Substrat Karbon Berpori Meningkatkan Kinerja Penginderaan Nanopartikel Tembaga Terhadap Glukosa
Abstrak
Sebuah sensor yang akurat untuk secara cepat menentukan konsentrasi glukosa sangat penting bagi kesehatan tubuh manusia, karena diabetes telah menjadi insiden yang sangat tinggi di seluruh dunia. Dalam karya ini, nanopartikel tembaga yang ditampung dalam substrat karbon berpori (Cu NP@PC), disintesis dengan mengkalsinasi kertas saring yang diresapi dengan ion tembaga pada suhu tinggi, dirancang sebagai bahan aktif elektroda untuk penginderaan elektrokimia glukosa. Selama pembentukan karbon berpori, nanopartikel tembaga secara spontan ditampung ke dalam rongga yang terbentuk dan membentuk komposit setengah tertutup. Untuk oksidasi glukosa elektrokimia, komposit Cu NP@PC yang disiapkan menunjukkan aktivitas katalitik yang jauh lebih unggul dengan kerapatan arus 0,31 mA/cm
2
pada potensial 0,55 V dengan adanya glukosa 0,2 mM. Berdasarkan aktivitas oksidasi elektrokimia yang tinggi, komposit Cu NP@PC saat ini juga menunjukkan kinerja penginderaan glukosa yang unggul. Sensitivitas ditentukan menjadi 84,5 A /(mmol
.
L) dengan rentang linier 0,01 ~ 1,1 mM dan batas deteksi rendah (LOD) 2,1 μmol/L. Dibandingkan dengan nanopartikel tembaga yang didukung karbon tidak berpori (Cu NP/C), hal ini dapat dibenarkan dengan peningkatan transfer massa dan memperkuat efek sinergis antara nanopartikel tembaga dan substrat karbon berpori.
Pengantar
Dalam beberapa tahun terakhir, diabetes telah mendapat perhatian besar di seluruh dunia, mempromosikan penentuan konsentrasi glukosa yang cepat dan akurat [1]. Berbagai teknik telah dikembangkan [2]. Dengan keunggulan pengoperasian yang mudah, respons yang cepat, dan sensitivitas yang tinggi, metode elektrokimia menjadi perhatian khusus dalam penginderaan glukosa, dan bahan aktif elektroda sangat penting untuk sensor [3, 4]. Sejauh ini, bahan yang dilaporkan dengan aktivitas respons glukosa yang baik termasuk logam mulia (emas [4], perak [5], platinum [6], paladium [7]), logam non-mulia (tembaga [8], nikel [9] ), oksida logam (seng oksida [10], oksida mangan [11], oksida nikel [12], oksida besi [13]), dan bahan karbon (karbon nanotube [14], karbon nanodot [15], karbon mesopori [16] ]), dll. Di antara bahan-bahan ini, komposit berbasis tembaga menunjukkan potensi besar untuk membangun platform penginderaan yang efisien untuk glukosa, sebagai akibat dari biaya rendah [3], konduktivitas listrik yang baik [17], luas permukaan spesifik yang terkontrol. Sementara itu, dilaporkan bahwa kinerja elektrokimia bahan berbasis tembaga akan meningkat secara signifikan dengan membentuk komposit dengan substrat karbon seperti grapheme [18, 19], carbon nanofibers [20], karbon nanotube [21] dan karbon mesopori [22] . Misalnya, Zhang et al. menyiapkan nanopartikel tembaga pada komposit graphene yang diinduksi laser dan berhasil mengembangkan biosensor amperometrik glukosa bebas enzim yang fleksibel. Diuntungkan dari kesederhanaan dan sensitivitasnya yang tinggi, sensor tersebut diharapkan dapat digunakan pada biosensor yang dapat dipakai atau ditanamkan [23]. Menggunakan metode arc discharge, material komposit CuO dan nanotube karbon berdinding tunggal disintesis oleh kelompok Wang. Jaringan yang sangat konduktif difasilitasi oleh nanotube karbon menyebabkan sensitivitas tinggi dan selektivitas yang baik dalam penginderaan glukosa [21]. Karena konduktivitas yang baik dari kawat nano tembaga dan transfer elektron yang cepat dalam lapisan graphene oxide (rGO) tereduksi dua dimensi, Ju et al. mensintesis komposit kawat nano tembaga satu dimensi dan nanosheet rGO dua dimensi, menunjukkan sensitivitas 1625 \(\upmu\)A/(mM·cm
2
) dan batas deteksi 0,2 \(\upmu\)M untuk deteksi glukosa [3]. Banyak peningkatan kinerja bahan berbasis tembaga telah dicapai, namun masih belum cukup untuk aplikasi nyata dari perangkat portabel. Ini berarti perlu untuk mencari template atau pencocokan baru untuk nanopartikel tembaga.
