Goed uitgelijnde TiO2-nanobuisjes met Ag-nanodeeltjes voor zeer efficiënte detectie van Fe3+-ionen

Abstract

Tegenwoordig wordt de bepaling van de ijzerionen met hoge gevoeligheid en selectiviteit met nieuwe methoden een dringende zaak voor het bewaken van gezond lichaam en milieu. In dit artikel presenteren we voor het eerst een set hoogwaardige TiO₂ nanobuis-arrays die vrij gevoelig zijn voor ijzerionen. Ten eerste werd de anodische oxidatiemethode toegepast om geordende TiO₂ . te bereiden nanobuisarrays, gevolgd door gefunctionaliseerde Ag-nanodeeltjesafzetting met het verbeterende vermogen bij het detecteren van ijzerionen. Trouwens, het spectrum van de TiO₂ nanobuis met/zonder de Ag-nanodeeltjes werd geanalyseerd met een röntgenfoto-elektronenspectrometer, waaruit blijkt dat Ag-nanodeeltjes de recombinatiesnelheid van elektronen en gaten effectief kunnen verminderen en de geleidbaarheid en de ladingsoverdrachtssnelheid van de elektroden kunnen verhogen. Verder, wanneer gefunctionaliseerde Ag-nanodeeltjes op goed geordende TiO₂ nanobuisarrays werden gebruikt, ijzeriondetectie uitgevoerd met de anodische strip-voltammetriemethode werd onderzocht om het grote potentieel van TiO₂ te valideren nanobuisarrays met een gevoeligheid van ongeveer 30 A/ug/L om Fe³⁺ te worden sensoren. Deze methode creëert nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van sensoren voor het monitoren van Fe³⁺ in biologische monsters zonder enige voorbehandelingsprocedure.

Achtergrond

IJzer is een belangrijk voedingselement voor de menselijke gezondheid, dat meestal verantwoordelijk is voor de overdracht en het transport van zuurstof en blokmaterialen, en staat op de tweede plaats van de meest essentiële metaalelementen in het menselijk lichaam. Een overmatige hoeveelheid ijzerionen in een levende cel kan echter de productie van reactieve zuurstofspecies (ROS) katalyseren via de Fenton-reactie, wat kan leiden tot ziekten, zoals nierziekte, en de cellulaire homeostase verstoren, resulterend in de ziekte van Alzheimer, Wilson en Ziekten van Menkes [1, 2]. Vanwege de brede toepassing ervan in de industrie en de landbouw, blijven de potentiële toxische effecten van ijzer uit verontreinigde rivieren, meren of oceanen op mensen een wereldwijde uitdaging [3, 4]. Daarom is het met name noodzakelijk om gezond lichaam en omgeving te bewaken om praktische en efficiënte technologieën te ontwikkelen die worden gebruikt voor het snel bepalen van de ijzerionen met een hoge gevoeligheid en selectiviteit.

