Sensor de glucosa no enzimático de alta sensibilidad basado en nanopétalos mesoporosos de NiO crecidos en FTO

Resumen

Se reporta un sensor de glucosa no enzimático construido sobre nanopétalos mesoporosos y bien alineados de óxido de níquel (NiO) crecidos hidrotermalmente sobre vidrio de óxido de estaño dopado con flúor (FTO). El análisis estructural (XRD, SEM, TEM, AFM, EDX, XPS) confirma una morfología de nanopétalos densa y verticalmente orientada con espesor promedio de 25–30 nm. El área superficial BET de 115 m² g⁻¹ y tamaño de poro de 3,7 nm indican excelente accesibilidad electroquímica. El sensor ofrece respuesta lineal de 50 μM a 1,2 mM glucosa con sensibilidad de 3,9 μA μM⁻¹ cm⁻² a 0,5 V, límite de detección de 1 μM y tiempo de respuesta inferior a 1 s. Muestra interferencia despreciable de ácido ascórbico, ácido úrico y dopamina, convirtiéndolo en una sonda de glucosa no enzimática fiable.

Introducción

El manejo de la diabetes depende de una monitorización precisa y en tiempo real de la glucosa. Los sensores enzimáticos convencionales dependen de la glucosa oxidasa (GOx) y sufren de vida útil limitada y sensibilidad a temperatura, pH y reactivos tóxicos. Los sensores no enzimáticos basados en óxidos metálicos evitan estos problemas oxidando directamente la glucosa en la superficie del electrodo. Nanostructuras de NiO, CuO, TiO₂ y ZnO han surgido como candidatos prometedores debido a su alta relación superficie-volumen y actividad catalítica. La nanoestructuración aumenta aún más el área superficial activa, mejorando el rendimiento del sensor. Aquí presentamos nanopétalos de NiO crecidos en FTO, diseñados para una oxidación óptima de glucosa.

Experimental

Nitrato de níquel y persulfato de potasio se mezclaron con trazas de solución amoniacal para guiar la alineación de nanoestructuras de NiO. La solución precursora se trató hidrotermalmente a 150 °C durante 5 h sobre vidrio FTO, se enjuagó, secó y recoció a 250 °C durante 2 h. XRD (Rigaku SmartLab, Cu-Kα, λ = 1,54 Å), SEM (Zeiss Supra55), TEM, AFM (Bruker MultiMode 8-HR), EDX (Oxford Instruments) y XPS (SPECS) caracterizaron la estructura y composición. El análisis BET (Quantachrome Autosorb iQ) cuantificó área superficial y porosidad. Las mediciones electroquímicas usaron un trabajo Keithley 2450-EC en configuración de tres electrodos con referencia Ag/AgCl (1 M KCl) y contraelectrodo de hilo Pt, empleando 0,1 M NaOH como electrolito.

Resultados y Discusión

Las imágenes SEM y AFM (Figura 1) revelan estructuras de NiO densamente empaquetadas, similares a pétalos de rosa, que cubren uniformemente el sustrato FTO. Cada pétalo tiene 25–30 nm de espesor, con características finas similares a espinas que aumentan el área superficial. TEM confirma la morfología, y EDX demuestra NiO de alta pureza con mínimo Sn del sustrato. XPS muestra Ni²⁺ en enlaces Ni-O y confirma la estructura cristalina FCC (picos XRD a 43°, 37°, 63°, 76°, 79°). Las mediciones BET indican una red mesoporosa con área superficial de 114,936 m² g⁻¹ y distribución de tamaño de poro centrada en 3,7 nm (Figura 2).

Las pruebas electroquímicas (Figura 3) muestran que el electrodo NiO-NPs@FTO es controlado por superficie: la corriente pico escala linealmente con la velocidad de barrido, indicando transferencia de carga eficiente. Voltametría cíclica en 0,1 M NaOH revela un pico de oxidación pronunciado entre 0 V y 0,6 V. En presencia de 5 mM glucosa, la corriente pico se duplica, confirmando la oxidación de glucosa. La vía de reacción implica la formación de NiO(OH) a partir de NiO, que oxida glucosa a gluconolactona y posteriormente a ácido glucónico, produciendo corriente medible (sensibilidad 3,9 μA μM⁻¹ cm⁻²). La espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) muestra un semicírculo reducido y una línea de baja frecuencia más pronunciada tras la adición de glucosa, corroborando la actividad electroquímica del sensor.

Las curvas de calibración (Figura 4) muestran linealidad (R² = 0,9948) en el rango 100 μM–1,2 mM glucosa, con respuesta amperométrica a +0,5 V que produce respuesta sub-segundo y excelente repetibilidad. Pruebas de selectividad contra ácido úrico, ácido ascórbico y ácido fólico demuestran interferencia despreciable, mientras que la corriente del sensor disminuye tras picos de glucosa, indicando reutilizabilidad. Comparado con sensores no enzimáticos recientes, el electrodo de NiO-NPs ofrece sensibilidad superior y respuesta rápida.

Conclusiones

Los nanopétalos de NiO densamente empaquetados crecidos hidrotermalmente en FTO proporcionan un sensor de glucosa no enzimático de alta sensibilidad. Con límite de detección de 1 μM, tiempo de respuesta inferior a 1 s y selectividad robusta, esta plataforma es adecuada para diagnóstico biomédico y análisis farmacéutico.

Figuras