Dengan struktur kerangka tiga dimensi khusus [24], karbon berpori tidak hanya memiliki situs pengikatan yang melimpah untuk mempromosikan dispersi pusat aktif logam, tetapi juga menyediakan area permukaan spesifik yang lebih besar yang meningkatkan aksesibilitas elektron dan zat reaktif [25,26 ,27]. Dalam beberapa tahun terakhir, karbon berpori telah diakui sebagai jenis modifikasi dan bahan substrat yang menjanjikan, yang dapat sangat meningkatkan aktivitas penginderaan elektrokimia bahan logam. Misalnya, Li et al. menyelidiki komposit Co7 Biaya3 nanopartikel paduan tertanam dalam nanosheet karbon berpori (Co7 Biaya3 /NPCS). Hasilnya menunjukkan rentang linier yang jauh lebih lebar untuk deteksi glukosa (dari 0,001 hingga 14,00 mM), karena efek nanoconfined dari karbon berpori [28]. Menggunakan kerangka logam-organik (MOFs) sebagai template pengorbanan diri untuk menyiapkan bahan karbon berpori, nanopartikel nikel tertanam pada nanorod karbon nanopori yang disiapkan oleh Jia et al. menyajikan sifat penginderaan glukosa yang baik dengan waktu respons yang cepat (dalam 1,6 detik) [29]. Lagu dkk. membangun komposit (Cu@C-500) yang terdiri dari nanopartikel tembaga yang tertanam secara seragam pada lapisan karbon berpori dengan menggunakan Cu MOF sebagai bahan baku. Karena porositas hierarkis, ia menunjukkan sensitivitas tinggi dan batas deteksi rendah, dan menghadirkan potensi besar dalam perangkat sensor glukosa [30]. Oleh karena itu, dengan efek struktural dan elektronik yang unik, bahan karbon berpori diharapkan menjadi mitra yang sangat baik untuk lebih meningkatkan kinerja elektrokimia bahan nano tembaga dalam penginderaan glukosa.
Di sini, dalam karya ini, komposit nanopartikel tembaga yang diakomodasi dalam substrat karbon berpori dirancang dan disintesis dengan mengkalsinasi kertas saring murah yang diresapi dengan ion tembaga pada suhu tinggi. Selama proses sintesis, pembentukan karbon berpori dan akomodasi nanopartikel tembaga terjadi secara bersamaan, yang dapat ditunjukkan dengan pemindaian mikroskop elektron dan mikroskop elektron transmisi. Untuk pengukuran elektrokimia, hasil menunjukkan bahwa sampel yang disiapkan (Cu NP@PC) menunjukkan aktivitas elektrokatalitik yang tinggi untuk oksidasi glukosa dengan rapat arus 0,31 mA/cm
−2
pada potensi 0,55 V dengan adanya glukosa 0,2 mM, yang jauh lebih baik daripada dari NP/C Cu. Untuk penginderaan glukosa, sensitivitas ditentukan menjadi 84,5 A (mmol/L)
−1
dan batas deteksi dihitung menjadi 2,1 mol/L, jauh lebih unggul daripada sebagian besar bahan yang dilaporkan sebelumnya. Selain itu, selektivitas yang baik dari bahan ini juga ditunjukkan oleh eksperimen anti-interferensi.
Eksperimental
Reagen
Tembaga nitrat (Cu(NO3 )2 ·3H2 O, AR), etanol (C2 H5 OH, 99,8%), glukosa (C6 H12 O6 , 96%), urea (CH4 N2 O, AR, 99%), asam sitrat (C6 H8 O7 , AR, 99,5%), amonium asetat (CH3 COONH4 , AR), natrium klorida (NaCl, AR, 99,5%), kalium hidroksida (KOH, AR, 85%). Semua reagen yang disebutkan di atas dibeli dari Aladdin. Solusi Nafion D520 5% diperoleh dari DuPont, dan kertas saring dibeli dari Hangzhou Fuyang BEIMU Pulp Co., Ltd. Kertas karbon dari kertas karbon konduktif Toray Jepang (TGP-060). Air yang digunakan dalam seluruh percobaan adalah air ultra murni dengan konduktivitas 18,25 MΩ⋅cm.
