Gut ausgerichtete TiO2-Nanoröhren-Arrays mit Ag-Nanopartikeln für den hocheffizienten Nachweis von Fe3+-Ionen

Hintergrund

Eisen ist ein wichtiges Nährstoffelement für die menschliche Gesundheit, das in der Regel für die Übertragung und den Transport von Sauerstoff und Blockmaterialien verantwortlich ist und an zweiter Stelle der wichtigsten Metallelemente im menschlichen Körper steht. Eine übermäßige Menge an Eisenionen in einer lebenden Zelle kann jedoch die Produktion von reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) über die Fenton-Reaktion katalysieren, was zu Krankheiten wie Nierenerkrankungen führen und die zelluläre Homöostase stören kann, was zu Alzheimer, Wilson-Krankheit und Menkes-Krankheit [1, 2]. Tatsächlich bleiben die potentiellen toxischen Wirkungen von Eisen aus kontaminierten Flüssen, Seen oder Ozeanen auf den Menschen aufgrund seiner breiten Anwendung in Industrie und Landwirtschaft eine globale Herausforderung [3, 4]. Folglich ist es besonders notwendig, den gesunden Körper und die Umwelt zu überwachen, um praktische und effiziente Technologien zu entwickeln, die zur schnellen Bestimmung von Eisenionen mit hoher Empfindlichkeit und Selektivität verwendet werden.

Heutzutage gibt es viele Verfahren zum Nachweis von Metallionen, wie beispielsweise die Atomabsorptionsspektrometrie, die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma und die Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma. Bei diesen Verfahren sind jedoch komplizierte Geräte und Probenvorbereitungsschritte erforderlich, was ebenfalls zu hohen Kosten führt. In letzter Zeit wurden enorme Anstrengungen unternommen, um Nanopartikel wie Graphen [5,6,7,8,9,10,11,12], Graphen-Quantenpunkte [13,14,15,16,17,18] zu untersuchen. , Kohlenstoffpunkte [19,20,21] und Edelmetall-Nanopartikel oder -Nanocluster in der gewünschten Dimension für die Erkennung von Metallionen, die wegen ihrer guten Selektivität, hohen Empfindlichkeit und einfachen Bedienung viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben. Vinod Kumar Guptaet al. haben eine Methode zur Synthese von Iminen durch eine einfache Kondensationsreaktion entwickelt und ihre Metalldetektionsfähigkeiten durch elektrochemische und optische Methoden untersucht. Fe ³⁺ kolorimetrisch (L2) bei niedriger Konzentration nachgewiesen kann 1,29 × 10 ⁻⁶ . erreichen M. Diese Methode ist jedoch durch Faktoren wie hohe Nachweisgrenzen und starke Interferenzen eingeschränkt [22]. XiaohuiGaoet al. berichteten über einen einfachen kolorimetrischen Sensor basierend auf N-Acetyl-L-Cystein (NALC)-stabilisierten Ag-Nanopartikeln (NALC-Ag-NPs) zum Nachweis von Fe3+-Ionen in wässriger Lösung. Diese Methode kann verwendet werden, um einen empfindlichen und selektiven Nachweis von Fe ³⁺ . durchzuführen Ionen in Wasser mit einem linearen Bereich von 80 nM bis 80 mM und einer Nachweisgrenze von 80 nM [23]. Kailasa S. K. et al. haben eine selektive und empfindliche kolorimetrische Methode zur Bestimmung von Fe ³⁺ . entwickelt -Ionen unter Verwendung von p-Aminosalicylsäuredithiocarbamat-funktionalisierten Goldnanopartikeln (DTC-PAS-Au-NPs) als kolorimetrische Sonden [24, 25]. Auf der Grundlage einer solchen Detektion wurde vorzugsweise eine Analyse mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP) gekoppelt mit Massenspektrometrie (MS) oder optischer Emissionsspektroskopie (OES) für die Eisenionenanalyse verwendet [26].