Tegenwoordig zijn er veel methoden voor het detecteren van metaalionen, zoals atomaire absorptiespectrometrie, inductief gekoppelde plasmamassaspectrometrie en inductief gekoppelde plasma-emissiespectrometrie. Bij deze methoden zijn echter gecompliceerde apparatuur en monstervoorbereidingsstappen nodig, wat ook tot hoge kosten zal leiden. Recent is er enorm veel onderzoek gedaan naar nanodeeltjes, zoals grafeen [5,6,7,8,9,10,11,12], grafeen quantum dots [13,14,15,16,17,18] , carbon dots [19,20,21], en edelmetaal nanodeeltjes of nanoclusters in de gewenste dimensie voor het detecteren van metaalionen, die veel aandacht hebben getrokken vanwege de goede selectiviteit, hoge gevoeligheid en eenvoudige bediening. Vinod Kumar Gupta et al. hebben een methode ontwikkeld voor het synthetiseren van imine door middel van een eenvoudige condensatiereactie en het onderzoeken van hun metaaldetectievermogen door middel van elektrochemische en optische methoden. Fe³⁺ gedetecteerd door colorimetrisch (L2) bij een lage concentratie kan 1,29 × 10⁻⁶ bereiken M. Maar deze methode is beperkt door factoren als hoge detectielimieten en sterke interferentie [22]. Xiaohui Gao et al. rapporteerde een gemakkelijke colorimetrische sensor op basis van de N-acetyl-L-cysteïne (NALC)-gestabiliseerde Ag-nanodeeltjes (NALC-Ag NP's) voor detectie van Fe3 + -ionen in waterige oplossing. Deze methode kan worden gebruikt om gevoelige en selectieve detectie van Fe³⁺ . uit te voeren ionen in water met een lineair bereik van 80 nM tot 80 mM en een detectielimiet van 80 nM [23]. Kailasa SK et al. hebben een selectieve en gevoelige colorimetrische methode ontwikkeld voor de bepaling van Fe³⁺ ion door p-aminosalicylzuurdithiocarbamaat-gefunctionaliseerde gouden nanodeeltjes (DTC-PAS-Au NP's) te gebruiken als colorimetrische sondes [24, 25]. Op basis van een dergelijke detectie werd bij voorkeur inductief gekoppeld plasma (ICP)-analyse gekoppeld aan massaspectrometrie (MS) of optische emissiespectroscopie (OES) toegepast voor ijzerionanalyse [26].

Aan de andere kant, TiO₂ nanobuisjes, met een hoge chemische stabiliteit, worden op grote schaal toegepast in verschillende industrieën vanwege hun uitstekende foto-elektrochemische, katalytische en adsorptie-eigenschappen evenals niet-toxiciteit, zoals gas-/vochtsensoren [27], fotokatalytische ontleding van water in waterstof [28] , fotokatalytische afbraak van organische verontreinigende stoffen [29], kleurstofgevoelige zonnecellen [30], biosensoren [31] en supercondensatoren [32]. Bijzonder goed gestructureerde en sterk geordende TiO₂ nanobuisjes zijn goed geschikt voor gerichte en snelle overdracht van elektrische ladingen [33,34,35,36]. Verder speelt oppervlaktefunctionalisatie van Ag NP's een cruciale rol bij het vergroten van de analytische toepasbaarheid voor TiO₂ nanobuisjes detectie van sporenanalyten met hoge selectiviteit en gevoeligheid. Daarom overwegende combinatie van TiO₂ nanobuisjes en metaaliondetectie op sporenniveau is zeer wenselijk. Voor zover we weten, zijn er zeer weinig rapporten over het gebruik van gefunctionaliseerde TiO₂ nanobuisjes als gebaseerde sonde voor Fe³⁺ detectie.

In dit artikel wordt een set hoogwaardige TiO₂ nanobuisarrays die vrij gevoelig zijn voor ijzerionen worden gepresenteerd. Ten eerste werd de anodische oxidatiemethode toegepast om geordende TiO₂ . te bereiden nanobuisarrays, gevolgd door gefunctionaliseerde Ag NP's met het vermogen om ijzerionen te detecteren. Trouwens, het spectrum van de TiO₂ nanobuis met / zonder de Ag NP's werd geanalyseerd met een röntgenfoto-elektronspectrometer. Verder ijzeriondetectie met het gebruik van gefunctionaliseerde Ag NP's op goed geordende TiO₂ nanobuisarrays door middel van de anodische strip-voltammetriemethode werden onderzocht om het grote potentieel van sensoren voor zware metalen van TiO₂ te valideren arrays van nanobuisjes. Deze methode creëert nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van sensoren voor het monitoren van Fe³⁺ in biologische monsters zonder enige voorbehandelingsprocedure.

