Detección de Glucosa No Enzimática Altamente Sensible con Óxido de Níquel Hueco Poroso

Introducción

La determinación precisa, rápida y asequible de glucosa es crítica en bioquímica clínica, análisis farmacéutico, seguridad alimentaria y monitoréo ambiental. Entre técnicas disponibles, la detección electroquímica destaca por alta sensibilidad, bajo costo y bajos límites de detección. Sensores convencionales basados en glucosa oxidasa se limitan por inestabilidad enzimática. TMOs abundantes en la Tierra se han propuesto como alternativas, ofreciendo costo-efectividad, estabilidad estructural y actividad electroquímica. No obstante, electrodos TMO convencionales aún carecen de eficiencia catalítica para despliegue práctico. Por tanto, diseño racional de electrocatalizadores TMO sigue siendo desafío apremiante.

La cinética catalítica de un electrodo está estrechamente ligada a su microarquitectura. Mejorar área superficial, adaptar estructuras porosas e ingeniar arquitecturas jerárquicas puede mejorar dramáticamente actividad al proveer sitios activos abundantes, transporte de masa eficiente y vías cortas de transferencia electrónica. Estructuras huecas, en particular, combinan capa funcional con vacío interno, aumentando contacto con electrolito y mitigando expansión de volumen en mediciones repetidas. Integrando estas características, una arquitectura hueca-porosa puede transformar un TMO convencional en electrocatalizador altamente activo.

El óxido de níquel es un TMO prototípico que cataliza oxidación de glucosa vía par redox Ni²⁺/Ni³⁺ en medio alcalino, haciéndolo candidato atractivo para sensores de glucosa. Aquí reportamos NiO HPA cúbico fabricado por método CEP templado en Cu₂O seguido de calcinación. Comparado con contraparte hueca rota (NiO BHPA), el NiO HPA exhibe sensibilidad superior y menores límites de detección, subrayando valor del diseño hueco-poroso. Esta estrategia de síntesis facilita ruta práctica a sensores electroquímicos de alto rendimiento.

Experimental

Materiales

Todos reactivos grado analítico: CuCl₂·2H₂O, NiCl₂·6H₂O, Na₂S₂O₃·5H₂O, polivinilpirrolidona (PVP, M = 40 000) y NaOH de Chengdu Kelong. Glucosa, lactosa, sacarosa, fructosa, ácido L-ascórbico, ácido úrico y solución Nafion 5 % p/p (mezcla alcohol/agua) de Sigma-Aldrich sin purificación adicional.

Síntesis de Plantilla Cu₂O

Cubos Cu₂O se prepararon siguiendo protocolo previo. Brevemente, 20 mL NaOH 2 M se añadieron gota a gota a 200 mL CuCl₂·2H₂O 10 mM a 55 °C bajo agitación. Tras 30 min, 4 mL ácido ascórbico 0,6 M se introdujo gota a gota. La mezcla envejeció 3 h, luego se lavó repetidamente por centrifugación. Análisis XRD, SEM, TEM en Figura Suplementaria S1.

Síntesis de NiO HPA

NiO HPA se sintetizó vía CEP. 10 mg Cu₂O y 3 mg NiCl₂·6H₂O se dispersaron en 10 mL etanol-agua (1:1) y sonicaron 7 min. 0,33 g PVP se añadió bajo agitación vigorosa 30 min. Luego, 4 mL Na₂S₂O₃ 1 M se añadió; la reacción procedió a temperatura ambiente 3 h, tornando de rojo a verde claro, indicando formación Ni(OH)₂. El precipitado se lavó con etanol-agua tibio y secó. Calcinación a 400 °C (1 °C min⁻¹) 2 h en aire produjo NiO HPA. NiO BHPA se produjo sometiendo NiO HPA a 2 h sonicación intensa.

Caracterización de Materiales

XRD (Rigaku D/Max-2400) confirmó pureza de fase. XPS (ESCALAB250Xi) usó C 1s a 284,8 eV como referencia. Morfologías examinadas por FESEM (FEI Quanta 250, Zeiss Gemini 500) y HR-TEM (FEI F20). Área superficial BET y estructura porosa medidas con analizador Belsort-max.