Andererseits ist TiO₂ Nanoröhren mit hoher chemischer Stabilität werden aufgrund ihrer hervorragenden photoelektrochemischen, katalytischen und Adsorptionseigenschaften sowie ihrer Ungiftigkeit in verschiedenen Industrien eingesetzt, wie z. B. Gas-/Feuchtigkeitssensoren [27], photokatalytische Zersetzung von Wasser in Wasserstoff [28] , photokatalytischer Abbau organischer Schadstoffe [29], farbstoffsensibilisierte Solarzellen [30], Biosensoren [31] und Superkondensatoren [32]. Besonders gut strukturiertes und hochgeordnetes TiO₂ Nanoröhren eignen sich gut für die gerichtete und schnelle Übertragung elektrischer Ladungen [33,34,35,36]. Darüber hinaus spielt die Oberflächenfunktionalisierung von Ag-NPs eine entscheidende Rolle bei der Erhöhung der analytischen Anwendbarkeit von TiO₂ Nanotubes Nachweis von Spurenanalyten mit hoher Selektivität und Sensitivität. Betrachtet man daher die Kombination von TiO₂ Nanoröhren und der Nachweis von Metallionen im Spurenbereich ist sehr wünschenswert. Soweit uns bekannt ist, gibt es nur sehr wenige Berichte über die Verwendung von funktionalisiertem TiO₂ Nanoröhren als Basissonde für Fe ³⁺ Erkennung.

In diesem Artikel wird ein Satz hochleistungsfähiger TiO₂ Es werden Nanoröhren-Arrays vorgestellt, die gegenüber Eisenionen recht empfindlich sind. Zunächst wurde die anodische Oxidationsmethode angewendet, um geordnetes TiO₂ . herzustellen Nanoröhren-Arrays, gefolgt von funktionalisierten Ag-NPs mit der Fähigkeit zur Erkennung von Eisenionen. Außerdem ist das Spektrum des TiO₂ Nanoröhre mit/ohne Ag-NPs wurde mit einem Röntgen-Photoelektronen-Spektrometer analysiert. Ferner Eisenionensensorik mit funktionalisierten Ag-NPs auf wohlgeordnetem TiO₂ Nanoröhren-Arrays durch die anodische Stripping-Voltammetrie-Methode wurden untersucht, um das große Potenzial von Schwermetallsensoren von TiO₂ . zu validieren Nanoröhren-Arrays. Diese Methode schafft neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Sensoren zur Überwachung von Fe ³⁺ in biologischen Proben ohne Probenvorbehandlungsverfahren.

Methoden

Prinzipien der Erkennung von Eisenionen mit TiO₂

Die Elektronen werden die Bandlücke überwinden und vom Valenzband (VB) in das Leitungsband (CB) übergehen, wenn sie genügend Energie in TiO₂ . absorbieren Nanoröhre. Als Ergebnis gibt es einen nicht besetzten elektronischen Zustand (Loch) in VB, der positiv ist, wie in Fig. 1a erläutert. Bei diesem Prozess kann ein Elektron, wenn es vom VB zum CB angeregt wird, an die Oberfläche diffundieren, was einen Ladungstransfer zu einem Adsorbat ermöglicht, oder kann in einer Elektronenfalle in der Bandlücke gefangen werden. Wenn die Oberfläche der Nanoröhren mit Metallnanopartikeln bedeckt war, findet ein Ladungstransfer zwischen dem Adsorbat und dem TiO₂ . statt Nanoröhre wegen Elektronenübergang. Basierend auf dieser Übertragung kann die Menge an Metallnanopartikeln bekannt sein, wenn die Menge der elektrischen Ladung erfasst wird, wie in Abb. 1b und Gl. (1)–(3). Aus diesen Gleichungen ist ersichtlich, dass die Überschussladungsverteilung das Potential definiert, das die elektronenziehenden (O₂ ) und stößt das elektronenspendende (H₂ O) Moleküle zu O_b Leerstellendefekte bei Adsorption von Metallpartikeln auf dem TiO₂ Oberfläche. Daher können wir die Konzentration und Spezies von Metallnanopartikeln direkt bestimmen, indem wir die Menge des Ladungstransfers mit den folgenden Gleichungen messen [37]:

a Das schematische Diagramm des Oberflächenladungstransfers zwischen Metall und TiO₂ . b Bestimmung der Konzentration und Spezies von Metallionen basierend auf der Höhe des durch den Ladungstransfer induzierten Stroms

Die Stripping-Voltammetrie-Methode kann verwendet werden, um die Konzentration und Spezies von Metallen auf der Oberfläche von TiO₂ . zu bestimmen Nanoröhren-Arrays. Bei dieser Methode lässt sich die Abhängigkeit des Stroms von der Konzentration und Spezies der Metalle in Gl. (4) [38]:

Wobei σ = exp[(nF /RT )(∆E /2)] und N ist die Anzahl der Elektronen, die an Reaktionen mit Metallen teilnehmen. F , A , D , C , und t _m repräsentieren die Faraday-Konstante, die Fläche der Elektrode, den Diffusionskoeffizienten und die Konzentration der Metallionen bzw. die Pulsbreite. Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, dass der Strom proportional zur Metallkonzentration ist.