Instrumen
Spektrum difraksi sinar-X (XRD) diperoleh dari instrumen X'Pert PRO MPD serbuk serbaguna difraktometer sinar-X. Spektrum inframerah transformasi Fourier (FT-IR) dalam kisaran 1000–4000 cm
−1
direkam dari spektrometer IS50 FT-IR. Spektrum Raman diukur dalam sistem inVia Qontor (Renishaw, UK) pada panjang gelombang 532 nm. Pengukuran spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS) dilakukan pada spektrometer Thermo ESCALAB 250XI yang bekerja pada 120 W. Morfologi sampel dikarakterisasi dengan mikroskop elektron pemindaian (SEM) Hitachi S4800 dengan tegangan percepatan kerja 20 kV. Gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) dikumpulkan dari Tecnai G2 F20. Pengukuran Brunauer–Emmett–Teller (BET) dilakukan pada peralatan adsorpsi fisik luas permukaan spesifik (ASAP2020M).
Sintesis Cu NP@PC dan Cu NP/C
Biasanya, sintesis Cu NP@PC diselesaikan dengan pirolisis suhu tinggi dua langkah. Pertama, kertas saring komersial diizinkan untuk diolah terlebih dahulu pada 250 ° C selama 1 jam dalam tungku tabung di bawah atmosfer nitrogen. Selanjutnya, selembar kertas saring kuning pucat yang telah diberi perlakuan dengan ukuran 10 mm \(\kali\) 50 mm direndam dalam larutan tembaga nitrat biru transparan dengan konsentrasi 0,1 M, dan dikeluarkan setelah 10 menit. Setelah dikeringkan pada suhu kamar, kertas saring dimasukkan ke dalam wadah porselen bersih dan diberi perlakuan berturut-turut pada suhu 180 °C, 240 °C, 900 °C selama 2 jam, 2 jam, dan 1 jam dalam tungku berbentuk tabung di bawah perlindungan nitrogen, masing-masing. . Akhirnya, produk Cu NP@PC dikumpulkan ketika sistem didinginkan hingga suhu kamar, dan digiling sebelum uji elektrokimia. Untuk sampel kontrol, sintesis Cu NP/C dan karbon murni dilakukan melalui prosedur yang sama, kecuali konsentrasi tembaga nitrat masing-masing adalah 0,2 M dan 0 M.
Pengukuran Elektrokimia
Dalam pekerjaan ini, semua pengujian elektrokimia dilakukan pada stasiun kerja elektrokimia CHI 760E dengan sistem tiga elektroda standar pada suhu kamar. Sebelum percobaan, beberapa lembar kertas karbon (5 mm × 5 mm) sebagai pengumpul arus dibilas dengan air, etanol dan dikeringkan semalaman pada suhu 60 °C. Untuk preparasi tinta katalis, sampel 10 mg (Cu NP@PC, Cu NP/C atau serbuk karbon murni) dicampur dengan etanol, air, dan larutan Nafion (5%) dalam proporsi tertentu 10:10:1 sampai membentuk dispersi yang seragam. Kemudian, tinta katalis 40 L diteteskan di atas kertas karbon bersih dengan beban 1,6 mg/cm
2
, yang digunakan sebagai elektroda kerja. Elektroda Ag/AgCl (KCl jenuh) dan batang grafit masing-masing digunakan sebagai elektroda referensi dan elektroda lawan. Untuk percobaan elektrokimia, voltametri siklik dan voltametri sapuan linier diadopsi untuk menguji secara kualitatif kinerja potensial bahan yang disiapkan untuk oksidasi glukosa. Kronoamperometri digunakan untuk mengevaluasi kinerja penginderaan dari bahan yang disiapkan secara kuantitatif. Dalam keseluruhan proses, larutan KOH 0,1 M dipilih sebagai elektrolit.
