difraksi tembaga dan karbon. Tiga puncak karakteristik tajam yang terletak pada sudut difraksi 43,2°, 50,3°, dan 73,9° dapat masing-masing diatribusikan ke bidang jaringan (111), (200) dan (220) dari nanopartikel tembaga (PDF#04-0836) [32, 33]. Puncak lebar dengan pusat sekitar 25° sesuai dengan bidang kristal (002) dari karbon grafit, yang akan mempromosikan transfer elektron dalam reaksi elektrokimia selanjutnya [3, 25, 34]. Untuk menganalisis komposisi spesifik karbon, spektrum Raman Cu NP@PC dan Cu NP/C dikumpulkan. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1c, pita D dan pita G dapat ditentukan dengan jelas dengan puncak sekitar 1350 cm⁻¹ dan 1600 cm⁻¹, masing-masing [35]. Seperti yang dilaporkan, pita G disebabkan oleh gerakan relatif atom karbon sp², sedangkan pita D terkait dengan mode pernapasan cincin karbon [36]. Di sini, rasio pita D/G yang dihitung Cu NP@PC adalah 0,899, sama dengan nilai dari Cu NP/C. Oleh karena itu, distribusi karbon amorp dan grafit nanokristal serupa dalam kedua sampel. Ini menunjukkan komponen hampir sama dari dua bahan yang disiapkan, yaitu, keduanya Cu NP@PC dan Cu NP/C terdiri dari nanopartikel tembaga dan kerangka karbon. Untuk mengungkap lebih lanjut informasi mikrostruktur, spektrum FTIR Cu NP@PC dan Cu NP/C diselidiki. Seperti yang disajikan dalam Gambar 1d, dapat dilihat bahwa sinyal yang terletak pada 1734 cm⁻¹ dan 1628 cm⁻¹ muncul pada Cu NP@PC yang dapat diatribusikan ke getaran peregangan C=O [39] dan getaran peregangan C–O [40]. Dibandingkan dengan Cu NP/C, pita pada 2363 cm⁻¹ dari Cu NP@PC diatribusikan ke karbon dioksida di udara. Pita getaran penyerapan yang sedikit diamati pada 3466 cm⁻¹ dari Cu NP@PC dan Cu NP/C dapat diatribusikan ke getaran peregangan ikatan O–H dalam molekul air [37].
a Ilustrasi skematis persiapan sampel Cu NP@PC dan Cu NP/C; b Pola difraksi sinar-X (XRD) Cu NP@PC dan Cu NP/C; c Spektrum Raman Cu NP@PC dan Cu NP/C; dan d Spektrum FTIR Cu NP@PC dan Cu NP/C
Untuk mengamati morfologi dan struktur bahan yang disiapkan, eksperimen mikroskop elektron pemindai (SEM) dilakukan. Untuk sampel Cu NP@PC, citra SEM dalam Gambar 2a menunjukkan bahwa lubang melimpah didistribusikan secara acak pada permukaan lapisan karbon, dan nanopartikel tembaga hanya tinggal di dalam lubang ini. Gambar 2b menunjukkan bahwa hampir semua nanopartikel tembaga setengah di dalam dan setengah di luar. Seperti yang dilaporkan, reaksi elektrokimia biasanya melibatkan transfer elektron dan massa. Jadi, bagian setengah di dalam akan mendukung transfer elektron dengan substrat karbon, sementara setengah di luar dapat bertindak sebagai situs aktif, berinteraksi dengan zat. Ini akhirnya akan meningkatkan efisiensi reaksi elektrokimia. Dalam Gambar 2c, tidak ditemukan karbon porosus dan semua nanopartikel tembaga didukung pada permukaan karbon dalam sampel Cu NP/C. Beberapa aglomerasi bahkan terjadi dalam Gambar 2d. Selain itu, ukuran nanopartikel tembaga dari kedua sampel adalah 0,406 dan 0,398 μm, masing-masing, berdasarkan seratus nanopartikel logam. Jadi, ukuran nanopartikel tembaga yang tumbuh di bawah dua konsentrasi ion tembaga yang berbeda tidak terlalu berbeda, menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi ion tembaga hanya dapat mengontrol morfologi karbon. Selain itu, dapat dilihat dari citra TEM dalam Gambar 2e bahwa nanopartikel tembaga diperbesar memiliki ukuran yang mirip dengan lubang ini dan sebagian terselubung di dalamnya, yang menunjukkan kembali bahwa pembentukan komposit target berhasil. Untuk mengungkap lebih lanjut properti poros bahan yang disiapkan, isoterm adsorpsi nitrogen Cu NP@PC dan Cu NP/C diteliti. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2f, luas permukaan BET yang dihitung dari nanomaterial Cu NP@PC adalah 309,95 m²/g, jauh lebih tinggi dari Cu NP/C. Ini sesuai dengan hasil dari SEM dan TEM.
