Film Nanosphere α‑NiS yang Dioptimalkan untuk Pengukuran Glukosa Non‑Enzimatik Jangka Panjang

Abstrak

Kami melaporkan sintesis film nanosphere sulfida nikel α (α‑NiS) yang mempertahankan stabilitas fungsional selama lebih dari lima tahun pada kondisi ambien. Film dihasilkan dengan menrodeposisi lapisan nikel nanosheet pada kaca indium tin oxide (ITO), diikuti oleh sulfurisasi dalam ampul vakum yang ditempa pada 300–500 °C. Karakterisasi menyeluruh—termasuk XRD, SEM, EDS, HR‑TEM, CV, EIS, UV‑Vis‑NIR, dan PL—mengonfirmasi fase α dan morfologi nanosphere, terutama pada 400 °C selama 4 jam. Uji elektrokimia dalam NaOH 0,1 M dan buffer Krebs mengungkapkan respons glukosa linier dari 1–35 µM dan 0–40 µM, masing-masing, dengan sensitivitas 8,4 µA µM⁻¹ cm⁻². Film mempertahankan performa elektrokimia setelah lima setengah tahun disimpan pada suhu kamar, yang menunjukkan kesesuaiannya untuk sensor glukosa non‑enzimatik yang awet.

Latar Belakang

Sulfida nikel (NiS) adalah bahan konduktif yang terkenal dengan aplikasi yang berkisar dari baterai ion litium hingga fotokatalisis dan pengukuran glukosa non‑enzimatik. Meskipun banyak strategi pengukuran yang ada, elektroda non‑enzimatik menawarkan umur simpan yang lebih unggul dan resistensi terhadap pencemaran biologis. Kami berfokus pada α‑NiS karena konduktivitas dan stabilitasnya yang tinggi, bertujuan untuk menciptakan sensor yang dapat disimpan selama tahun tanpa kehilangan sensitivitas. Sejauh pengetahuan kami, tidak ada pekerjaan sebelumnya yang mendokumentasikan sensor glukosa non‑enzimatik berbasis α‑NiS yang tetap fungsional setelah lima tahun penyimpanan ambien.

Metode

Persiapan Film α‑NiS

Sintesis film melibatkan proses dua langkah. Pertama, nanosheet nikel dirodeposisi pada kaca ITO berukuran 0,5 × 1 cm² menggunakan anoda Pt dan potensi DC 3,0 V dalam larutan 0,1 M NiSO₄·6H₂O / 0,05 M NaOH pada pH 7,7 dan 40 °C selama 10 menit. Film yang dihasilkan memiliki ketebalan sekitar 500 nm dan ukuran butir 0,01–0,3 µm. Kedua, lapisan nikel disulfurisasi dengan menempatkan sampel dalam ampul kaca yang ditempa vakum dengan lembar sulfur dan memanaskan pada 300, 400, atau 500 °C selama 4 jam. Untuk optimisasi, sampel 400 °C juga diobati selama 3 dan 6 jam. Film α‑NiS akhir kemudian dicuci dengan air deionis dan dikeringkan di bawah nitrogen.

Karakterisasi Film α‑NiS

Identifikasi fase dilakukan dengan SHIMADZU XRD‑6000 (Cu Kα). Morfologi dan komposisi diperiksa dengan VVSEM (HITACHI S‑3000N) dan FE‑SEM/EDS (HITACHI S‑4800, 3 kV). Perilaku elektrokimia diukur dalam sel tiga elektroda menggunakan potensiostat JIEHAN ECW‑5000 dengan referensi Ag/AgCl. Skan CV (0–0,8 V, 20 mV s⁻¹) dilakukan dalam NaOH 0,1 M dan buffer Krebs (pH 7,4). Respons amperometrik direkam pada 0,6 V untuk konsentrasi glukosa 1 hingga 35 µM (NaOH) dan 0–40 µM (Krebs). EIS dilakukan dalam 0,1 M KCl + 1,5 mM Fe(CN)₆³⁻/⁴⁻ (Zennium IM6). Spektra UV‑Vis‑NIR (HITACHI U‑3501) dan PL (RF‑5301PC) diperoleh untuk analisis optik. HR‑TEM (JEOL TEM‑2010) menyediakan data jarak jaring dan ukuran kristalit.