Hasil dan Diskusi
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a, untuk sintesis bahan target, perlakuan pemanasan awal diizinkan untuk menghilangkan kotoran dan uap air yang tidak stabil dari kertas saring dengan perubahan warna menjadi kuning muda. Kemudian, untuk mendukung nanopartikel logam, kertas saring yang telah diolah diinfiltrasikan ke dalam larutan ion tembaga. Selama proses kalsinasi suhu tinggi dalam tungku tubular, atom tembaga dan kristalit kecil terbentuk. Karena nukleasi dan laju pertumbuhan nanopartikel tembaga kurang dari laju pirolisis karbon, mikrokristal tembaga awal ini dapat mengkatalisis dekomposisi dan penguapan karbon, yang mengarah pada pembentukan lubang [31]. Akhirnya, sampel Cu NP@PC berwarna coklat-hitam disiapkan. Perhatikan bahwa konsentrasi ion tembaga yang berlebihan akan meningkatkan laju nukleasi, menyebabkan pembentukan bahan karbon yang tidak berpori. Untuk mengidentifikasi komponen sampel yang disiapkan, pola difraksi sinar-X (XRD) dikumpulkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b. Sampel Cu NP@PC dan Cu NP/C menyajikan puncak difraksi tembaga dan karbon. Tiga puncak karakteristik tajam yang terletak pada sudut difraksi 43,2°, 50,3°, dan 73,9° masing-masing dapat dikaitkan dengan bidang kisi (111), (200) dan (220) dari nanopartikel tembaga (PDF#04-0836) [32, 33]. Puncak lebar dengan pusat sekitar 25 ° sesuai dengan wajah kristal (002) dari karbon grafit, yang akan mendorong transpor elektron dalam reaksi elektrokimia berikutnya [3, 25, 34]. Untuk menganalisis komposisi spesifik karbon, spektrum Raman dari Cu NP@PC dan Cu NP/C dikumpulkan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1c, pita-D dan pita-G dapat ditentukan dengan jelas oleh puncak sekitar 1350 cm
−1
dan 1600 cm
−1
, masing-masing [35]. Seperti yang dilaporkan, pita G disebabkan oleh gerakan relatif sp
2
atom karbon, sedangkan pita D terhubung dengan mode pernapasan cincin karbon [36]. Di sini, rasio pita D/G yang dihitung dari Cu NP@PC adalah 0,899, sama dengan nilai dari Cu NP/C. Oleh karena itu, distribusi karbon amorf dan grafit nanokristalin serupa dalam dua sampel. Hal ini menunjukkan komponen yang hampir sama dari dua bahan yang disiapkan, yaitu Cu NP@PC dan Cu NP/C terdiri dari nanopartikel tembaga dan kerangka karbon. Untuk lebih mengungkapkan informasi struktur mikro, spektrum FTIR dari Cu NP@PC dan Cu NP/C diselidiki. Seperti yang disajikan pada Gambar 1d, terlihat bahwa sinyal terletak pada 1734 cm
−1
dan 1628 cm
−1
muncul di Cu NP@PC yang dapat dikaitkan dengan vibrasi regangan C=O [39] dan vibrasi regangan C–O [40]. Dibandingkan dengan NP/C Cu, pita pada 2363 cm
−1
dari Cu NP@PC dikaitkan dengan karbon dioksida di udara. Sedikit pita serapan teramati pada 3466 cm
−1
dari Cu NP@PC dan Cu NP/C dapat digunakan untuk vibrasi regangan ikatan O–H dalam molekul air [37].