Methoden

Beginselen voor het detecteren van ijzerionen met TiO₂

De elektronen zullen de bandgap overwinnen en van de valentieband (VB) naar de conductantieband (CB) gaan wanneer ze voldoende energie absorberen in TiO₂ nanobuis. Als gevolg hiervan zal er een niet-bezette elektronische toestand (gat) in VB zijn, die positief is, zoals uitgelegd in figuur 1a. In dit proces, wanneer een elektron wordt geëxciteerd van het VB naar het CB, kan het naar het oppervlak diffunderen, waardoor ladingsoverdracht naar een adsorbaat mogelijk wordt, of het kan vast komen te zitten in een elektronenval in de bandgap. Als het oppervlak van de nanobuisjes bedekt was met metalen nanodeeltjes, zal er ladingsoverdracht plaatsvinden tussen het adsorbaat en de TiO₂ nanobuis vanwege elektronenovergang. Op basis van deze overdracht kan de hoeveelheid metalen nanodeeltjes bekend zijn wanneer de hoeveelheid elektrische lading wordt gedetecteerd, zoals weergegeven in figuur 1b en vergelijkingen. (1)–(3). Uit deze vergelijkingen blijkt dat de overtollige ladingsverdeling de potentiaal definieert die de elektronenzuigende (O₂ ) en stoot de elektronendonerende (H₂ O) moleculen naar O_b leegstandsdefecten wanneer metaaldeeltjes worden geadsorbeerd op de TiO₂ oppervlakte. Daarom kunnen we de concentratie en soorten metalen nanodeeltjes direct detecteren door de hoeveelheid ladingsoverdracht te meten met de volgende vergelijkingen [37]:

$$ {\mathrm{Ti}}_{(6c)}\ \left[{(4s)}^2{(3d)}^2\ \mathrm{of}\ {\mathrm{Ti}}_{( 6c)}\right]=4\times \left[{\mathrm{O}}_{\left(3\mathrm{C}\right)}\right]+2\times \left[{\mathrm{O }}_{\mathrm{b}\left(2\mathrm{C}\right)}\right] $$ (1) $$ \kern1.5em \left[{(4s)}^2{(3d) }^2\ \mathrm{of}\ {\mathrm{Ti}}_{(6c)}\right]+\left[{\left(1\mathrm{s}\right)}^1\ \mathrm{ of}\ \mathrm{H}\right]=4\times \left[{\mathrm{O}}_{\left(3\mathrm{C}\right)}\right]+1\times \left[ {\mathrm{O}}_{\mathrm{b}\left(2\mathrm{C}\right)}\right]+\left[\mathrm{OH}\right]+{\mathrm{e}} ^{-} $$ (2) $$ {\mathrm{Ti}}_{(5c)}\ \left[{(4s)}^2{(3d)}^2\ \mathrm{electrons}\ \ mathrm{of}\ {\mathrm{Ti}}_{(5c)}\right]=5\times \left[{\mathrm{O}}_{\left(3\mathrm{C}\right)} \right] $$ (3)

een Het schematische diagram van de overdracht van oppervlaktelading tussen metaal en TiO₂ . b Bepaling van de concentratie en soorten metaalionen op basis van de grootte van de stroom die wordt veroorzaakt door de ladingsoverdracht

De strip-voltammetriemethode kan worden gebruikt om de concentratie en soorten metalen op het oppervlak van TiO₂ te identificeren arrays van nanobuisjes. Bij deze methode kan de afhankelijkheid van de stroom van de concentratie en soorten metalen worden weergegeven in Vgl. (4) [38]:

$$ \Delta {i}_p=\frac{nFA{D}^{1/2}\mathrm{C}}{\sqrt{\pi {t}_m}}\left(\frac{1-\sigma }{1+\sigma}\rechts) $$ (4)

Waar, σ = exp[(nF /RT )(∆E /2)] en N is het aantal elektronen dat deelneemt aan reacties met metalen. F , A , D , C , en t _m vertegenwoordigen de constante van Faraday, het gebied van de elektrode, de diffusiecoëfficiënt en de concentratie van de metaalionen en de pulsbreedte. Uit deze vergelijking blijkt dat de stroom evenredig is met de metaalconcentratie.

