Development of a low-cost, non-enzymatic glucose sensor based on copper nanoparticles and laser-induced graphene towards wearable sensing

Abstract

According to the International Diabetes Federation (IDF), in 2021 approximately 537 million adults (20 to 79 years) suffered from diabetes, which corresponds to a total of 10.5 % of the world’s adult population, and its prevalence is predicted to rise dramatically in the following years. Since glucose sensors constitute an effective approach for diabetes management, by providing precise information about glucose levels, the glucose sensor market has experienced enormous growth in the last few years. However, due to the high cost of the commercially available glucose detection solutions and since the rise in the number of diabetic patients has been more pronounced in low and middle-income countries, there is a high demand for low-cost glucose monitoring systems. In order to address the lack of inexpensive glucose sensors issue, this thesis aims to meet the presented necessity in three strands: the development of a glucose sensor based on copper nanoparticles (CuNPs) and Laser-Induced Graphene (LIG), fabricated on paper substrate. Firstly, the LIG technique offers a rapid and simple method for the production of graphitized material, which is an extremely conductive composite and valuable for the sensing field, without the need for expensive and complex fabrication techniques. Moreover, it allows the LIG production on paper, which is a more sustainable, flexible, economic and easily accessible alternative than other commonly used substrates. For the non-enzymatic glucose detection, a cheap copper precursor was selected for the laser-induced CuNPs formation, presenting highly catalytic activity towards the glucose oxidation. Thus, CuNPs and LIG composites were simultaneously synthesized in one fabrication step, allowing for a large-scale sensor production. LIG was fabricated with a sheet resistance value as low as 14.8 Ω sq−1. The sensor showed good glucose sensing performance (267 μA mM−1 cm−2 sensitivity, 11 μM detection limit, and high selectivity and reproducibility) with a linear range within the glucose concentration range detected in sweat (20 μM - 1.79 mM), opening the possibility of integrating this method into a wearable and non-invasive glucose monitoring system.

De acordo com a International Diabetes Federation, em 2021, cerca de 537 milhões de adultos (20 a 79 anos) viviam com diabetes, o que corresponde a um total de 10,5 % da população adulta a nível mundial, e prevê-se que a sua prevalência continue a aumentar. Uma vez que os sensores de glucose constituem uma abordagem eficaz para o controlo da diabetes, fornecendo informação precisa sobre os níveis de glucose, o seu mercado tem vindo a registar um enorme crescimento. Contudo, devido ao elevado custo das soluções propostas e, uma vez que o aumento do número de pacientes diabéticos é mais pronunciado nos países de baixo e médio rendimento, continua a haver uma grande procura por sistemas de baixo custo para a monitorização da glucose. Com o objetivo de apresentar uma solução viável e barata para a deteção da glucose, esta tese visa satisfazer a necessidade apresentada em três vertentes, com o desenvolvimento de um sensor de glucose baseado em nanopartículas de cobre (Cu NPs) e grafeno induzido por laser (GIL), fabricado em substrato de papel. Em primeiro lugar, a técnica de GIL oferece uma forma rápida e simples para a produção de material grafítico, de elevada condutividade, sem a necessidade da aplicação de técnicas de fabricação dispendiosas e complexas. Além disso, permite a produção de GIL em papel, constituindo uma alternativa mais sustentável, flexível e económica do que outros substratos geralmente utilizados. A deteção não enzimática da glucose é feita através das Cu NPs, sintetizadas a partir de um precursor de cobre barato, que possuem propriedades catalíticas. Assim, as Cu NPs e o GIL são simultaneamente sintetizados numa única etapa de fabrico, permitindo uma produção destes sensores em grande escala. Na síntese do GIL obteve-se um valor de resistência da folha de 14,8 Ω sq−1. O sensor demonstrou um bom desempenho na deteção da glucose (sensibilidade de 267 μA mM−1 cm−2, limite de deteção de 11 μM e alta seletividade e reprodutibilidade) com alcance linear dentro da janela de concentrações de glucose detetadas no suor (20 μM - 1,79 mM), abrindo a possibilidade de integração deste método num sistema de monitorização de glucose "wearable"e não-invasivo.