a Ilustrasi skema preparasi sampel Cu NP@PC dan Cu NP/C; b Pola difraksi sinar-X (XRD) Cu NP@PC dan Cu NP/C; c Spektrum Raman dari 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, percobaan mikroskop elektron pemindaian (SEM) dilakukan. Untuk sampel Cu NP@PC, gambar SEM pada Gambar 2a menunjukkan bahwa lubang yang melimpah tersebar secara acak di permukaan lapisan karbon, dan nanopartikel tembaga hanya berada di lubang ini. Gambar 2b menunjukkan bahwa hampir semua nanopartikel tembaga setengah di dalam dan setengah di luar. Seperti yang dilaporkan, reaksi elektrokimia biasanya melibatkan elektron dan transpor massa. Dengan demikian, setengah bagian dalam akan kondusif untuk transfer elektron dengan substrat karbon, sementara setengah bagian luar dapat bertindak sebagai situs aktif, berinteraksi dengan zat. Ini pada akhirnya akan meningkatkan efisiensi reaksi elektrokimia. Pada Gambar. 2c, tidak ada karbon berpori yang ditemukan dan semua nanopartikel tembaga tersangga pada permukaan karbon dalam sampel Cu NP/C. Beberapa aglomerasi bahkan terjadi pada Gambar. 2d. Selain itu, ukuran nanopartikel tembaga dari dua sampel masing-masing adalah 0,406 dan 0,398 m, berdasarkan seratus nanopartikel logam. Dengan demikian, ukuran nanopartikel tembaga yang tumbuh di bawah dua konsentrasi ion tembaga yang berbeda tidak jauh berbeda, menunjukkan bahwa peningkatan konsentrasi ion tembaga hanya dapat mengontrol morfologi karbon. Selain itu, dapat dilihat dari gambar TEM pada Gambar. 2e bahwa nanopartikel tembaga yang diperbesar memiliki ukuran yang mirip dengan lubang-lubang ini dan sebagian terbungkus di dalamnya, sekali lagi menunjukkan bahwa keberhasilan pembentukan komposit target. Untuk lebih mengungkapkan sifat berpori dari bahan yang disiapkan, isoterm adsorpsi nitrogen dari Cu NP@PC dan Cu NP/C dipelajari. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2f, luas permukaan BET yang dihitung dari bahan nano Cu NP@PC adalah 309,95 m
2
/g, jauh lebih tinggi dari Cu NP/C. Hal ini sesuai dengan hasil dari SEM dan TEM.
a , b Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) dari Cu NP@PC pada perbesaran yang berbeda; c , d Gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) Cu NP/C pada perbesaran yang berbeda; e Gambar mikroskop elektron transmisi (TEM) dari Cu NP@PC; dan f Brunauer–Emmett–Teller (BET) analisis luas permukaan 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 dari Cu NP@PC dan Cu NP/C, masing-masing, yang menunjukkan keberadaan Cu, C dan O. Untuk elemen Cu, Gambar 3c menyajikan Cu2 yang terdekonvolusi p Spektrum XPS dari Cu NP@PC dan Cu NP/C. Kedua sinyal diproduksi pada posisi puncak yang sama, menunjukkan komposisi dua sampel yang sama. Dua puncak yang jelas pada 952,5 eV dan 932,8 eV dikaitkan dengan Cu2p3/2 dan Cu2p1/2 dari Cu (0), menunjukkan adanya logam tembaga [38]. Energi ikat pada 953,7 eV dan 934,8 eV ditetapkan ke Cu2p3/2 dan Cu2p1/2 dari Cu(II)[39,40,41]. Kehadiran Cu(II) juga dapat dikonfirmasi oleh puncak satelit yang lemah pada 944,2 eV dan 941,4 eV[10]. Dari puncak pemasangan yang sesuai dengan Cu(0) dan Cu(II), rasio Cu(0)/Cu(II) dalam Cu NP@PC dan Cu NP/C diperkirakan masing-masing adalah 2,2 dan 1,8. Hal ini dapat dijelaskan oleh fakta bahwa permukaan atom tembaga di Cu NP@PC tidak mudah teroksidasi karena enkapsulasi lapisan karbon berpori. Sementara itu, lebih banyak atom tembaga logam mungkin memainkan peran penting untuk penginderaan glukosa. Untuk C1s spektrum dari dua sampel pada Gambar. 3d, tiga sinyal terletak di 289 eV, 286 eV dan 284,8 eV sesuai dengan C=O, C–O, C–C/C–H, masing-masing, menunjukkan adanya oksigen yang mengandung gugus fungsi seperti gugus karboksil [42, 43] dan sesuai dengan hasil FTIR.
