Geoptimaliseerde α-NiS nanosfeer films voor langdurige, niet-enzymatische glucosesensing

Samenvatting

Wij rapporteren de synthese van α-nickelsulfide (α-NiS) nanosfeer films die functionele stabiliteit behouden gedurende meer dan vijf jaar onder omgevingsomstandigheden. De films werden geproduceerd door electrodepositie van een nikkel nanosheet laag op indium-tin-oxide (ITO) glas, gevolgd door zwaveling in vacuüm-afgedichte ampullen bij 300–500 °C. Uitgebreide karakterisatie – waaronder XRD, SEM, EDS, HR-TEM, CV, EIS, UV-Vis-NIR en PL – bevestigde de α-fase en nanosfeer morfologie, met name bij 400 °C gedurende 4 uur. Electrochemische tests in 0,1 M NaOH en Krebs-buffer onthulden een lineaire glucoserespons van 1–35 µM en 0–40 µM, respectievelijk, met een gevoeligheid van 8,4 µA µM⁻¹ cm⁻². De films behielden hun electrochemische prestaties na viereinhalf jaar opslag bij kamertemperatuur, wat hun geschiktheid aantoont voor duurzame, niet-enzymatische glucosesensoren.

Achtergrond

Nickelsulfide (NiS) is een bekende geleidende materiaal met toepassingen variërend van lithium-ionbatterijen tot fotokatalyse en niet-enzymatische glucosesensing. Hoewel veel sensing-strategieën bestaan, bieden niet-enzymatische elektroden superieure houdbaarheid en weerstand tegen biologische vervuiling. Wij richtten ons op α-NiS vanwege de hoge geleidbaarheid en stabiliteit, met als doel een sensor te creëren die jarenlang kan worden opgeslagen zonder gevoeligheidsverlies. Ons inziens is er geen eerdere werk gedocumenteerd over een niet-enzymatische glucosesensor gebaseerd op α-NiS die functioneel blijft na vijf jaar omgevingsopslag.

Methoden

Bereiding van de α-NiS films

De filmsynthese omvatte een twee-stapsproces. Ten eerste werden nikkel nanosheets geëlectrodeposeerd op 0,5 × 1 cm² ITO glas met behulp van een Pt anode en een 3,0 V DC potentiaal in een 0,1 M NiSO₄·6H₂O / 0,05 M NaOH bad bij pH 7,7 en 40 °C gedurende 10 min. De resulterende films hadden een dikte van ~500 nm en korrelgroottes van 0,01–0,3 µm. Ten tweede werden de nikkellaag gezwaveld door de monsters in vacuüm-afgedichte glasampullen met zwavelplaatjes te plaatsen en te verwarmen bij 300, 400 of 500 °C gedurende 4 uur. Voor optimalisatie werden de 400 °C monsters ook geanaleerd gedurende 3 en 6 uur. De finale α-NiS films werden vervolgens afgespoeld gedemineraliseerd water en gedroogd onder stikstof.

Karakterisatie van de α-NiS film

Fase-identificatie werd uitgevoerd met een SHIMADZU XRD-6000 (Cu Kα). Morfologie en samenstelling werden onderzocht met VVSEM (HITACHI S-3000N) en FE-SEM/EDS (HITACHI S-4800, 3 kV). Electrochemisch gedrag werd gemeten in een drie-elektrode cel met een JIEHAN ECW-5000 potentiostaat met een Ag/AgCl referentie. CV scans (0–0,8 V, 20 mV s⁻¹) werden uitgevoerd in 0,1 M NaOH en Krebs-buffer (pH 7,4). Amperometrische responsen werden vastgelegd bij 0,6 V voor glucoseconcentraties variërend van 1 tot 35 µM (NaOH) en 0–40 µM (Krebs). EIS werd uitgevoerd in 0,1 M KCl + 1,5 mM Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻ (Zennium IM6). UV-Vis-NIR spectra (HITACHI U-3501) en PL (RF-5301PC) werden verkregen voor optische analyse. HR-TEM (JEOL TEM-2010) leverde roosterafstanden en kristallijngrootte data.

