Nano- and microstructured copper/copper oxide composites on laser-induced carbon for enzyme-free glucose sensors

Abstract: Kostengünstige enzymfreie Glukosesensoren mit teilweiser Flexibilität, die für tragbare Internet-of-Things-Geräte geeignet sind und als personalisierte Point-of-Care-Geräte in Betracht gezogen werden können, wurden durch die galvanische Abscheidung von Kupfer auf lokal karbonisierten flexiblen Meta-Polyaramid-Folien (Nomex) unter Verwendung von Laserstrahlung hergestellt. Freistehende Filme wurden in Stickstoff- und Stickstoff/Luft-Arbeitsumgebungen getempert, was zur Bildung von Cu-Mikrosphäroiden und CuO-Egeln führte, die auf dem Substratfilm verteilt waren. Der Aggregationsmechanismus, die kristallographischen Eigenschaften, die Oberflächenchemie und die elektrochemischen Eigenschaften der Filme wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie, Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und zyklischer Voltammetrie untersucht. Cu-Mikrosphäroide und CuO-Igel erreichten Aktivität für den Glukose-Nachweis und zeigten eine Verbesserung der amperometrischen Empfindlichkeit auf 0,25 bzw. 0,32 mA cm-2 mM-1. Der CuO-Igelfilm behielt seine chemische Zusammensetzung nach der amperometrischen Prüfung bei und ermöglichte durch Spülen mehrere Wiederholungen mit reproduzierbaren Ergebnissen. Diese Studie eröffnet die Möglichkeit zur Herstellung langlebiger Verbundstoff-Biosensoren mit maßgeschneiderter Form, die in flexible Träger und mikrofluidische Systeme eingebaut werden können. Abstract: Low-cost enzyme-free glucose sensors with partial flexibility adaptable for wearable Internet of Things devices that can be envisioned as personalized point-of-care devices were produced by electroplating copper on locally carbonized flexible meta-polyaramid (Nomex) sheets using laser radiation. Freestanding films were annealed in nitrogen and nitrogen/air working environments, leading to the formation of Cu microspheroids and CuO urchins dispersed on the substrate film. The aggregation mechanism, crystallographic properties, surface chemistry, and electrochemical properties of the films were studied using scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and cyclic voltammetry. Cu microspheroids and CuO urchins attained activity for glucose detection and showed improvement of amperometric sensitivity to 0.25 and 0.32 mA cm–2 mM–1, respectively. The CuO urchin film retained its chemical composition after amperometric testing, and, by rinsing, allowed multiple repetitions with reproducible results. This study opens the possibility for the fabrication of durable composite biosensors with tailored shape, capable of implementation in flexible carriers, and microfluidic systems. TechnicalRemarks: The collected data presented in OriginPro (2021) and structured according to the figures name from the publication. The schemes made with CorelDRAW (v17). The formulas were created with ChemOffice. The images can be handled with standard toolkit.