Experimentele details

Een pure titaniumplaat (20 × 20 × 0.1 mm; zuiverheid 99,9%) werd chemisch gepolijst om de oxidelaag te verwijderen en een glad oppervlak te creëren. Om specifiek te zijn, werd een juiste hoeveelheid HF-zuur met een concentratie van 40% proportioneel in geïoniseerd water gegoten (0,5%); vervolgens werd het titaniumvel gedurende 10 s in de vooraf bereide oplossing gedompeld en werd het er onmiddellijk uitgenomen en vervolgens gedroogd met stikstof. Vervolgens werd het gedurende 12 min respectievelijk ultrasoon gewassen in aceton, absolute ethylalcohol en gedeïoniseerd water bij 30 ° C. Daarbij werd aceton voornamelijk gebruikt om het oppervlak van de Ti-plaat met een ruwheid van respectievelijk 0,139 m en 0,066 m voor en na de behandeling te reinigen. Voorbehandeling van de Ti-platen is noodzakelijk voorafgaand aan experimenten voor een hogere gladheid. De experimentele opstelling werd toegepast in Ref. [39]. De AMICUS röntgenfoto-elektronenspectrometer (XPS) van Shimadzu werd gebruikt voor de kwantitatieve samenstellingsdefinitie van het bereide TiO₂ nanobuis-arrays.

Ag-nanodeeltjes (NP's) met verschillende groottes werden afgezet op de TiO₂ oppervlak van nanobuisjes (QPrep400, Mantis) met een vermogen van 60 W onder vacuümomstandigheden van 10⁻³ Torr. De zuiverheid van de Ag-plaat was 99,9999%.

Een elektrochemisch werkstation (CHI660E, Shanghai Chenhua) werd gebruikt om de strip-voltammetrie-experimenten uit te voeren voor het detecteren van de concentratie van Fe³⁺ ionen. Een systeem met drie elektroden (werk-, referentie-elektrode en hulpelektroden) dat uit twee lussen bestaat, werd gebruikt om het elektrochemische reactieproces van de werkelektrode te volgen en om het evenwicht van de chemische reactie te behouden.

In de experimenten werden vier soorten Fe³⁺ met de concentraties van 10 μg/L, 20 μg/L, 30 μg/L, 40 μg/L en 50 μg/L werden respectievelijk gemengd in ammoniumchloride. Bij detectie werd eerst neutraal ijzer geadsorbeerd op de TiO₂ nanobuisjes oppervlak met/zonder Ag-afzetting na reductiereactie met Ti-substraat, gevolgd door opnieuw geoxideerd wanneer omgekeerde bias werd toegepast. De gescande spanning varieerde van − 1 V tot 1 V met een stap van 0,005 V. De minimaal detecteerbare stroom was 10⁻⁵ A, en de gedetecteerde duur was 120 s. Concentratie van Fe³⁺ ionen werd geëvalueerd op basis van de afhankelijkheid van de oplosstroompiek van de spanning.

Resultaten en discussie

Voorbereiding en karakterisering van TiO₂ Nanobuis-arrays

TiO₂ nanobuisarrays geproduceerd in elektrolyt bestaande uit glycol, 2 vol% water en 0,3 wt% ammoniumfluoride met een oxidatiespanning van 60 V, een oxidatietijd van 2 h, een oxidatietemperatuur van 40 °C en een calcineringstemperatuur van 500 °C had de optimale morfologie en prestatie [39]. Topografie en zijaanzicht scanning elektronenmicroscoop (SEM) beelden van de TiO₂ nanobuisarrays worden respectievelijk getoond in Fig. 2a, b. In Fig. 2a, de TiO₂ nanobuisarrays zijn goed gerangschikt met een gemiddelde diameter van 50 nm. In figuur 2b is de lengte van de nanobuis ongeveer 19,2 m met een relatieve hellingshoek van 30 ° met het substraat wanneer gemeten. Uit deze resultaten blijkt dat het contactgebied met Fe³⁺ ionen voor de nanobuis-arrays kunnen duidelijk worden verhoogd naarmate de lengte van de buis toeneemt, wat de detectiegevoeligheid effectief kan verbeteren.

