Arquitectura hueca-porosa de Ni(OH)₂ permite detección de glucosa ultra-sensible sin enzimas

Resumen

El hidróxido de níquel (Ni(OH)₂) ha emergido como catalizador no metálico noble prometedor para detección de glucosa, sin embargo su utilidad práctica se ve limitada por transporte electrónico lento y difusión de masa restringida. Aquí presentamos una arquitectura hueca-porosa de Ni(OH)₂ diseñada racionalmente (Ni(OH)₂-HPA) preparada vía ruta de grabado y precipitación coordinados (CEP) que entrega morfología cúbica uniforme con vacío interno y cáscara porosa compuesta de nanopartículas ultrafinas. El material resultante exhibe área superficial específica excepcionalmente alta (54,7 m² g⁻¹), canales de difusión bien ordenados y robusta estabilidad estructural. Cuando se emplea como sensor de glucosa en medio alcalino, Ni(OH)₂-HPA demuestra sensibilidad notable de 1843 µA mM⁻¹ cm⁻², límite de detección de 0,23 µM y tiempo de respuesta rápido de 1,4 s. Estos hallazgos destacan el diseño hueco-poroso como estrategia eficaz para fabricar sensores de glucosa sin enzimas de alto rendimiento.

Antecedentes

El monitoreo preciso de glucosa es esencial para diagnósticos clínicos, seguridad alimentaria y evaluación ambiental. Métodos convencionales —incluyendo resonancia de plasmon de superficie, prueba de Fehling, rotación óptica, fluorescencia y detección electroquímica— ofrecen variados grados de sensibilidad y practicidad, pero el sensado electroquímico sigue siendo el más atractivo por su simplicidad, bajo costo y límites de detección excepcionales.

El rendimiento de un sensor electroquímico de glucosa depende de la actividad electrocatalítica de su electrodo de trabajo. Los hidróxidos de metales de transición, particularmente Ni(OH)₂, han atraído atención por su abundante disponibilidad, rentabilidad y actividad redox intrínseca (Ni²⁺/Ni³⁺) en soluciones alcalinas. No obstante, su rendimiento catalítico a menudo se ve obstaculizado por conductividad electrónica limitada y pobre transporte de masa, impidiéndoles cumplir demandas a escala industrial.

La nanoestructuración ha probado ser efectiva para mejorar la actividad electrocatalítica modulando forma, tamaño y composición. Las nanoestructuras hueco-porosas, en particular, ofrecen alta área superficial, baja densidad e integridad estructural robusta, permitiendo transporte eficiente de electrones y masa mientras previenen agregación de partículas. Estos atributos las hacen candidatas ideales para construir sensores de glucosa avanzados.

En este estudio, fabricamos cubos Ni(OH)₂-HPA usando plantilla Cu₂O y metodología CEP. Al comparar el rendimiento de Ni(OH)₂-HPA intacto con un homólogo roto mecánicamente (Ni(OH)₂-BHPA), demostramos que el diseño hueco-poroso confiere sensibilidad superior, menor límite de detección y respuesta más rápida, estableciendo una ruta escalable para sensado de glucosa sin enzimas de alto rendimiento.

Métodos/Experimental

Químicos y reactivos

Todos los reactivos fueron grado analítico y usados sin purificación adicional. Cloruro de cobre dihidratado (CuCl₂·2H₂O, ≥ 99,0 %), cloruro de níquel hexahidratado (NiCl₂·6H₂O, ≥ 98,0 %), tiosulfato de sodio pentahidratado (Na₂S₂O₃·5H₂O, ≥ 99,0 %), polivinilpirrolidona (PVP, Mw = 40 000) e hidróxido de sodio (NaOH, ≥ 98,0 %) se obtuvieron de Chengdu Kelong. Glucosa (≥ 99,5 %), lactosa (≥ 98,0 %), sacarosa (≥ 99,5 %), fructosa (≥ 99,0 %), ácido l-ascórbico (≥ 99,7 %), ácido úrico (≥ 99,0 %) y solución Nafion 5 % p/p se compraron de Sigma‑Aldrich.