Experimentelle Details

Ein reines Titanblech (20 × 20 × 0,1 mm; Reinheit 99,9%) wurde chemisch poliert, um die Oxidschicht zu entfernen und eine glatte Oberfläche zu erzeugen. Genauer gesagt wurde eine geeignete Menge HF-Säure mit einer Konzentration von 40% in ionisiertes Wasser proportional (0,5%) gegossen; dann wurde das Titanblech 10 Sekunden lang in die vorbereitete Lösung getaucht und sofort herausgenommen und dann mit Stickstoff getrocknet. Als nächstes wurde es mit Ultraschall in Aceton, absolutem Ethylalkohol und entionisiertem Wasser bei 30 °C jeweils 12 min lang gewaschen. Dabei wurde hauptsächlich Aceton verwendet, um die Oberfläche des Ti-Blechs mit einer Rauhigkeit von 0,139 µm bzw. 0,066 µm vor und nach der Behandlung zu reinigen. Für eine höhere Glätte ist eine Vorbehandlung der Ti-Bleche vor den Versuchen erforderlich. Der experimentelle Aufbau wurde in Lit. [39]. Das AMICUS Röntgen-Photoelektronenspektrometer (XPS) von Shimadzu wurde zur quantitativen Zusammensetzungsbestimmung des hergestellten TiO₂ . verwendet Nanoröhren-Arrays.

Auf dem TiO₂ . wurden Ag-Nanopartikel (NPs) unterschiedlicher Größe abgeschieden Nanotubes Oberfläche (QPrep400, Mantis) mit einer Leistung von 60 W unter Vakuumbedingungen von 10 ⁻³ Torr. Die Reinheit der Ag-Platte betrug 99,9999%.

Eine elektrochemische Workstation (CHI660E, Shanghai Chenhua) wurde verwendet, um die Stripping-Voltammetrie-Experimente zum Nachweis der Konzentration von Fe ³⁺ . durchzuführen Ionen. Um den elektrochemischen Reaktionsprozess der Arbeitselektrode zu überwachen und das Gleichgewicht der chemischen Reaktion zu halten, wurde ein Drei-Elektroden-System (Arbeits-, Referenzelektrode und Hilfselektroden) verwendet, das aus zwei Schleifen besteht.

In den Experimenten wurden vier Arten von Fe ³⁺ mit den Konzentrationen 10 µg/L, 20 µg/L, 30 µg/L, 40 µg/L bzw. 50 µg/L wurden in Ammoniumchlorid gemischt. Beim Nachweis wurde zunächst neutrales Eisen an TiO₂ . adsorbiert Nanoröhren-Oberfläche mit/ohne Ag-Abscheidung nach Reduktionsreaktion mit Ti-Substrat, gefolgt von Reoxidation, wenn eine Sperrspannung angelegt wurde. Die gescannte Spannung reichte von − 1 V bis 1 V mit einer Stufe von 0,005 V. Der minimal nachweisbare Strom betrug 10 ⁻⁵ A, und die erkannte Dauer betrug 120 Sekunden. Konzentration von Fe ³⁺ Ionen wurde anhand der Spannungsabhängigkeit der Auflösungsstromspitze bewertet.

Ergebnisse und Diskussion

Herstellung und Charakterisierung von TiO₂ Nanoröhren-Arrays

TiO₂ Nanoröhren-Arrays, hergestellt in einem Elektrolyten bestehend aus Glykol, 2 Vol.-% Wasser und 0,3 Gew.-% Ammoniumfluorid mit einer Oxidationsspannung von 60 V, einer Oxidationszeit von 2 h, einer Oxidationstemperatur von 40° C und einer Kalzinierungstemperatur von 500° C hatte die optimale Morphologie und Leistung [39]. Topographie- und seitliche Rasterelektronenmikroskop(REM)-Aufnahmen des TiO₂ Nanoröhren-Arrays sind in Fig. 2a bzw. b gezeigt. In Abb. 2a ist das TiO₂ Nanoröhren-Arrays sind mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 50 nm gut angeordnet. In Abb. 2b beträgt die Länge der Nanoröhre ungefähr 19,2  μm mit einem relativen Neigungswinkel von 30° zum Substrat, wenn gemessen. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Kontaktfläche mit Fe ³⁺ Ionen für die Nanoröhren-Arrays können offensichtlich mit zunehmender Länge der Röhre erhöht werden, was die Nachweisempfindlichkeit effektiv verbessern kann.