Topografie (a ) en zijaanzicht (b ) Afbeeldingen van de TiO₂ Nanobuis-arrays, respectievelijk

Afbeelding 3a–d toont SEM-afbeeldingen van TiO₂ nanobuisjes met Ag-nanodeeltjesafzetting met een duur van respectievelijk 30 s, 35 s, 40 s en 45 s. In Fig. 3a, toen de depositieduur 30 s was, waren de gemiddelde diameter en dekkingsdikte van de Ag-nanodeeltjes geadsorbeerd op de wand van de nanobuisjes respectievelijk ongeveer 10 nm en 5 nm. Uit deze resultaten blijkt dat de nanodeeltjes uniform in grootteverdeling zijn. In Fig. 3b, c, toen de depositieduur werd verlengd tot 35 s en 40 s, werd de toestand van Ag-nanodeeltjes geleidelijk clusterstatus en namen de diameters van de Ag-deeltjes toe tot respectievelijk 20 nm en 25 nm. De diameters van de Ag-nanodeeltjes namen verder toe totdat ze clusters werden die het oppervlak van de TiO₂ gedeeltelijk bedekken nanobuis toen de depositietijd toenam tot 45 s, wat wordt weergegeven in Fig. 3d.

SEM-afbeeldingen van met Ag Nanodeeltjes geladen TiO₂ Nanobuis-arrays met sputterduren van 30 s, 35 s, 40 s en 45 s overeenkomend met (a ) - (d ), respectievelijk

Om de samenstelling van de TiO₂ . te bevestigen nanobuisarrays met / zonder Ag-deeltjesadsorptie met een duur van 30 s, werden XPS-experimenten uitgevoerd, die worden getoond in Fig. 4a-d. In figuur 4a werden de spectra van Ag gegeven met de intensiteiten van 3200 en 2400 tellingen wanneer de waarden van bindingsenergie respectievelijk 368,24 eV en 374,25 eV waren, wat aantoonde dat FWHM (volledige golf op half maximum) van Ag ongeveer 1 was. eV. Uit deze resultaten blijkt dat slechts één chemische toestand Ag⁰ werd gedetecteerd na afzetting van Ag.

Foto-elektronenspectroscopie van de spectra van Ag in (a ); en de spectroscopieën van TiO₂ Nanobuisjes met/zonder Ag-afzetting in (b ), (c ) en (d ) Gemeten door XPS, respectievelijk

In figuur 4b werden spectra van Ti met / zonder Ag-afzetting gegeven en gemarkeerd met rode en zwarte lijnen. Vóór Ag-afzetting waren de waargenomen waarden van bindingsenergie van Ti 459,60 eV en 465,18 eV, waarbij de intensiteiten respectievelijk 2250 en 1250 counts waren. Daarentegen waren de waarden van bindingsenergie van Ti 458,88 eV en 464,66 eV, waarbij de toenemende intensiteiten respectievelijk 3250 en 2700 tellingen waren na afzetting. Het verschil in bindingsenergie vóór Ag-afzetting was 5,58 eV; in tegenstelling daarmee veranderde het verschil na depositie in 5,78 eV, wat ongeveer met 0,3 eV toenam. Bovendien waren de twee titaniumpiekverschuivingen respectievelijk 0,72 eV en 0,52 eV. Dit fenomeen werd veroorzaakt door de interactie van Ag NP's.