Síntesis de Ni(OH)₂ HPA

Plantillas cúbicas Cu₂O se prepararon siguiendo procedimiento reportado previamente (ver Archivo adicional 1: Figura S1). En síntesis típica, 10 mg de cubos Cu₂O y 4 mg de NiCl₂·6H₂O se dispersaron en mezcla 10 mL etanol-agua (1:1) por sonicación. Tras añadir 0,33 g PVP y agitar 30 min, 4 mL de Na₂S₂O₃ 1 M se introdujeron gota a gota. La mezcla se mantuvo a 25 °C por 3 h, tras lo cual los productos se colectaron por centrifugación, lavaron repetidamente y secaron a temperatura ambiente. Para comparación, Ni(OH)₂-BHPA se generó rompiendo ultrasónicamente Ni(OH)₂-HPA por 2 h (ver Archivo adicional 1: Figura S2).

Caracterización de materiales

Identificación de fase por difracción de rayos X (XRD; Rigaku D/Max‑2400). Composición superficial examinada via espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS; ESCALAB250Xi). Morfología y microestructura caracterizadas usando microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FESEM; FEI Quanta 250, Zeiss Gemini 500) y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM; FEI F20). Análisis Brunauer-Emmett-Teller (BET) proveyó área superficial específica (SSA) y distribución de tamaño de poro.

Mediciones electroquímicas

Todas las mediciones se realizaron en estación μIII Autolab. El electrodo de trabajo consistió en electrodo de carbono vítreo (GCE, 3 mm diámetro) recubierto con suspensión de Ni(OH)₂-HPA o Ni(OH)₂-BHPA (5 µL de 1 mg mL⁻¹ en 0,05 % Nafion) impregnada con Nafion. El electrodo se secó bajo flujo de nitrógeno. Lámina de platino y electrodo Ag/AgCl sirvieron como contraelectrodo y referencia, respectivamente. El rendimiento electroquímico se evaluó por voltametría cíclica (CV), cronoamperometría (CA) y espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS). Datos EIS se registraron de 0,01 a 100 kHz con amplitud de perturbación 5 mV.

Resultados y discusiones

Caracterizaciones

La Figura 1a muestra el patrón XRD de productos Ni(OH)₂, confirmando fase hexagonal β‑Ni(OH)₂ (JCPDS 14‑0117). Los picos de difracción débiles indican baja cristalinidad, consistente con la naturaleza nanoestructurada del material. Análisis XPS (Figura 1b–d) revela presencia de señales Ni 2p y O 1s características de Ni²⁺ en Ni(OH)₂. Los picos Ni 2p₃/₂ y Ni 2p₁/₂ a 856,1 eV y 873,7 eV, respectivamente, exhiben separación de 17,6 eV típica de β‑Ni(OH)₂. El pico O 1s a 531,2 eV corresponde a enlaces Ni–O–Ni.

Imágenes SEM (Figura 2a) muestran partículas cúbicas uniformes, mientras Figura 2b confirma presencia de núcleos huecos en Ni(OH)₂-HPA. La cáscara, ensamblada de nanopartículas densamente empaquetadas, aparece rugosa y porosa. TEM (Figura 2c) corrobora morfología hueca, y patrones SAED revelan baja cristalinidad observada en XRD. Los cubos miden ≈ 600 nm por arista con espesor de cáscara ≈ 50 nm, proveyendo amplio volumen interno para transporte iónico.

TEM resuelto en tiempo y imagen óptica (Figura 2e–f) revelan que iones S₂O₃²⁻ no solo graban el núcleo Cu₂O sino que también precipitan Ni(OH)₂ en la cáscara emergente. La liberación concurrente de iones OH⁻ facilita la transformación de Ni²⁺ a Ni(OH)₂, generando estructura hueca-porosa bien definida. La difusión controlada de S₂O₃²⁻ y OH⁻ desde el interior asegura crecimiento uniforme de la cáscara.

El análisis BET (Figura 3) muestra que Ni(OH)₂-HPA posee SSA de 54,7 m² g⁻¹, superando ampliamente los 10,3 m² g⁻¹ de Ni(OH)₂-BHPA. Distribuciones de tamaño de poro indican microporos (20–40 nm) y mesoporos (60–85 nm) en la muestra hueca, mientras el homólogo roto muestra distribución menos ordenada. La mayor SSA y porosidad ordenada en Ni(OH)₂-HPA facilitan transporte de masa eficiente y proveen abundantes sitios activos.

