综述：用于非酶葡萄糖传感器的纳米结构金属
2024-07-29 14:24:29 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
葡萄糖传感器已被证明是监测糖尿病患者血糖水平的宝贵工具。这些设备可以更准确、更方便地跟踪血糖水平，从而显著改善整体健康状况。
在许多领域，构建具有强大电催化活性和化学稳定性的非酶葡萄糖传感器是必不可少的。然而，设计纳米结构过渡金属及其纳米复合材料作为非酶识别基团的传感界面仍然是一个巨大的挑战。
据麦姆斯咨询报道，近期，泰国清迈大学（Chiang Mai University）的科研人员在Green Analytical Chemistry期刊上发表了题为“Nanostructured metallic enzymes mimic for electrochemical biosensing of glucose”的综述文章。该综述讨论了用于非酶葡萄糖传感器的工程纳米结构过渡金属，特别关注其低成本、高灵敏度和长期耐用性的应用。文章讨论的核心是制作具有大比表面积和明确活性位点的纳米结构过渡材料作为电化学传感平台的必要性。目标是阐明在不依赖介体或模板的情况下增强的葡萄糖电化学行为。利用纳米技术的进步，本综述旨在阐明改进传统纳米结构以优化无酶葡萄糖传感应用的策略。此外，研究人员深入研究了这些传感器在检测葡萄糖方面的固有挑战和潜在应用，并概述了开发更好的非酶电化学葡萄糖传感器的方法。
利用非酶方法，葡萄糖传感器在各种生物样本中提供了可靠和精确的葡萄糖水平。这种方法包括利用可以与葡萄糖分子相互作用的材料，从而诱导其物理或化学性质的变化，这些变化可以很容易地检测和量化。与酶促葡萄糖传感器相比，非酶葡萄糖传感器具有许多优点，包括扩大的线性范围、优异的选择性和更高的稳定性。此外，它们不易受到生物体液中常见的其它物质的干扰，因此是临床应用的理想选择。非酶葡萄糖传感器是监测糖尿病患者血糖水平以及研究健康个体和疾病患者葡萄糖代谢的重要工具。
纳米结构材料的应用极大地影响了模拟酶葡萄糖传感器的发展。凭借其独特的性能和特点，这些材料为临床诊断、食品分析和环境监测等各种应用提供了一种创新的方法。这些材料的可调特性使其能够定制，以满足响应时间、稳定性和可重复性方面的特定需求。使用纳米结构材料彻底改变了葡萄糖传感，并为该领域的进一步发展铺平了道路。
I. 碳及其金属修饰电极
具有独特物理和化学性质的碳纳米材料，如石墨烯、富勒烯、碳纳米管（CNT）、碳纳米纤维、碳纳米角、掺杂的类金刚石材料、炭黑和纳米金刚石，显示出作为化学和生物传感器材料的巨大前景。由于对尖端纳米技术的兴趣日益增加，许多基于碳纳米材料的葡萄糖传感器已经问世。碳纳米材料修饰的金属/金属氧化物纳米颗粒已成为一类新型的电化学传感器催化剂。
Changjun Hou等人通过水热法和煅烧法在3D柔性碳纤维布（CFC）上生长纳米花状Mn掺杂NiO纳米酶复合物，开发了有效的柔性葡萄糖敏感型检测电极，其表现出优异的导电性和高催化效率。
II. 镍及其氧化物基电极
由于Ni³⁺/Ni²⁺氧化还原对在碱性介质中具有良好的催化活性，镍及其化合物似乎是构建非酶电化学葡萄糖传感器最常用的材料。然而，镍氧化物和镍氢氧化物的导电性差是它们最大的缺点。因此，为了支持这些活性材料，必须与其它纳米结构材料（如金、碳纳米管、石墨烯等）一起开发具有有前途的电子转移能力的基底。研究镍基材料的独特纳米结构是提高非酶葡萄糖传感器分析能力的另一个趋势。类似树突、花、刺猬、针和尖刺的镍基化合物已被报道用于碱性环境中的模拟酶葡萄糖传感器。
Maduraiveeran及其同事在Ni微电极上制备了Au@NiO纳米树突微阵列，有助于葡萄糖和乳酸的传感。
III. 镍钴氧化物及其纳米复合材料
NiCo₂O₄纳米结构由于其独特的形态框架、小孔径、结合的活性钴和镍位点、大的电化学活性表面积以及更好的电子转移动力学的理想条件，表现出增强的电催化活性。Ni和Co阳离子在NiCo₂O₄中的八面体和四面体位置的排列提供了深度电子导电性，这有利于电子在电解质和葡萄糖之间的快速转移。由于NiCo₂O₄纳米结构具有高比表面积、有效的传质动力学和吸引人的电性能，因此其可作为低成本且稳定的非酶葡萄糖传感的高效电极材料。
在Beshir A. Hussein.的一项研究中，采用水热技术制备了一种新型高灵敏度、高选择性的ZnO/Co₃O₄/rGO纳米复合材料，并将其作为非酶电化学传感器用于葡萄糖检测。
IV. 钴及其纳米复合材料电极
值得注意的是，目前电化学和材料科学的研究旨在改善和最大限度地提高这些钴基材料（氧化物、磷酸盐、磷化物和亚硝酸盐）的功能，以用于模拟酶葡萄糖传感应用。随着技术的发展，这些材料对于制造更便宜、更有效的电化学葡萄糖传感器至关重要。在生理pH条件下，具有电催化活性的无定形、高表面积磷酸钴纳米结构（CPNs）有许多潜在的用途，特别是在葡萄糖传感和相关医学应用中。
Gowhar A. Naikoo及其同事开发了用于葡萄糖检测的三金属CuO/Ag/NiO基纳米复合材料
研究人员通过掺杂、氧化和生长各种纳米结构来提高电化学反应所需的电活性表面积，从而使工程纳米结构材料成为电极表面的改性剂。本文综述了用于血糖检测的过渡金属基纳米材料及其纳米复合材料。总结了提高贵金属、过渡金属氧化物和碳基材料葡萄糖传感性能的策略。基于酶的传感器表现出良好的葡萄糖选择性和灵敏度。然而，使用天然酶有几个缺点，例如高成本、有限的稳定性和固定化工艺要求。贵金属及其合金广泛用于电化学非酶促葡萄糖传感器。然而，这些材料的高昂价格阻碍了它们的普遍应用。因此，需要低成本、高性能的催化剂来进行非酶促葡萄糖传感。在过去的十年中，在开发非酶葡萄糖传感器方面取得了重大进展。
总体而言，葡萄糖传感器已被证明是监测糖尿病患者血糖水平的宝贵工具。这些设备可以更准确、更方便地跟踪血糖水平，从而显著改善整体健康状况。然而，在传感器精度、耐用性和可负担性方面仍有很大的改进空间。因此，该领域的未来发展可能侧重于增强传感器技术，以更好地满足患者和医疗保健专业人员的需求。这些进步可能包括人工智能和机器学习算法的集成，以改善数据分析和解释，以及使用新型材料和制造技术来开发更具弹性和成本效益的传感器。最终，随着持续的研究和创新，葡萄糖传感器有望改善全球数百万人的糖尿病管理和生活质量。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.greeac.2024.100127
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