Hasil dan Pembahasan

Rodeposisi menghasilkan nanosheet nikel yang halus dengan ukuran butir seragam; citra SEM mengonfirmasi ketebalan sekitar 500 nm. Pola XRD cocok dengan JCPDS 870–712, yang mengonfirmasi logam Ni murni. Setelah sulfurisasi pada 400 °C selama 4 jam, nanosphere α‑NiS (~0,1–0,2 µm) muncul padat pada permukaan, dengan EDS menunjukkan S/Ni ≈ 1,02 (wt% S ≈ 35,8 %, Ni ≈ 64,2 %). Kondisi 400 °C menghasilkan morfologi terbaik; 300 °C menghasilkan partikel tidak teratur (~0,5–2 µm), sementara 500 °C menghasilkan struktur rantai (~1–5 µm).

Studi CV mengungkapkan puncak oksidasi pada sekitar 0,6 V, yang menunjukkan aktivitas redoks Ni²⁺/Ni⁺. Dalam NaOH 0,1 M, arus puncak meningkat linier dengan konsentrasi glukosa (1–35 µM), menghasilkan sensitivitas 8,4 µA µM⁻¹ cm⁻² (R² = 0,99). Amperometri pada 0,6 V menunjukkan anti‑interferensi yang luar biasa terhadap dopamin, asam urat, dan asam laktat. Data EIS menunjukkan resistensi transfer muatan yang lebih rendah (R_ct = 42,1 Ω) untuk film 400 °C dibanding 300 °C (R_ct = 71 Ω), yang berkorelasi dengan luas permukaan yang lebih tinggi.

Uji stabilitas jangka panjang (ambien 16–26 °C, 50–65 % RH) selama lima setengah tahun menunjukkan tidak ada kehilangan arus puncak atau sensitivitas. Film tetap sepenuhnya fungsional baik dalam NaOH maupun buffer Krebs, dengan rentang deteksi glukosa linier 1–35 µM (NaOH) dan 0–40 µM (Krebs). Ketahanan ini melebihi sensor enzimatik tipikal, yang sering degradasi dalam beberapa minggu.

Pengukuran optik mengungkapkan jarak energi 1,08 eV (300 °C), 1,80 eV (400 °C), dan 0,66 eV (500 °C), konsisten dengan efek penahanan kuantum dalam nanosphere. Spektra PL menunjukkan puncak pada 448 nm dan 369 nm (diekstimasi pada 277 nm), yang mengonfirmasi kristalin yang tinggi.

Citera HRTEM sampel 400 °C/4 jam menunjukkan nanosphere berdiameter 150–250 nm dengan garis jaring (101) yang jelas (0,7786 nm). Difraksi elektron area terpilih mengonfirmasi fase α‑NiS.

Kesimpulan

Film nanosphere α‑NiS yang dihasilkan pada 400 °C selama 4 jam menunjukkan properti struktural, optik, dan elektrokimia yang kuat yang cocok untuk pengukuran glukosa non‑enzimatik. Stabilitas jangka panjang (≥ 5 tahun pada suhu kamar) dan sensitivitas tinggi menjadikannya calon yang menjanjikan untuk perangkat pemantauan glukosa portabel dan low‑maintenance.

Singkatan

CV

Voltamogram siklis

EDS

Spektrometer energi dispersif

FE‑SEM

Mikroskopi elektron pemindaian emisi medan

HR‑TEM

Mikroskopi transmisi elektron resolusi tinggi

NiS

Sulfida nikel

PL

Fotoluminescensi

PVT

Transport uap fisik

SD

Deviasi standar

UV/Visible/NIR

Ultraungu/terlihat/inframerah dekat

VVSEM

Mikroskopi elektron pemindaian vakum variabel

wt%

Persentase berat

XRD

Diffraksi sinar-X