Topographie (a ) und Seitenansicht (b ) Bilder des TiO₂ Nanoröhren-Arrays bzw.

Abbildung 3a–d zeigen REM-Bilder von TiO₂ Nanoröhren mit Ag-Nanopartikel-Abscheidung mit einer Dauer von 30 s, 35 s, 40 s bzw. 45 s. In Fig. 3a lagen der durchschnittliche Durchmesser und die Bedeckungsdicke der an der Wand der Nanoröhren adsorbierten Ag-Nanopartikel bei einer Abscheidungsdauer von 30 s ungefähr bei 10 nm bzw. 5 nm. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Nanopartikel eine einheitliche Größenverteilung aufweisen. In Abb. 3b, c, wenn die Abscheidungsdauer auf 35 s und 40 s verlängert wurde, wurde der Zustand der Ag-Nanopartikel allmählich zu einem Cluster-Zustand und die Durchmesser der Ag-Partikel stiegen auf 20 nm bzw. 25 nm an. Die Durchmesser der Ag-Nanopartikel nahmen weiter zu, bis sie zu Clustern wurden, die teilweise die Oberfläche des TiO₂ . bedecken Nanoröhre, wenn die Abscheidungszeit auf 45 s erhöht wurde, was in Abb. 3d gezeigt ist.

SEM-Bilder von mit Ag-Nanopartikeln beladenem TiO₂ Nanotube-Arrays mit Sputterdauern von 30 s, 35 s, 40 s und 45 s entsprechend (a ) - (d ) bzw.

Um die Zusammensetzung des TiO₂ . zu bestätigen Nanotube-Arrays mit/ohne Ag-Partikeladsorption mit einer Dauer von 30 s wurden XPS-Experimente durchgeführt, die in Abb. 4a–d gezeigt sind. In Abb. 4a wurden die Spektren von Ag mit den Intensitäten von 3200 und 2400 Zählungen angegeben, wenn die Werte der Bindungsenergie 368,24 eV bzw. 374,25 eV betrugen, was zeigte, dass die FWHM (Vollwelle beim halben Maximum) von Ag ungefähr 1 . betrug eV. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass nur ein chemischer Zustand Ag ⁰ wurde nach der Ag-Abscheidung nachgewiesen.

Photoelektronenspektroskopie der Spektren von Ag in (a ); und die Spektroskopie von TiO₂ Nanoröhren mit/ohne Ag-Abscheidung in (b ), (c ) und (d ) Gemessen durch XPS bzw.

In Abb. 4b wurden Spektren von Ti mit/ohne Ag-Abscheidung angegeben und mit roten und schwarzen Linien markiert. Vor der Ag-Abscheidung betrugen die beobachteten Werte der Bindungsenergie von Ti 459,60 eV und 465,18 eV mit Intensitäten von 2250 bzw. 1250 Counts. Im Gegensatz dazu betrugen die Werte der Bindungsenergie von Ti 458,88 eV und 464,66 eV, wobei die zunehmenden Intensitäten 3250 bzw. 2700 Counts nach der Abscheidung betrugen. Der Unterschied in der Bindungsenergie vor der Ag-Abscheidung betrug 5,58 eV; im Gegensatz dazu änderte sich die Differenz nach der Abscheidung auf 5,78 eV, die um ungefähr 0,3 eV erhöht wurde. Außerdem betrugen die beiden Titan-Peakverschiebungen 0,72 eV bzw. 0,52 eV. Dieses Phänomen wurde durch die Wechselwirkung von Ag-NPs verursacht.