Soortgelijke verschijnselen werden waargenomen op de spectra voor zuurstof en koolstof met / zonder Ag-afzetting, die respectievelijk worden getoond in Fig. 4c, d. Vóór de afzetting waren de waarden van de bindingsenergie van zuurstof 530,89 eV en 533,28 eV, waarbij de intensiteiten respectievelijk 3500 en 4500 counts waren. Deze resultaten toonden aan dat de zuurstof zich in een negatieve tweewaardige toestand bevond (roosterzuurstof) en bestond uit TiO₂ met titaan. Aan de andere kant was de waarde van de bindingsenergie van zuurstof 530,24 eV met een intensiteit van 4900 tellingen na afzetting. Bovendien verdween de waarde van de zuurstofpiek van bindingsenergie, 533,28 eV, na afzetting en was de zuurstofpiekverschuiving 0,67 eV. Deze resultaten toonden aan dat de toestand van zuurstof veranderde van roosterzuurstof in geadsorbeerde zuurstof door de reactie met Ag NP's na afzetting.

In Fig. 4d hebben we het spectrum van koolstofverontreiniging gedetecteerd op TiO₂ nanobuisarrays met / zonder Ag-afzetting, die respectievelijk waren gemarkeerd met rode en zwarte lijnen. De waarde van bindingsenergie van koolstofverontreiniging was 285,41 eV, waarbij de intensiteit van het fotongetal ongeveer 1350 tellingen was vóór afzetting. Integendeel, de waarde van de bindingsenergie van koolstofverontreiniging was 284,80 eV, waarbij de intensiteit van het fotongetal ongeveer 1050 counts was na Ag-afzetting, wat betekende dat de waarde van de bindingsenergie en het fotongetal van koolstof met 0,59 eV en 30% was verminderd. respectievelijk. Deze resultaten gaven aan dat de hoeveelheid koolstofverontreiniging aanzienlijk was verminderd na afzetting van Ag NP's. Met andere woorden, de afzetting van Ag NP's kan de verontreiniging van de elektrode verminderen en de efficiëntie van de ladingsoverdracht verbeteren. Opgemerkt moet worden dat de verschuiving van bindingsenergie gemeten na depositie ongeveer 0,8 eV was, wat voornamelijk te wijten was aan de verschuiving van koolstof.

Daarom is TiO₂ nanobuisarrays afgezet met Ag NP's kunnen de recombinatiesnelheid van elektronen en gaten effectief verminderen en de geleidbaarheid en ladingsoverdrachtsnelheid van de elektroden verhogen in vergelijking met TiO₂ nanobuisarrays zonder Ag NP's.

Sensing van Fe³⁺ Ionen met/zonder afzetting van Ag NP's

Om de experimentele resultaten te verkrijgen, werd elektrochemische stripvoltammetrie gebruikt om metallisch Fe³⁺ te detecteren ionen met TiO₂ nanobuisarrays zonder afzetting van Ag NP's. De concentratie van Fe³⁺ ionen is ingesteld binnen een bereik van 10 g/L tot 50 μg/L. Afhankelijkheid van de oplosstroom van de spanning wanneer Fe³⁺ ionen werden gedetecteerd, wordt weergegeven in Fig. 5. Tijdens de meting, toen de aangelegde spanning lager was dan -0,3 V, bleef de oplosstroom constant en bleef ongeveer 0 A. Toen de aangelegde spanning binnen een bereik van -0,3 V tot -0,16 lag V, de stroom daalde snel en de piek nam ongeveer af van − 1.16 × 10⁻⁴ A tot − 1,28 × 10⁻⁴ A met de Fe³⁺ toename van de ionenconcentratie binnen een bereik van 10 g/L tot 50 g/L en waarbij de spanningsverschuivingen binnen een bereik van respectievelijk -0,18 V tot -0,16 V liggen. De inzet toont de afhankelijkheid van de stroompiek van de aangelegde spanning, zoals weergegeven in Fig. 5. Wanneer de aangelegde spanning V> − 0,16 V, nam de oplosstroom exponentieel en geleidelijk toe en bleef binnen een bereik van − 0,2 × 10^{− 4} A tot − 0,4 × 10⁻⁴ A. Uit dit resultaat blijkt dat de piek van de stroom afneemt met toename van Fe³⁺ ionenconcentratie, en dat de TiO₂ nanobuis-array kan worden gebruikt als Fe³⁺ detectiesensor.