a, b Citra mikroskop elektron pemindai (SEM) Cu NP@PC pada pembesaran yang berbeda; c, d Citra mikroskop elektron pemindai (SEM) Cu NP/C pada pembesaran yang berbeda; e Citra mikroskop elektron transmisi (TEM) Cu NP@PC; dan f Analisis luas permukaan Brunauer–Emmett–Teller (BET) Cu NP@PC dan Cu NP/C
Untuk menyelidiki struktur elektronik sampel, spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dilakukan. Gambar 3a dan b menampilkan spektrum survei XPS lengkap Cu NP@PC dan Cu NP/C, masing-masing, yang menunjukkan keberadaan Cu, C dan O. Untuk elemen Cu, Gambar 3c menyajikan spektrum XPS Cu 2p yang dekonvolusi Cu NP@PC dan Cu NP/C. Keduanya dihasilkan pada posisi puncak yang sama, yang menunjukkan komposisi yang sama dari kedua sampel. Dua puncak yang jelas pada 952,5 eV dan 932,8 eV diatribusikan ke Cu 2p₃/₂ dan Cu 2p₁/₂ Cu (0), yang menunjukkan keberadaan logam tembaga [38]. Energi ikatan pada 953,7 eV dan pada 934,8 eV diatribusikan ke Cu 2p₃/₂ dan Cu 2p₁/₂ dari Cu(II)[39,40,41]. Keberadaan Cu(II) juga dapat dikonfirmasi oleh puncak satelit lemah pada 944,2 eV dan 941,4 eV[10]. Dari puncak fitting yang sesuai dengan Cu(0) dan Cu(II), rasio Cu(0)/Cu(II) pada Cu NP@PC dan Cu NP/C diperkirakan masing-masing 2,2 dan 1,8. Ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa atom tembaga permukaan pada Cu NP@PC tidak mudah teroksidasi karena selubung lapisan karbon porosus. Sementara itu, lebih banyak atom logam tembaga mungkin memainkan peran penting untuk sensing glukosa. Untuk spektrum C1s dari kedua sampel dalam Gambar 3d, tiga sinyal yang terletak pada 289 eV, 286 eV dan 284,8 eV sesuai dengan C=O, C–O, C–C/C–H, masing-masing, yang menunjukkan keberadaan grup fungsional mengandung oksigen seperti grup karboxil [42, 43] dan sesuai dengan hasil dari FTIR.