Resultaten en Discussie

Electrodepositie produceerde gladde nikkel nanosheets met uniforme korrelgroottes; SEM-beelden bevestigden diktes van ~500 nm. XRD-patronen matched JCPDS 870-712, wat zuiver Ni-metaal bevestigde. Na zwaveling bij 400 °C gedurende 4 uur, verschenen α-NiS nanosferen (~0,1–0,2 µm) dicht op het oppervlak, met EDS die S/Ni ≈ 1,02 (wt% S ≈ 35,8%, Ni ≈ 64,2%) toonde. De 400 °C conditie leverde de beste morfologie op; 300 °C produceerde onregelmatige deeltjes (~0,5–2 µm), terwijl 500 °C ketting-achtige structuren (~1–5 µm) produceerde.

CV-studies onthulden duidelijke oxidatiepieken rond ~0,6 V, wat Ni²⁺/Ni⁺ redoxactiviteit aangeeft. In 0,1 M NaOH steeg de piekstroom lineair met de glucoseconcentratie (1–35 µM), wat een gevoeligheid van 8,4 µA µM⁻¹ cm⁻² opleverde (R² = 0,99). Amperometrie bij 0,6 V toonde uitstekende anti-interferentie tegen dopamine, urzuur en melkzuur. EIS-data toonden lagere ladingsoverdrachtsweerstand (R_ct = 42,1 Ω) voor de 400 °C films vergeleken met 300 °C (R_ct = 71 Ω), gecorreleerd met hogere oppervlakte-oppervlakte.

Langetermijnstabiliteitstests (omgeving 16–26 °C, 50–65% RV) gedurende viereinhalf jaar toonden geen verlies van piekstroom of gevoeligheid. De films bleven volledig functioneel in zowel NaOH als Krebs-buffer, met lineaire glucosedetectiebereiken van 1–35 µM (NaOH) en 0–40 µM (Krebs). Deze duurzaamheid overstijgt typische enzymatische sensoren, die vaak binnen weken afbraken.

Optische metingen onthulden bandgaps van 1,08 eV (300 °C), 1,80 eV (400 °C) en 0,66 eV (500 °C), consistent met quantum-confinement effecten in de nanosferen. PL-spectra toonden pieken bij 448 nm en 369 nm (opgewekt bij 277 nm), wat hoge kristallijnheid bevestigt.

HR-TEM beelden van het 400 °C/4 uur monster toonden nanosferen van 150–250 nm in diameter met duidelijke (101) roestervlakte (0,7786 nm). Geselecteerde-gebied elektrondiffractie bevestigde de α-NiS fase.

Conclusie

α-NiS nanosfeer films geproduceerd bij 400 °C gedurende 4 uur vertonen robuuste structurele, optische en electrochemische eigenschappen geschikt voor niet-enzymatische glucosesensing. Hun langetermijnstabiliteit (≥ 5 jaar bij kamertemperatuur) en hoge gevoeligheid maken hen veelbelovende kandidaten voor draagbare, laag-onderhoud glucosemonitoringsapparaten.

Afkortingen

CV

Cyclische voltammogram

EDS

Energie-dispersieve spectrometer

FE‑SEM

Veldemissie scanning elektronenmicroscopie

HR‑TEM

Hoge-resolutie transmissie elektronenmicroscopie

NiS

Nickelsulfide

PL

Fotoluminescentie

PVT

Fysieke damp transport

SD

Standaarddeviatie

UV/Visible/NIR

Ultraviolet/zichtbaar/nabij-infrarood

VVSEM

Variabele vacuüm scanning elektronenmicroscopie

wt%

Percentage bij gewicht

XRD

Röntgendiffractie