De afhankelijkheid van de losstroom van de spanning bij detectie Fe³⁺ ionen

Afhankelijkheid van de stroompieken in Fig. 5 van Fe³⁺ ionenconcentratie (van 10 g/L tot 50 μg/L) is ook samengevat in Fig. 6. De ononderbroken lijn past bij de gegevens en is op een redelijke manier in lijn met lineariteit. Resultaten van de pasvormen kunnen worden berekend met y = 0,00373x + 1.1027, waarbij y en x vertegenwoordigen respectievelijk stroom- en ionenconcentraties. Dit aanpasresultaat is voldoende om aan te tonen dat de minimaal detecteerbare Fe³⁺ ionenconcentratie wanneer TiO₂ nanobuisarrays zonder afzetting van Ag NP's zijn 37,3 A / μg / L. De detectielimiet van Fe³⁺ (δx = (dy /dx )⁻¹ ·(1/dy )) wanneer de TiO₂ arrays die worden gebruikt, moeten 15,01 nM zijn, rekening houdend met het lineaire bereik. Hier, dy /dx = 37.3 μA/μg/L, en δy = 0.01 μA, M _Fe =56, respectievelijk. Dit resultaat is vergelijkbaar met dat in Ref [25]. In dit artikel is de extinctieverhouding A700 nm/A520 nm lineair met de concentratie van Fe³⁺ variërend van 40 mM tot 80 mM, die gevoelige detectie van Fe³⁺ kan uitvoeren ionen met een detectielimiet van 14,82 nM wanneer DTC-PASAu NP-gebaseerde UV-zichtbare methode voor on-site en realtime detectie van Fe³⁺ in biologische monsters worden aangenomen.

De huidige piekafhankelijkheid van de Fe³⁺ ionenconcentratie

Vervolgens gevoeligheidsverbetering van Fe³⁺ concentratiedetectie voor TiO₂ nanobuisarrays met Ag-afzetting werden onderzocht, waarbij de afzettingsduren respectievelijk 30s, 35 s en 40s waren. De Fe³⁺ concentratie werd ingesteld op 10 g/L, en het resultaat wordt getoond in Fig. 7. Toen de aangelegde spanning V minder was dan -0,3 V, bleef de oplosstroom bijna constant en was ongeveer 0 A. Toen de aangelegde spanning binnen een bereik van − 0,3 V tot − 0,2 V, de stroom daalde snel tot ongeveer − 1,35 × 10⁻⁴ A, en wanneer de aangelegde spanning groter was dan − 0,2 V, nam de oplosstroom exponentieel en geleidelijk toe en bleef binnen een bereik van − 0,08 × 10⁻⁴ A tot − 0,4 × 10⁻⁴ A. De inzet toont de afhankelijkheid van de huidige piek van de aangelegde spanning, zoals weergegeven in Fig. 7. De afhankelijkheid van de pieken in Fig. 7 van de Ag NP's-afzetting, waarbij de duur binnen een bereik van 0 s tot 40 s ligt, wordt ook samengevat in Fig. 8, en de ononderbroken lijn gepresenteerde gegevensaanpassing. Het is te zien dat de stroom de maximale waarde heeft bereikt (ongeveer − 1.38 × 10⁻⁴ A) toen de afzettingstijd van Ag NP's 30 s was. In het bijzonder vergeleken met de waarde van stroom vóór Ag-afzetting op TiO₂ nanobuisarrays, de waarde van stroom verhoogd tot ongeveer − 1.15 × 10⁻⁴ A, wat betekende dat de gevoeligheid van de Fe³⁺ detectie werd met 20% verbeterd wanneer Ag NP's afzetting plaatsvond op TiO₂ oppervlakte. Bovendien werd aangenomen dat de maximale stroomwaarde in de depositieduur van 30 s direct verband hield met diameters en uniforme verdeling van Ag NP's op TiO₂ oppervlakte. Bijgevolg is TiO₂ nanobuisarrays worden gekenmerkt door relatief eenvoudige fabricage, hoge gevoeligheid en reproduceerbaarheid in vergelijking met andere Fe³⁺ detectie methoden. Bovendien kan met het blote oog kleurverandering van de Ag-colloïdale oplossing worden onderscheiden, waarmee ook direct kan worden gecontroleerd of Fe³⁺ bestaat in de oplossing en dient als een sterke basis voor dit onderzoek. Daarom gefunctionaliseerde Ag NP's op goed geordende TiO₂ nanobuisarrays zorgden voor een goedkope, hoge selectiviteit en gevoeligheidsdetectierespons voor Fe³⁺ met een lage detectielimiet onder omgevingsomstandigheden. Met name verbetering van de gevoeligheid van Fe³⁺ detectie kan ook worden gerealiseerd voor andere Fe³⁺ oplossingen met verschillende concentraties.

