Design razionale del legante

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 10617 (2015) Citare questo articolo

Si prevedeva che i nanocompositi unidimensionali di ossido di metallo e metallo nobile presentassero prestazioni superiori per il rilevamento non enzimatico del glucosio grazie alla buona conduttività e all'elevata attività catalitica ereditate rispettivamente dal metallo nobile e dall'ossido di metallo. Come prova di concetto, abbiamo sintetizzato un composito di oro e ossido di rame (Au/CuO) con un'esclusiva struttura unidimensionale di nanocavolfiori. A causa della natura del metodo di sintesi, non era necessario alcun legante estraneo per mantenere in posizione Au o CuO. Per quanto ne sappiamo, questo è il primo tentativo di combinare ossido di metallo e metallo nobile in uno stile privo di leganti per fabbricare un sensore di glucosio non enzimatico. I nanocavolfiori Au/CuO con ampia superficie elettrochimica attiva e un'elevata area di contatto con l'elettrolita prometterebbero un ampio intervallo lineare e un rilevamento altamente sensibile del glucosio con buona stabilità e riproducibilità grazie alla buona conduttività elettrica dell'Au e all'elevata attività elettrocatalitica del CuO.

Il rilevamento accurato del livello di glucosio nel sangue è essenziale per la diagnostica clinica nel controllo del diabete1,2,3,4. Tradizionalmente, la concentrazione di glucosio viene monitorata da un sistema amperometrico, in cui il glucosio viene ossidato enzimaticamente dalla glucosio ossidasi (GOx) altamente selettiva immobilizzata sulla superficie dell'elettrodo e gli elettroni così generati o il prodotto della reazione, il perossido di idrogeno (H2O2), vengono successivamente misurati in modo da determinare la concentrazione del glucosio5,6,7,8. Per la natura dell'enzima, il sensore del glucosio basato su GOx possiede selettività, ma la sua applicazione è ancora limitata a causa degli inconvenienti intrinseci associati alla purificazione dell'enzima, all'immobilizzazione e alla sua protezione dalla denaturazione. Inoltre, la grande distanza tra il centro redox del gruppo flavinico profondamente incorporato (FAD) del GOx e la superficie dell'elettrodo complica il sistema e richiede la presenza di alcune navette elettroniche nei campioni, che è probabilmente la barriera più grande che limita la sensibilità di questo metodo9, 10. A tal fine, il rilevamento elettrocatalitico diretto e non enzimatico del glucosio ha recentemente suscitato un notevole interesse in quanto promette un sensore privo di trasferimento di elettroni e quindi un'elevata sensibilità e ripetibilità11,12.

Per un rilevamento elettrocatalitico non enzimatico efficace del glucosio, sono necessarie un'elevata conduttività e un'attività catalitica per l'elettrocatalizzatore. Tra tutti i materiali candidati per l'elettrocatalizzatore nel rilevamento del glucosio, inclusi metallo nobile13,14,15, ossido di metallo16,17,18, materiali di carbonio19,20,21, lega mesoporosa22 e polimeri23,24, i materiali di metallo nobile e ossido di metallo si sono distinti loro stessi. Recentemente, varie nanostrutture, come nanorod25, nanowire26, nanotube27,28, materiali dendritici29 e mesoporosi30,31, hanno ricevuto un'attenzione significativa grazie alla loro elevata area superficiale, all'efficiente separazione di carica, ecc., che sono vantaggiose per molte applicazioni. Tra i metodi di sintesi per fabbricare nanostrutture unidimensionali, l'anodizzazione si distingue per la sua versatilità, connessione in un unico passaggio, a basso costo e, soprattutto, senza soluzione di continuità tra il substrato metallico e le nanostrutture anodizzate che rende letteralmente le nanostrutture così preparate un elettrodo ideale con alta conduttività32,33,34,35. Generalmente, in un processo di rilevamento elettrochimico non enzimatico convenzionale, gli elettrocatalizzatori vengono preparati sotto forma di nanoparticelle e vengono quindi immobilizzati su substrati conduttivi con l'aiuto di alcuni leganti polimerici, che solitamente sono isolanti ed elettrochimicamente inattivi. La presenza dei leganti polimerici nei sistemi convenzionali aumenta inevitabilmente la resistenza in serie, blocca i siti altrimenti cataliticamente attivi e impedisce la diffusione dell'elettrolita, portando infine ad un'attività elettrocatalitica significativamente ridotta e a scarse prestazioni dei sensori. Per i motivi sopra menzionati, le nanostrutture unidimensionali anodizzate possono rappresentare una soluzione razionale al problema nei sistemi convenzionali.