a Spektrum survei XPS Cu NP@PC; b Spektrum survei XPS Cu NP/C; c Spektrum XPS Cu 2p Cu NP@PC dan Cu NP/C; dan d Spektrum XPS C 1 Cu NP@PC dan Cu NP/C
Berdasarkan keuntungan karbon porosus, properti sensing elektrokimia Cu NP@PC dan Cu NP/C terhadap glukosa diselidiki dalam larutan KOH 0,1 M. Bahan karbon murni tanpa nanopartikel tembaga digunakan sebagai sampel referensi. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a, kurva voltametri siklik (CV) menunjukkan respons arus terbesar dari Cu NP@PC dengan kehadiran 0,2 mM glukosa dalam elektrolit, dibandingkan dengan Cu NP/C dan sampel karbon murni. Secara spesifik, kepadatan arus 0,31 mA/cm⁻² diperoleh pada potensial 0,55 V. Ini menunjukkan bahwa Cu NP@PC yang disiapkan adalah katalis terbaik untuk oksidasi glukosa, yang dapat dipahami dengan memiliki struktur poros. Seperti yang dilaporkan, porositas dapat mempromosikan transfer massa [29]. Di sini, untuk mendemonstrasikan transfer massa yang ditingkatkan, efek laju sken pada oksidasi glukosa diselidiki pada elektroda yang dimodifikasi Cu NP@PC. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4b, kepadatan arus meningkat secara bertingkat seiring berubahnya laju sken dari 20, 40, 60 hingga 80 mV/s. Gambar 4c menunjukkan kurva fitting antara kepadatan arus (J_p) dan akar kuadrat laju sken (v^1/2). Hubungan linier dapat diekspresikan sebagai: J_p = 0,00254 v^1/2 − 0,00359 (koefisien korelasi: R² = 0,995), yang menunjukkan proses yang dikontrol difusi dari oksidasi glukosa pada elektroda yang dimodifikasi Cu NP@PC [44]. Selain itu, dalam Gambar 4d, spektrum impedansi elektrokimia (EIS) menunjukkan bahwa resistensi transfer muatan Cu NP@PC lebih rendah dari Cu NP/C. Oleh karena itu, dengan menggabungkan transfer massa yang dipromosikan dan proses transfer elektron yang ditingkatkan, oksidasi katalitik glukosa pada elektroda yang dimodifikasi Cu NP@PC dapat diilustrasikan dalam Gambar 4e. Cu(II) pertama kali dioksidasi menjadi Cu(III), yang kemudian menerima sebuah elektron dan direduksi menjadi Cu(II). Selama proses ini, molekul glukosa menyumbangkan sebuah elektron dan dioksidasi menjadi glukonolakton. Dengan manfaat porositas bahan, glukonolakton yang terbentuk dapat dengan cepat ditransfer ke dalam larutan dan kemudian terhidrolisis menjadi asam glukonat [3, 45].
a Kurva CV Cu NP@PC, Cu NP/C dan sampel karbon murni untuk reaksi oksidasi glukosa; (0,2 mM glukosa, 0,1 M KOH, laju sken: 100 mV/s.) b Kurva CV Cu NP@PC dalam 0,1 M KOH pada laju sken yang berbeda (20, 40, 60, 80 mV/s); c Plot kepadatan arus pada 0,4 V terhadap akar kuadrat laju sken; d Spektrum impedansi elektrokimia Cu NP@PC dan Cu NP/C; dan e Diagram skematis proses mekanisme konversi glukosa pada Cu NP@PC
Berdasarkan performa oksidasi katalitik elektrokimia yang unggul, potensi performa sensing Cu NP@PC terhadap glukosa diperiksa. Untuk mempelajari secara kualitatif respons arus Cu NP@PC terhadap konsentrasi glukosa, voltametri siklik dilakukan pada konsentrasi 2, 4, 6, 8 dan 10 mM. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a, kepadatan arus dari elektroda yang dimodifikasi Cu NP@PC secara bertingkat meningkat seiring meningkatnya konsentrasi glukosa, yang menunjukkan potensi performa sensing yang unggul. Untuk mengungkap secara kuantitatif properti sensing glukosa Cu NP@PC, koroamperometri (I-t) dilakukan dan potensial 0,55 V dipilih. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b, kepadatan arus dari elektroda yang dimodifikasi Cu NP@PC meningkat secara bertingkat seiring meningkatnya konsentrasi glukosa dari 0,01 hingga 1,1 mM. Dari kurva I–t, dalam Gambar 5d, kurva kalibrasi yang dipasang antara konsentrasi glukosa dan arus respons dapat diekspresikan sebagai: y = 0,3378 x + 0,0077 (koefisien korelasi: R² = 0,997). Sementara itu, sensitivitas ditetapkan sebesar 84,5 μA (mmol/L)⁻¹. Menurut rumus LOD = 3σ/q [46] (σ merujuk pada deviasi standar respons kosong dan q adalah kemiringan kurva regresi linier tersebut), batas deteksi dihitung sebesar 2,1 μmol/L. Kedua indeks ini jauh lebih baik daripada sebagian besar laporan sebelumnya, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6b [47,48,49,50,51,52]. Sebagai perbandingan, kepadatan arus kurva I-t dari elektroda yang dimodifikasi Cu NP/C juga menunjukkan perubahan bertingkat seiring meningkatnya konsentrasi glukosa, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5c. Namun, besarnya perubahan secara signifikan berkurang. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5d, kurva linier fitting antara konsentrasi glukosa dan arus respons direpresentasikan sebagai: y = 0,007 x + 0,0017 (koefisien korelasi R² = 0,998). Sensitivitas adalah 1,75 μA (mmol/L)⁻¹ dan batas deteksi diperkirakan sebesar 10 μmol/L. Oleh karena itu, dibandingkan dengan hasil Cu NP/C, performa sensing sampel Cu NP@PC juga ditingkatkan oleh substrat karbon porosus.