Detectie van Fe³⁺ ionen door met Ag geladen TiO₂ nanobuis-arrays met verschillende concentraties

De relatie tussen de tijd van Ag-ionafzetting op TiO₂ nanobuis-array en de detectieconcentratie van Fe³⁺ ion

Om de selectiviteit van TiO₂ . aan te tonen -Ag NP's voor Fe³⁺ ionen werden competitieve experimenten uitgevoerd in aanwezigheid van andere metaalionen wanneer oppervlakteplasmonresonantie (SPR), UV-zichtbare spectrometrie, enz. werden gebruikt. Theoretisch zou de karakteristieke piekverschuiving alleen optreden met de gemengde oplossing van metaalionen die Fe³⁺ bevatten ionen zoals aangegeven in Vgl. (1)–(4). We zullen ons hierna concentreren op de competitieve experimenten.

Conclusies

TiO₂ is een belangrijk functioneel materiaal dat niet alleen veel wordt gebruikt in UV-detectoren, fotokatalysatoren en kleurstofgevoelige zonnecellen, maar ook in belangrijke potentiële toepassingen in ultragevoelige sensoren. In dit artikel presenteren we een methode die gebruikmaakt van goed uitgelijnde TiO₂ nanobuisarrays met Ag-nanodeeltjes als voltammetriesensor voor zeer efficiënte detectie van Fe³⁺ Ion. In het begin werd de anodische oxidatiemethode toegepast om geordende TiO₂ . te bereiden nanobuisarrays, gevolgd door gefunctionaliseerde Ag NP's met het vermogen om ijzerionen te detecteren. Dan, de spectra van de TiO₂ nanobuisjes met/zonder de Ag NP's werden vergeleken door XPS, wat aantoonde dat roosterzuurstof in TiO₂ nanobuisarrays werden vrijgegeven aan geadsorbeerde zuurstof vanwege de interactie van Ag NP's. Daarom werd, wanneer gefunctionaliseerde Ag NP's op nanobuisarrays werden gebruikt, ijzeriondetectie uitgevoerd met de anodische strip-voltammetriemethode onderzocht om hun grote potentieel te valideren om sensoren voor zware metalen te worden, wat aantoonde dat gefunctionaliseerde Ag NP's op goed geordende TiO2 nanobuisarrays zorgden voor een goedkope, hoge selectiviteit en gevoeligheidsdetectierespons voor Fe³⁺ met een lage detectielimiet onder omgevingsomstandigheden. Deze methode creëert nieuwe mogelijkheden voor het ontwikkelen van sensoren voor het monitoren van Fe³⁺ in biologische monsters zonder enige voorbehandelingsprocedure.