Mediciones electroquímicas

En NaOH 0,1 M, voltametría cíclica (Figura 4a) demuestra que Ni(OH)₂-HPA entrega mayor corriente de pico redox y menor potencial de inicio (0,41 V) que Ni(OH)₂-BHPA. La corriente mejorada se atribuye a la mayor SSA y vías de difusión optimizadas de la arquitectura hueca. La oxidación electroquímica de glucosa procede via par redox Ni(OH)₂/NiOOH (Esquema 1).

$$\text{Ni(OH)}_2+\text{OH}^-\rightarrow\text{NiOOH}+\text{H}_2\text{O}+e^-$$

$$\text{NiOOH}+\text{glucosa}\rightarrow\text{Ni(OH)}_2+\text{ácido glucónico}$$

Espectroscopía de impedancia electroquímica (Figura 4b) confirma que Ni(OH)₂-HPA exhibe menor resistencia de transferencia de carga (R_ct) y resistencia interna (R_s) comparado con Ni(OH)₂-BHPA, mientras una mayor impedancia Warburg (Z_w) indica capacidad de transporte de masa superior.

Cronoamperometría a 0,6 V (Figura 5c) muestra que Ni(OH)₂-HPA alcanza sensibilidad de 1843 µA mM⁻¹ cm⁻² y límite de detección de 0,23 µM, superando a Ni(OH)₂-BHPA (632 µA mM⁻¹ cm⁻², 0,67 µM). El tiempo de respuesta es 1,4 s, menor que 1,8 s para la muestra rota. La Tabla 1 compara estas métricas con otros sensores basados en Ni(OH)₂, subrayando el rendimiento superior del diseño hueco-poroso.

Pruebas de selectividad (Figura 6a) demuestran que interferentes comunes (lactosa, sacarosa, fructosa, ácido úrico, ácido ascórbico) producen interferencia menor al 3,8 %, mientras la señal de glucosa permanece al 98,1 % tras segunda adición. Estabilidad a largo plazo (Figura 6b) muestra que el sensor retiene ≈ 93,5 % de su respuesta inicial tras 2400 s. Estudios de reproducibilidad (Figuras 6c–d) revelan desviaciones estándar relativas de 4,8 % para un electrodo único y 5,3 % entre cinco electrodos, confirmando excelente consistencia.

Conclusiones

Hemos desarrollado una estrategia CEP sencilla a temperatura ambiente para fabricar cubos Ni(OH)₂ hueco-porosos uniformes con alta SSA y canales de difusión bien ordenados. Al aplicarse como sensor electroquímico de glucosa, el electrodo Ni(OH)₂-HPA entrega sensibilidad de 1843 µA mM⁻¹ cm⁻², límite de detección de 0,23 µM y tiempo de respuesta de 1,4 s —superando al homólogo roto. La arquitectura hueco-porosa representa así una ruta escalable para construir sensores de glucosa sin enzimas de alto rendimiento con relevancia analítica práctica.

Abreviaturas

AA:

Ácido l-ascórbico

BET:

Brunauer-Emmett-Teller

CA:

Cronoamperometría

CEP:

Grabado y precipitación coordinados

CNT:

Nanotubos de carbono

ECF:

Nanofibra de carbono electrohilada

EIS:

Espectroscopía de impedancia electroquímica

FESEM:

Microscopio electrónico de barrido de emisión de campo

Fruc.:

Fructosa

GCE:

Electrodo de carbono vítreo

Glu.:

Glucosa

HPA:

Arquitectura hueca porosa

Lact.:

Lactosa

Ni(OH)₂ BHPA:

Ni(OH)₂ HPA roto

oPPyNW:

Nanohilos de polipirrol sobreoxidado

PVP:

Polivinilpirrolidona

Rct:

Resistencia de transferencia de electrones

Rs:

Resistencia interna

RSD:

Desviación estándar relativa

SAED:

Difracción electrónica de área seleccionada

SSA:

Área superficial específica

Sucr.:

Sacarosa

UA:

Ácido úrico

XPS:

Espectrómetro fotoelectrónico de rayos X

XRD:

Difracción de rayos X

Zw:

Impedancia Warburg