Ähnliche Phänomene wurden in den Spektren für Sauerstoff und Kohlenstoff mit/ohne Ag-Abscheidung beobachtet, die in Abb. 4c bzw. d gezeigt sind. Vor der Abscheidung betrugen die Werte der Bindungsenergie von Sauerstoff 530,89 eV und 533,28 eV, wobei die Intensitäten 3500 bzw. 4500 Zählungen betrugen. Diese Ergebnisse zeigten, dass sich der Sauerstoff in einem negativen zweiwertigen Zustand (Gittersauerstoff) befand und aus TiO₂ . bestand mit Titan. Andererseits betrug der Wert der Bindungsenergie von Sauerstoff 530,24 eV mit einer Intensität von 4900 Counts nach der Abscheidung. Außerdem verschwand der Wert des Sauerstoffpeaks der Bindungsenergie von 533,28 eV nach der Abscheidung, und die Sauerstoffpeakverschiebung betrug 0,67 eV. Diese Ergebnisse zeigten, dass sich der Sauerstoffzustand aufgrund der Reaktion mit Ag-NPs nach der Abscheidung von Gittersauerstoff zu adsorbiertem Sauerstoff änderte.

In Abb. 4d haben wir das Spektrum der Kohlenstoffkontamination auf TiO₂ . nachgewiesen Nanoröhren-Arrays mit/ohne Ag-Abscheidung, die mit roten bzw. schwarzen Linien markiert waren. Der Wert der Bindungsenergie der Kohlenstoffverunreinigung betrug 285,41 eV, wobei die Photonenzahl-Intensität vor der Abscheidung ungefähr 1350 Counts betrug. Im Gegensatz dazu betrug der Wert der Bindungsenergie der Kohlenstoffverunreinigung 284,80 eV, wobei die Photonenzahlintensität nach der Ag-Abscheidung ungefähr 1050 Counts betrug, was bedeutete, dass der Wert der Bindungsenergie und die Photonenzahl des Kohlenstoffs um 0,59 eV und 30 % reduziert wurden. bzw. Diese Ergebnisse zeigten, dass die Menge der Kohlenstoffverunreinigung nach der Abscheidung von Ag-NPs signifikant reduziert wurde. Mit anderen Worten, die Abscheidung von Ag-NPs kann die Kontamination der Elektrode reduzieren sowie die Effizienz des Ladungstransfers verbessern. Es sollte beachtet werden, dass die nach der Abscheidung gemessene Verschiebung der Bindungsenergie ungefähr 0,8 eV betrug, was hauptsächlich auf die Verschiebung von Kohlenstoff zurückzuführen war.

Daher TiO₂ Mit Ag-NPs abgeschiedene Nanoröhren-Arrays können die Rekombinationsrate von Elektronen und Löchern effektiv reduzieren und die Leitfähigkeit und Ladungsübertragungsrate der Elektroden im Vergleich zu TiO₂ . erhöhen Nanoröhren-Arrays ohne Ag-NPs.

Erfassung von Fe ³⁺ Ionen mit/ohne Ag-NPs-Abscheidung

Um die experimentellen Ergebnisse zu erhalten, wurde die elektrochemische Stripping-Voltammetrie verwendet, um metallisches Fe ³⁺ . nachzuweisen Ionen mit TiO₂ Nanoröhren-Arrays ohne Abscheidung von Ag-NPs. Die Konzentration von Fe ³⁺ Ionen wird in einem Bereich von 10 µg/L bis 50 µg/L eingestellt. Abhängigkeit des Auflösungsstroms von der Spannung bei Fe ³⁺ Ionen detektiert wurden, ist in Abb. 5 gezeigt. Wenn die angelegte Spannung während der Messung weniger als – 0,3 V betrug, blieb der Auflösungsstrom konstant und blieb ungefähr 0 A. Wenn die angelegte Spannung in einem Bereich von – 0,3 V bis – 0,16 . lag V, der Strom fiel schnell und die Spitze verringerte sich ungefähr von – 1,16 × 10 ^–4 A bis − 1,28 × 10 ⁻⁴ A mit Fe ³⁺ Ionenkonzentrationsinkrement innerhalb eines Bereichs von 10 &mgr;g/l bis 50 &mgr;g/l liegt bzw. die Spannungsverschiebungen innerhalb eines Bereichs von – 0,18 V bis – 0,16 V liegen. Der Einschub zeigt die Abhängigkeit der Stromspitze von der angelegten Spannung, wie in Fig. 5 gezeigt. Wenn die angelegte Spannung V> –   0,16   V war, stieg der Auflösungsstrom exponentiell und allmählich an und blieb in einem Bereich von – 0,2 × 10 ^{– 4} A bis − 0,4 × 10 ⁻⁴ A. Aus diesem Ergebnis ist ersichtlich, dass die Stromspitze mit steigendem Fe ³⁺ . abnimmt Ionenkonzentration und dass die TiO₂ Nanoröhren-Array kann als Fe ³⁺ . verwendet werden Erkennungssensor.