a Kurva CV Cu NP@PC dalam 0,1 M KOH dengan kehadiran glukosa pada konsentrasi yang berbeda 2, 4, 6, 8 dan 10 mM. Laju sken: 100 mV/s; b Respons amperometrik Cu NP@PC setelah penambahan berturut-turut larutan glukosa dalam 0,1 M KOH pada 0,55 V (vs Ag/AgCl); c Respons amperometrik Cu NP/C setelah penambahan berturut-turut larutan glukosa dalam 0,1 M KOH pada 0,55 V (vs Ag/AgCl); dan d Kurva kalibrasi yang sesuai Cu NP@PC dan Cu NP/C untuk sensing glukosa. Batak error diperoleh berdasarkan tiga kali ulang eksperimen
a Arus respons Cu NP@PC setelah injeksi larutan glukosa 0,01 mM, larutan ammonium asetat (NH₄OAc) 0,01 mM, larutan klorida natrium (NaCl) 0,01 mM, larutan urea (UA) 0,01 mM, larutan asam sitrat (CA) 0,01 mM, masing-masing; dan b Perbandingan LOD dan sensitivitas antara Cu NP@PC dan bahan yang sebelumnya dilaporkan
Seperti yang diketahui, kemampuan anti-interferensi adalah faktor kunci lain untuk mengevaluasi performa sensing bahan. Dalam pekerjaan ini, untuk menyelidiki selektivitas elektroda yang dimodifikasi Cu NP@PC terhadap glukosa, beberapa zat interferensi termasuk ammonium asetat (NH₄OAc), klorida natrium (NaCl), urea (UA), asam sitrat (CA) dengan konsentrasi 0,01 mM dipilih dan diinjeksikan berturut-turut ke dalam elektrolit [53]. Jelas, perubahan kepadatan arus yang disebabkan oleh zat interferensi dapat diabaikan. Hanya ketika 0,01 mM glukosa diinjeksi, kepadatan arus meningkat secara signifikan terlepas dari interferensi di atas, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6a. Selain itu, menggunakan urine sebagai substrat, sistem yang diusulkan ini masih dapat mencapai deteksi sensitivitas glukosa, yang dapat dibandingkan dengan kertas uji komersial (Berkas Tambahan 1: Gambar S3 dan S4). Oleh karena itu, bahan Cu NP@PC memiliki kemampuan oksidasi katalitik elektrokimia dan sensing yang unggul terhadap glukosa.
Kesimpulan
Komposit yang terdiri dari nanopartikel tembaga dan substrat karbon porosus dirancang dan disintesis dengan membakar kertas filter komersial yang diimpregnasi ion tembaga. Dengan keuntungan porositas, Cu NP@PC yang disiapkan menunjukkan kemampuan yang unggul untuk oksidasi glukosa elektrokimiawi dan sensing. Sensitivitas ditetapkan sebesar 84,5 μA mM⁻¹ dan batas deteksi dihitung sebesar 2,1 μM, yang jauh lebih unggul dari sebagian besar laporan sebelumnya. Selain itu, elektroda yang dimodifikasi Cu NP@PC juga menunjukkan selektivitas yang baik untuk glukosa. Oleh karena itu, komposit yang disiapkan dalam pekerjaan ini akan memberikan tidak hanya kandidat baru untuk membangun sensor glukosa portable, tetapi juga pemikiran baru untuk persiapan bahan karbon porosus.
Ketersediaan Data dan Bahan
Data dan kesimpulan dalam pekerjaan ini semuanya ditampilkan dalam paper ini.