Mediciones Electroquímicas

Todas pruebas en 0,1 M NaOH usando configuración tres electrodos: NiO HPA (o BHPA) modificado en electrodo carbono vítreo (GCE, Ø 3 mm) como trabajo, Ag/AgCl (KCl sat.) como referencia, y disco Pt (Ø 2 mm) como contraelectrodo. GCE pulido secuencialmente con alúmina 3 µm, 0,5 µm y 0,05 µm. Suspensión 10 mg NiO HPA en 0,1 mL Nafion + 0,9 mL agua depositada por gota en GCE (70,77 µg cm⁻²) y secada. Voltametría cíclica (CV), cronoamperometría (CA) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) en potenciostato Autolab. EIS registrado 0,01–100 kHz con perturbación 5 mV.

Resultados y Discusión

Caracterizaciones

Patrones XRD (Fig. 1a) muestran picos a 37,21°, 43,27°, 62,87° y 75,42° correspondientes a planos (111), (200), (220) y (311) de NiO cúbico centrado en caras (JCPDS #47-1049), confirmando pureza de fase. Espectros XPS survey (Fig. 1b) revelan señales O 1s y Ni 2p a 531,5 eV y 855,7 eV respectivamente. Espectro Ni 2p (Fig. 1c) muestra picos dobletes característicos a 855,8 eV (Ni 2p₃/₂) y 873,5 eV (Ni 2p₁/₂) con separación 17,7 eV, indicativo de NiO. Picos satélite aparecen a 861,5 eV y 880,0 eV. Desconvolución O 1s (Fig. 1d) identifica Ni–O (529,8 eV), oxígeno quimisorbido/hidroxilos (831,3 eV) y agua adsorbida (532,7 eV). Estos análisis confirman síntesis exitosa de NiO HPA.

a Patrón XRD de NiO HPA. b XPS survey, c Ni 2p y d O 1s.

Imágenes SEM y TEM (Fig. 2) revelan NiO HPA cúbico uniforme con longitud de arista ~600 nm y espesor de capa ~40 nm. La morfología hueca se confirma por interior translúcido y perfil EDX línea-escaneo (Fig. 2h) mostrando caída pronunciada de concentración elemental en el núcleo. HRTEM (Fig. 2f) resuelve franjas de red 0,21 nm (200) y 0,24 nm (111), coincidiendo con XRD. Patrones SAED confirman estructura cristalina cúbica. Mapeo elemental (Fig. 2g) muestra distribución homogénea Ni y O.

a–c Imágenes SEM, d–e TEM, f HRTEM, g mapeo STEM-EDX y h escaneo línea EDX de NiO HPA.

TEM resuelto en tiempo (Fig. 3) e imágenes ópticas (Fig. 3b) ilustran mecanismo CEP: esquinas Cu₂O se graban preferencialmente por S₂O₃²⁻, generando complejos Cu²⁺-S₂O₃ y liberando OH⁻. El OH⁻ liberado precipita Ni²⁺ como Ni(OH)₂, formando capa que encapsula núcleo Cu₂O que se encoge. Sincronización controlada de grabado y precipitación produce precursor hueco Ni(OH)₂ bien definido, que convierte a NiO HPA tras calcinación.

a TEM varios tiempos, b fotos ópticas, c esquema CEP.

Análisis BET (Fig. 4) muestra NiO HPA posee área superficial específica 27,08 m² g⁻¹ y volumen poroso 0,087 cm³ g⁻¹, con distribución tamaño poro centrada ~7 nm —indicativa de canales inter-partícula ordenados. En contraste, NiO BHPA tiene SSA drásticamente reducida (5,24 m² g⁻¹) y distribución porosa despreciable por colapso estructural por sonicación. Estas diferencias influyen directamente en rendimiento electrocatalítico.

a Adsorción-desorción N₂ para NiO HPA, b para NiO BHPA. Inset: distribución tamaño poro.