Die Auflösungsstromabhängigkeit der Spannung beim Nachweis von Fe ³⁺ Ionen

Abhängigkeit der Stromspitzen in Abb. 5 von Fe ³⁺ Ionenkonzentration (von 10 μg/L bis 50 μg/L) ist auch in Abb. 6 zusammengefasst. Die durchgezogene Linie entspricht der Datenanpassung und ist in angemessener Weise mit der Linearität ausgerichtet. Ergebnisse der Anpassungen können mit y . berechnet werden = 0,00373x + 1.1027, wobei y und x repräsentieren Strom- bzw. Ionenkonzentrationen. Dieses Anpassungsergebnis reicht aus, um zu zeigen, dass das minimal nachweisbare Fe ³⁺ Ionenkonzentration bei TiO₂ Nanoröhren-Arrays ohne Abscheidung von Ag-NPs verwendet werden, beträgt 37,3 µA/µg/L. Die Nachweisgrenze von Fe ³⁺ (δx = (dy /dx ) ⁻¹ ·(1/dy )) wenn das TiO₂ Arrays verwendet werden, sollten unter Berücksichtigung des linearen Bereichs 15,01 nM betragen. Hier, dy /dx = 37,3 μA/μg/L und δy = 0,01 μA, M _Fe = 56, bzw.. Dieses Ergebnis ist mit dem in Lit. [25] vergleichbar. In diesem Artikel ist das Extinktionsverhältnis A700 nm/A520 nm linear mit der Konzentration von Fe ³⁺ . im Bereich von 40 mM bis 80 mM, die einen empfindlichen Nachweis von Fe ³⁺ . durchführen können Ionen mit einer Nachweisgrenze von 14,82 nM bei DTC-PASAu NP-basierte UV-Vis-Methode zur Vor-Ort- und Echtzeit-Detektion von Fe ³⁺ in biologischen Proben werden übernommen.

Die Stromspitzenabhängigkeit des Fe ³⁺ Ionenkonzentration

Als nächstes Empfindlichkeitssteigerung von Fe ³⁺ Konzentrationserkennung für TiO₂ Nanoröhren-Arrays mit Ag-Abscheidung wurden untersucht, wobei die Abscheidungsdauern 30 s, 35 s bzw. 40 s betrugen. Das Fe ³⁺ Die Konzentration wurde auf 10 μg/l eingestellt, und das Ergebnis ist in Abb. 7 gezeigt. Wenn die angelegte Spannung V weniger als – 0,3 V betrug, blieb der Auflösungsstrom fast konstant und betrug ungefähr 0 A. Wenn die angelegte Spannung innerhalb von a . lag Bereich von − 0,3 V bis − 0,2 V, der Strom fiel schnell auf ungefähr − 1,35 × 10 ⁻⁴ A, und wenn die angelegte Spannung größer als – 0,2 V war, stieg der Auflösungsstrom exponentiell und allmählich an und blieb in einem Bereich von – 0,08 × 10 ^–4 A bis − 0,4 × 10 ⁻⁴ A. Der Einschub zeigt die Abhängigkeit der Stromspitze von der angelegten Spannung, wie in Abb. 7 gezeigt. Die Abhängigkeit der Spitzen in Abb. 7 von der Ag-NP-Abscheidung mit einer Dauer im Bereich von 0 s bis 40 s ist auch in . zusammengefasst Abb. 8 und die durchgezogene Linie zeigt die Datenanpassung. Es ist ersichtlich, dass der Strom den Maximalwert erreicht hat (ungefähr − 1,38 × 10 ⁻⁴ A) bei einer Abscheidungszeit von Ag-NPs von 30 s. Insbesondere verglichen mit dem Stromwert vor der Ag-Abscheidung auf TiO₂ Nanoröhren-Arrays erhöht sich der Stromwert auf ungefähr − 1.15 × 10 ⁻⁴ A, was bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Fe ³⁺ Die Erkennung wurde um 20 % verbessert, wenn die Ablagerung von Ag-NPs auf TiO₂ . auftrat Oberfläche. Außerdem wurde angenommen, dass der maximale Stromwert in der Abscheidungsdauer von 30 s in direktem Zusammenhang mit den Durchmessern und der gleichmäßigen Verteilung von Ag-NPs auf TiO₂ . steht Oberfläche. Folglich TiO₂ Nanoröhren-Arrays zeichnen sich durch relativ einfache Herstellung, hohe Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit im Vergleich zu anderen Fe ³⁺ . aus Detektionsmethoden. Darüber hinaus kann die Farbänderung der kolloidalen Ag-Lösung mit bloßem Auge erkannt werden, wodurch auch direkt überprüft werden kann, ob Fe ³⁺ existiert in der Lösung und dient als starke Grundlage für diese Forschung. Daher funktionalisierte Ag-NPs auf wohlgeordnetem TiO₂ Nanoröhren-Arrays boten eine kostengünstige, hochselektive und empfindliche Sensorreaktion für Fe ³⁺ mit niedriger Nachweisgrenze unter Umgebungsbedingungen. Insbesondere Erhöhung der Empfindlichkeit von Fe ³⁺ Nachweis auch für andere Fe ³⁺ . möglich Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen.