a Spektrum survei XPS Cu NP@PC; b Spektrum survei XPS NP/C Cu; c Cu 2p Spektrum XPS dari Cu NP@PC dan Cu NP/C; dan d Spektrum C 1 XPS dari Cu NP@PC dan Cu NP/C
Berdasarkan keunggulan karbon berpori, sifat penginderaan 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 ditunjukkan pada Gambar. 4a, kurva voltametri siklik (CV) menunjukkan respons arus terbesar dari Cu NP@PC dengan adanya glukosa 0,2 mM dalam elektrolit, jika dibandingkan dengan Cu NP/C dan sampel karbon murni. Secara khusus, rapat arus 0,31 mA/cm
−2
diperoleh pada potensial 0,55 V. Hal ini menunjukkan bahwa Cu NP@PC yang dibuat adalah katalis terbaik untuk oksidasi glukosa, yang dapat dibenarkan karena memiliki struktur berpori. Seperti yang dilaporkan, porositas dapat meningkatkan transportasi massal [29]. Di sini, untuk mendemonstrasikan peningkatan transpor massa, pengaruh laju pemindaian pada oksidasi glukosa diselidiki pada elektroda termodifikasi Cu NP@PC. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4b, kerapatan arus meningkat dalam gradien dengan laju pemindaian berubah dari 20, 40, 60 menjadi 80 mV/s. Gambar 4c menunjukkan kurva pas antara rapat arus (Jp ) dan akar kuadrat dari kecepatan pemindaian (v
1/2
). Hubungan linier dapat dinyatakan sebagai:Jp = 0,00254 v
1/2
0,00359 (koefisien korelasi:R
2
= 0.995), menunjukkan proses difusi terkontrol dari oksidasi glukosa pada elektroda termodifikasi Cu NP@PC [44]. Selanjutnya, pada Gambar. 4d, spektrum impedansi elektrokimia (EIS) menunjukkan bahwa resistansi transfer muatan Cu NP@PC lebih rendah daripada Cu NP/C. Oleh karena itu, menggabungkan transpor massa yang dipromosikan dan proses transfer elektron yang ditingkatkan, oksidasi katalitik glukosa pada elektroda termodifikasi Cu NP@PC dapat digambarkan pada Gambar. 4e. Cu(II) pertama dioksidasi menjadi Cu(III), yang kemudian menerima elektron dan direduksi menjadi Cu(II). Selama proses ini, molekul glukosa menyumbangkan elektron dan dioksidasi menjadi glukonolakton. Memanfaatkan porositas bahan, glukonolakton yang terbentuk dapat dengan cepat dipindahkan ke dalam larutan dan kemudian dihidrolisis menjadi asam glukonat [3, 45].
a Kurva CV dari Cu NP@PC, Cu NP/C dan sampel karbon murni untuk reaksi oksidasi glukosa; (0,2 mM glukosa, 0,1 M KOH, laju pemindaian:100 mV/s.) b Kurva CV dari Cu NP@PC dalam 0,1 M KOH pada kecepatan pemindaian yang berbeda (20, 40, 60, 80 mV/s); c Plot rapat arus pada 0,4 V dalam kaitannya dengan akar kuadrat kecepatan pemindaian; d Spektrum impedansi elektrokimia Cu NP@PC dan Cu NP/C; dan e Diagram skematik mekanisme proses konversi glukosa pada Cu NP@PC
Menurut kinerja oksidasi katalitik elektrokimia yang unggul, kinerja penginderaan potensial Cu NP@PC terhadap glukosa diperiksa. Untuk mempelajari secara kualitatif respon arus Cu NP@PC terhadap konsentrasi glukosa, dilakukan voltametri siklik pada konsentrasi 2, 4, 6, 8 dan 10 mM. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, kerapatan arus dari elektroda yang dimodifikasi Cu NP@PC secara bertahap meningkat dengan meningkatnya konsentrasi glukosa, mengisyaratkan potensi kinerja penginderaan yang sangat baik. Untuk mengungkapkan sifat penginderaan glukosa secara kuantitatif dari Cu NP@PC, kronoamperometri (I-t) dilakukan dan potensi 0,55 V dipilih. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5b, kerapatan arus dari elektroda termodifikasi Cu NP@PC meningkat selangkah demi selangkah dengan konsentrasi glukosa meningkat dari 0,01 menjadi 1,1 mM. Dari kurva I-t, pada Gambar. 5d, kurva kalibrasi yang dipasang antara konsentrasi glukosa dan arus respons dapat dinyatakan sebagai:y = 0,3378 x + 0,0077 (koefisien korelasi:R
2
= 0.997). Sementara itu, sensitivitas ditentukan menjadi 84,5 A (mmol/L)
−1
. Menurut rumus LOD = 3σ /q [46] (σ mengacu pada standar deviasi dari respon kosong dan q adalah kemiringan kurva regresi linier), batas deteksi dihitung menjadi 2,1 mol/L. Kedua indeks ini jauh lebih baik daripada sebagian besar laporan sebelumnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b [47,48,49,50,51,52]. Sebagai perbandingan, rapat arus kurva I-t dari elektroda termodifikasi Cu NP/C juga menunjukkan perubahan gradien dengan meningkatnya konsentrasi glukosa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5c. Namun, besarnya perubahan berkurang secara signifikan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5d, kurva linier yang pas antara konsentrasi glukosa dan arus respons direpresentasikan sebagai:y = 0,007 x + 0,0017 (koefisien korelasi R
2
= 0.998). Sensitivitasnya adalah 1,75 A (mmol/L)
−1
dan batas deteksi diperkirakan 10 mol/L. Oleh karena itu, dibandingkan dengan hasil Cu NP/C, kinerja penginderaan sampel Cu NP@PC juga ditingkatkan oleh substrat karbon berpori.