Rendimiento Electroquímico

CVs (Fig. 5a) revelan picos redox Ni²⁺/Ni³⁺ distintos a 0,48 V y 0,38 V para electrodo NiO HPA. Corriente pico es marcadamente mayor que NiO BHPA, reflejando mayor SSA y arquitectura hueca intacta. Adición glucosa produce respuesta catalítica clara en ambos electrodos, pero NiO HPA muestra mayor corriente y menor potencial inicio (0,43 V vs 0,46 V). Mecanismo oxidación glucosa involucra par Ni²⁺/Ni³⁺: NiO → Ni²⁺ + O²⁻, Ni²⁺ + OH⁻ → Ni³⁺ + e⁻, Ni³⁺ + glucosa → Ni²⁺ + ácido glucónico.

a CVs NiO BHPA (I, II) y NiO HPA (III, IV) en 0,1 M NaOH con/sin 1 mM glucosa. b Diagramas Nyquist EIS y circuito equivalente. c CVs varias velocidades barrido; d corriente pico vs √velocidad barrido.

Análisis EIS (Fig. 5b) muestra NiO HPA tiene menor resistencia solución (R_s) y resistencia transferencia carga (R_ct) que NiO BHPA, confirmando cinética electrónica más rápida. Región Warburg indica difusión superior en NiO HPA, atribuible a poros ordenados. Estudios cinéticos (Fig. 5d) confirman proceso controlado por difusión, sin desplazamiento pico significativo, evidencia adicional de transporte masa eficiente.

Selectividad, Reproducibilidad y Estabilidad

Optimización potencial (Fig. 6a) identificó 0,6 V como voltaje óptimo, maximizando respuesta glucosa mientras minimiza interferencia ácido ascórbico. Curvas CA (Fig. 6c) demuestran respuesta lineal 0,32–1100 µM con sensibilidad 1323 µA mM⁻¹ cm⁻² y LOD 0,32 µM. NiO BHPA muestra 753 µA mM⁻¹ cm⁻² sensibilidad y 14,2 µM LOD. Comparado con literatura (Tabla 1), NiO HPA ofrece rendimiento superior.

a Respuesta amperométrica diferentes potenciales. b Corriente vs potencial glucosa y ácido ascórbico. c CA a 0,6 V adiciones sucesivas glucosa. d Corriente vs concentración glucosa.

Estudios interferencia (Fig. 7a) muestran respuestas despreciables a lactosa, sacarosa, fructosa y ácido úrico; ácido ascórbico produce solo 8,7 % interferencia. Carga superficial negativa NiO HPA en medio alcalino repele interferentes cargados negativamente, mejorando selectividad. Pruebas estabilidad larga (Fig. 7b) revelan 83 % retención tras 30 días y 9,8 % pérdida tras 2000 s operación continua. Cinco electrodos fabricados independientemente muestran RSD 3,12 % para 0,1 mM glucosa, y mediciones repetidas en electrodo único dan RSD 2,36 %, confirmando excelente reproducibilidad.

a Adición secuencial 50 µM glucosa y 5 µM interferentes a 0,6 V. b Estabilidad larga y runtime. c Reproducibilidad cinco electrodos. d Reproducibilidad diez mediciones.

Detección en Suero Humano

NiO HPA se aplicó para cuantificar glucosa en suero humano diluido. El sensor alcanzó desviación estándar relativa 2,85 % y tasas recuperación 92–102 %, demostrando aplicabilidad práctica y alineación con estándares clínicos.

Conclusiones

Hemos fabricado exitosamente electrocatalizador NiO hueco-poroso vía ruta CEP que entrega rendimiento excepcional detección glucosa: sensibilidad 1323 µA mM⁻¹ cm⁻², LOD 0,32 µM, <8,7 % interferencia y >83 % estabilidad 30 días. La arquitectura hueco-porosa provee sitios activos abundantes, vías difusión ordenadas y distancias transferencia electrónica cortas, impulsando colectivamente cinética electrocatalítica. Estos hallazgos subrayan diseño hueco-poroso como estrategia general para desarrollar sensores glucosa no enzimáticos bajo costo y alto rendimiento.