Nachweis von Fe ³⁺ Ionen durch Ag-beladenes TiO₂ Nanotube-Arrays mit verschiedenen Konzentrationen

Die Beziehung zwischen der Zeit der Ag-Ionenabscheidung auf TiO₂ Nanoröhren-Array und die Nachweiskonzentration von Fe ³⁺ Ion

Um die Selektivität von TiO₂ . zu demonstrieren -Ag-NPs für Fe ³⁺ -Ionen wurden kompetitive Experimente in Gegenwart anderer Metallionen durchgeführt, wenn Oberflächenplasmonenresonanz (SPR), UV-Vis-Spektrometrie usw. verwendet wurden. Theoretisch sollte die charakteristische Peakverschiebung nur bei der Mischlösung von Metallionen mit Fe ³⁺ . auftreten Ionen wie in Gl. (1)–(4). Als nächstes konzentrieren wir uns auf die Wettbewerbsexperimente.

Schlussfolgerungen

TiO₂ ist ein wichtiges Funktionsmaterial, das nicht nur in UV-Detektoren, Photokatalysatoren und farbstoffsensibilisierten Solarzellen weit verbreitet ist, sondern auch in wichtigen potentiellen Anwendungen in ultraempfindlichen Sensoren verwendet wird. In diesem Papier stellen wir eine Methode vor, die gut ausgerichtetes TiO₂ . verwendet Nanotube-Arrays mit Ag-Nanopartikeln als Voltammetriesensor zur hocheffizienten Detektion von Fe ³⁺ Ion. Am Anfang wurde die anodische Oxidationsmethode angewendet, um geordnetes TiO₂ . herzustellen Nanoröhren-Arrays, gefolgt von funktionalisierten Ag-NPs mit der Fähigkeit zur Erkennung von Eisenionen. Dann die Spektren des TiO₂ Nanoröhren mit/ohne Ag-NPs wurden durch XPS verglichen, was bewies, dass Gittersauerstoff in TiO₂ Nanoröhren-Arrays wurden aufgrund der Wechselwirkung von Ag-NPs an adsorbierten Sauerstoff abgegeben. Wenn funktionalisierte Ag-NPs auf Nanoröhren-Arrays verwendet wurden, wurde daher die Eisenionensensorik mit der anodischen Stripping-Voltammetrie-Methode untersucht, um ihr großes Potenzial als Schwermetallsensoren zu validieren, was bewies, dass funktionalisierte Ag-NPs auf wohlgeordnetem TiO₂ Nanoröhren-Arrays boten eine kostengünstige, hochselektive und empfindliche Sensorreaktion für Fe ³⁺ mit niedriger Nachweisgrenze unter Umgebungsbedingungen. Diese Methode schafft neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Sensoren zur Überwachung von Fe ³⁺ in biologischen Proben ohne Probenvorbehandlungsverfahren.

Abkürzungen

CB:

Leitwertband

FWHM:

Vollwelle bei halbem Maximum

NALC:

N-Acetyl-L-Cystein

NPs:

Nanopartikel

ROS:

Reaktive Sauerstoffspezies

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

Ti:

Titan

VB:

Valenzband

XPS:

Röntgen-Photoelektronen-Spektrometer