a Kurva CV Cu NP@PC dalam 0,1 M KOH dengan adanya glukosa pada konsentrasi yang berbeda dari 2, 4, 6, 8 dan 10 mM. Kecepatan pemindaian:100 mV/s; b Respon amperometrik Cu NP@PC setelah penambahan berturut-turut larutan glukosa dalam 0,1 M KOH pada 0,55 V (vs Ag/AgCl); c Respon amperometrik Cu NP/C pada penambahan berturut-turut larutan glukosa dalam 0,1 M KOH pada 0,55 V (vs Ag/AgCl); dan d Kurva kalibrasi yang sesuai dari Cu NP@PC dan Cu NP/C untuk penginderaan glukosa. Bilah kesalahan diperoleh berdasarkan tiga pengulangan percobaan
a Arus respon Cu NP@PC setelah injeksi larutan glukosa 0,01 mM, amonium asetat 0,01 mM (NH4 OAc), 0,01 mM natrium klorida (NaCl), 0,01 mM urea (UA), masing-masing 0,01 mM asam sitrat (CA); dan b Kasih sayang LOD dan sensitivitas antara Cu NP@PC dan materi yang dilaporkan sebelumnya
Seperti diketahui, kemampuan anti-interferensi adalah faktor kunci lain untuk mengevaluasi kinerja penginderaan material. Dalam karya ini, untuk menyelidiki selektivitas elektroda termodifikasi Cu NP@PC terhadap glukosa, beberapa zat pengganggu termasuk amonium asetat (NH4 OAc), natrium klorida (NaCl), urea (UA), asam sitrat (CA) dengan konsentrasi 0,01 mM dipilih dan disuntikkan berturut-turut ke dalam elektrolit [53]. Jelas, perubahan kerapatan arus yang disebabkan oleh zat pengganggu dapat diabaikan. Hanya ketika 0,01 mM glukosa disuntikkan, kerapatan arus meningkat secara signifikan terlepas dari gangguan di atas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a. Selain itu, menggunakan urin sebagai substrat, sistem yang diusulkan ini masih dapat mencapai deteksi sensitivitas glukosa, sebanding dengan kertas uji komersial (File tambahan 1:Gambar S3 dan S4). Oleh karena itu, bahan Cu NP@PC memiliki oksidasi katalitik elektrokimia yang sangat baik dan kemampuan penginderaan terhadap glukosa.
Kesimpulan
Sebuah komposit yang terdiri dari nanopartikel tembaga dan substrat karbon berpori dirancang dan disintesis dengan mengkalsinasi kertas saring komersial yang diresapi dengan ion tembaga. Dengan keunggulan porositas, Cu NP@PC yang disiapkan menunjukkan kemampuan yang sangat baik untuk oksidasi dan penginderaan glukosa elektrokimia. Sensitivitas ditentukan menjadi 84,5 A mM
−1
dan batas deteksi dihitung menjadi 2,1 M, yang jauh lebih unggul daripada sebagian besar laporan sebelumnya. Lebih lanjut, elektroda termodifikasi Cu NP@PC juga menunjukkan selektivitas yang baik untuk glukosa. Oleh karena itu, komposit yang disiapkan dalam pekerjaan ini tidak hanya akan memberikan kandidat baru untuk membangun sensor glukosa portabel, tetapi juga pemikiran baru untuk persiapan bahan karbon berpori.
Ketersediaan data dan materi
Data dan kesimpulan dalam karya ini semuanya ditampilkan dalam makalah ini.
