Deteksi Fe³⁺ Sensitivitas Tinggi menggunakan Array Nanotubus TiO₂ Fungsional Ag melalui Voltametri Stripping Anoda

Abstrak

Pemantauan Fe³⁺ yang akurat dan cepat sangat penting untuk keselamatan kesehatan dan lingkungan. Kami melaporkan, untuk pertama kalinya, array nanotubus TiO₂ yang dihiasi nanopartikel Ag yang mencapai sensitivitas sekitar 30 µA µg⁻¹ L dan batas deteksi 15 nM untuk Fe³⁺ menggunakan voltametri stripping anoda. Lapisan Ag mengurangi rekombinasi elektron–lubang dan meningkatkan transfer muatan, memungkinkan sensing Fe³⁺ yang efektif tanpa perawatan sampel.

Latar Belakang

Besir vital untuk transportasi oksigen tetapi kelebihan Fe³⁺ menghasilkan spesies reaktif oksigen yang berkontribusi pada penyakit seperti Alzheimer, Wilson, dan Menkes. Aktivitas industri dan pertanian memperkenalkan Fe³⁺ ke dalam tubuh air, yang menimbulkan risiko kesehatan global. Teknik konvensional (AAS, ICP-MS, ICP-ES) membutuhkan peralatan mahal dan persiapan sampel yang luas.

Nanomaterial—grafen, titik kuantum, nanopartikel logam mulia—telah muncul sebagai sensor Fe³⁺ yang menjanjikan karena selektivitas, sensitivitas, dan kesederhanaan operasional yang tinggi. Kemajuan terbaru termasuk deteksi warna Fe³⁺ dengan nanopartikel Ag (batas deteksi 80 nM) dan sondes nanopartikel emas (batas 14,8 nM). Namun, metode ini masih bergantung pada perubahan warna atau bacaan optik yang dapat dipengaruhi oleh efek matriks.

Nanotubus TiO₂ menawarkan stabilitas kimia yang unggul, non-toksisitas, dan transportasi muatan arah, menjadikannya menarik untuk sensing elektrokimia. Ketika difungsionalkan dengan nanopartikel Ag, nanotubus TiO₂ dapat lebih menekan rekombinasi dan meningkatkan konduktivitas, yang potensialmente memungkinkan deteksi Fe³⁺ yang teracak.

Metode

Prinsip Sensing

Elektron yang foto-terangsang dalam TiO₂ bermigrasi ke permukaan, mentransfer muatan ke ion Fe³⁺ yang ter adsorpsi. Kehadiran nanopartikel Ag memfasilitasi transfer elektron dan mengurangi rekombinasi, yang mengarah pada perubahan arus yang dapat diukur selama voltametri stripping anoda.

Prosedur Eksperimental

Lembar Ti murni (99,9 %) dipoles, di-etch dengan HF 40% (0,5% dalam air deionis) selama 10 detik, dan dibersihkan ultrasonik dalam aseton, etanol, dan air. Array nanotubus TiO₂ dibuat oleh anodisasi dalam elektrolit berbasis glikol (2% H₂O, 0,3% NH₄F) pada 60 V selama 2 jam, diikuti dengan kalinasi 500 °C.

Nanopartikel Ag (99,9999 %) di-sputter pada nanotubus (60 W, 10⁻³ Torr) selama 30–45 detik. Spektroskopi fotoelektron X-ray (Shimadzu AMICUS) mengonfirmasi penyetoran Ag⁰ dan perubahan energi ikatan Ti, O, dan C.

Stasiun kerja elektrokimia (CHI660E) melakukan voltametri stripping anoda dalam sel tiga elektroda. Standar Fe³⁺ (10–50 µg L⁻¹) disiapkan dalam klorida ammonium. Potensial disapu dari −1 V hingga +1 V (langkah 0,005 V) pada resolusi 10⁻⁵ A selama 120 detik.

Hasil dan Pembahasan

Morfologi Nanotubus dan Penyetoran Ag

Gambar SEM (Gambar 2) menunjukkan nanotubus TiO₂ seragam (~50 nm diameter, 19,2 µm panjang) dengan kemiringan 30°, yang menyediakan area kontak besar untuk adsorpsi Fe³⁺.

Setelah penyetoran Ag 30 detik, SEM (Gambar 3) mengungkapkan partikel Ag ~10 nm yang terdistribusi secara merata pada dinding nanotubus. Waktu penyetoran yang lebih lama (35–45 detik) mengarah pada pengelompokan partikel dan diameter yang lebih besar (20–25 nm).

Analisis XPS (Gambar 4) menunjukkan kehadiran Ag⁰ dan pergeseran puncak Ti, O, dan C, yang menunjukkan interaksi TiO₂–Ag yang kuat, oksigen jaringan yang berkurang, dan kontaminasi karbon permukaan yang lebih rendah.

Performa Deteksi Fe³⁺

Voltamogram stripping (Gambar 5) menunjukkan hubungan linier antara arus puncak dan konsentrasi Fe³⁺ (10–50 µg L⁻¹). Kemiringan adalah 37,3 µA µg⁻¹ L, yang sesuai dengan batas deteksi 15 nM.

Dengan nanopartikel Ag (penyetoran 30 detik), respons arus meningkat sekitar 20% (Gambar 7), mencapai sensitivitas maksimum −1,38 × 10⁻⁴ A. Peningkatan ini timbul dari transfer elektron yang ditingkatkan dan rekombinasi yang berkurang.

Tes kompetitif dengan ion logam lain mengonfirmasi respons selektif Fe³⁺, seperti yang ditunjukkan oleh spektrum SPR dan UV-vis yang tidak berubah ketika Fe³⁺ tidak ada.

Kesimpulan

Array nanotubus TiO₂ yang teratur difungsionalkan dengan nanopartikel Ag merupakan platform hemat biaya, sangat selektif, dan sensitif untuk deteksi Fe³⁺. Metode ini memberikan batas deteksi 15 nM dan beroperasi dalam kondisi sekitar tanpa perawatan sampel, menawarkan jalur yang menjanjikan untuk pemantauan real-time dalam sampel biologis dan lingkungan.

Singkatan

CB:

Conductance band

FWHM:

Full width at half maximum

NALC:

N‑acetyl‑L‑cysteine

NPs:

Nanoparticles

ROS:

Reactive oxygen species

SEM:

Scanning electron microscope

Ti:

Titanium

VB:

Valence band

XPS:

X‑ray photoelectron spectrometer