Бул изилдөө аскорбин кислотасын, башкача айтканда C витаминин, тамак-аш жана фармацевтикалык үлгүлөрдө тез, сезгич жана арзан аныктоо үчүн Cu кошулган ZnO нанобөлүкчөлөрү менен модификацияланган көмүртек паста электродун иштеп чыгат. Изилдөөчүлөр жез кошулган цинк оксиди нанотүзүлүштөрүн көмүртек паста электродунун ичине кошуп, аскорбин кислотасынын электрохимиялык кычкылдануу сигналын күчөтүүнү максат кылышкан.

Изилдөөнүн негизги табылгасы — Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрү менен модификацияланган электрод жылаңач көмүртек паста электродго салыштырмалуу аскорбин кислотасынын сигналын олуттуу күчөткөн. Жылаңач көмүртек паста электроддогу кычкылдануу чокусунун тогу 5,74 × 10^-6 A болсо, Cu–ZnO/CPE электродунда бул маани 8,798 × 10^-6 Aге жеткен. Бул болжол менен 1,5 эселик ток өсүшүн билдирет. Ошол эле учурда кычкылдануу потенциалы 0,289 Vдан 0,283 Vга терс багытта жылган. Бул чакан, бирок маанилүү потенциалдык жылыш аскорбин кислотасы модификацияланган бетте жеңилирээк кычкылданарын көрсөтөт.

Сенсордун эң күчтүү жыйынтыгы — дифференциалдык импульстук вольтамметрия, башкача айтканда DPV ыкмасы менен 20 nM–100 µM аралыгында сызыктуу жооп берип, 6 nM аныктоо чегин жана 18 nM сандык аныктоо чегин көрсөтүшү. Изилдөөдө оптималдуу колдоочу электролит катары 0,1 M фосфат буфери жана оптималдуу pH катары 5,5 аныкталган. Реалдуу үлгү колдонмосунда мөмө ширеси жана C витамини таблеткасы талданып, кайтарымдуулук маанилери %95,2–%96,6 аралыгында табылган.

Изилдөөнүн негизги билдирүүсү мындай: Cu кошулган ZnO нанобөлүкчөлөрү ZnOнун электрохимиялык сенсор бети катары чектелүү өткөрүмдүүлүк көйгөйүн азайтышы мүмкүн; кычкылтек боштуктары, Cu борборлору, көбүрөөк активдүү бет жана тезирээк электрон өткөрүү аркылуу аскорбин кислотасын аныктоодо жогорку сезгичтик камсыз кыла алат. Бирок изилдөө рецензиядан өтпөгөн preprint. Ошондуктан жыйынтыктар келечектүү лабораториялык сенсор иштеп чыгуу изилдөөсү катары окулуп, коммерциялык түзмөк, талаа колдонмосу же жөнгө салуучу сапат көзөмөл стандарты үчүн кошумча ырастоо керек экени унутулбашы керек.

Аскорбин кислотасы күнүмдүк тилде C витамини деп аталган, сууда эрүүчү жана адам организми үчүн маанилүү антиоксидант. Ал мөмө-жемиштерде жана жашылчаларда табигый түрдө болот; тамак-аш өнөр жайында болсо түс, даам жана жыт өзгөрүүлөрүн жайлатуу үчүн антиоксидант кошулма катары колдонулушу мүмкүн. Адам организминде коллагендин пайда болушу, байланыш ткандары, тери, капиллярлар, тиштер, сөөктөр, иммундук жооп жана редокс процесстери менен байланыштуу.

Аскорбин кислотасынын көлөмүн так аныктоо азык-түлүк коопсуздугу, азык этикеткасынын тактыгы, сапатты көзөмөлдөө жана фармацевтикалык продуктулардын ишенимдүүлүгү үчүн маанилүү. Өтө аз кабыл алуу C витамининин жетишсиздигине жана цинга сыяктуу көйгөйлөргө алып келиши мүмкүн. Ашыкча кабыл алуу болсо айрым шарттарда оксалат менен байланышкан бөйрөк көйгөйлөрү сыяктуу тобокелдер менен байланыштуу болушу мүмкүн. Ошондуктан аскорбин кислотасын аныктоо жөн гана лабораториялык анализ эмес, тамак-аш жана саламаттык тармагындагы практикалык сапат көзөмөл муктаждыгы.

Аскорбин кислотасын аныктоо үчүн хроматография, спектрофотометрия, титрлөө жана ар кандай электрохимиялык ыкмалар колдонулушу мүмкүн. Бул изилдөө өзгөчө электрохимиялык ыкмаларга көңүл бурат. Электрохимиялык сенсорлор максаттуу молекула электрод бетинде кычкылданганда же калыбына келгенде пайда болгон ток сигналын өлчөйт. Мындай ыкмалар тез анализ, салыштырмалуу жөнөкөй үлгү даярдоо, көчмө түзмөктөргө ылайыкташуу жана төмөн чыгым мүмкүнчүлүгү себептүү тамак-аш анализинде кызыгуу жаратууда.

Бирок аскорбин кислотасын электрохимиялык аныктоодо жылаңач электроддор айрым көйгөйлөргө туш болушу мүмкүн. Алардын башында жогорку кычкылдануу потенциалы, жай электрон өткөрүү, төмөн тандалмалуулук, беттин булганышы — электрод fouling жана төмөн сезгичтик турат. Аскорбин кислотасы электрод бетинде кычкылданганда аралык продуктулар же матрица компоненттери бетти пассивдештириши мүмкүн. Ошондуктан электрод бетин наноматериалдар менен модификациялоо көбүрөөк активдүү бет аянтын жана жакшыраак электрон өткөрүүнү камсыз кылып, сенсордун көрсөткүчүн жакшырта алат.

Бул изилдөөнүн негизги маселесин мындай жыйынтыктоого болот: тамак-аш үлгүлөрүндөгү аскорбин кислотасын өтө төмөн концентрацияларда да ишенимдүү аныктоого болобу жана муну жөнөкөй, арзан, тандалма жана кайталануучу электрод бети менен жүргүзүүгө мүмкүнбү?

Изилдөөчүлөр бул суроого Cu кошулган ZnO нанобөлүкчөлөрү аркылуу жооп издешкен. ZnO, башкача айтканда цинк оксиди, химиялык туруктуулугу, жарым өткөргүч түзүлүшү, салыштырмалуу жогорку бет аянты жана беттик активдүү борборлору себептүү сенсорлордо колдонулган металл оксиди. Бирок таза ZnOнун электр өткөрүмдүүлүгү чектелүү болушу мүмкүн. Бул чектөө электрод бетинен аналитке электрон өткөрүүнү жайлатышы мүмкүн. Жез кошуу ушул жерде маанилүү. Cu²⁺ иондору ZnO кристалл торунда Zn²⁺ орундарын жарым-жартылай алмаштыра алат; бул тор кемчиликтерин, кычкылтек боштуктарын жана электрондук түзүлүш өзгөрүүлөрүн жаратышы мүмкүн.

Күнүмдүк салыштыруу менен таза ZnO бетин электрдик жактан жакшы уюшкан, бирок ток өткөрүү мүмкүнчүлүгү чектелген жол катары элестетүүгө болот. Жез кошуу бул жолго жаңы өтмөктөрдү, каптал жолдорду жана өткөрүүнү жеңилдеткен мүмкүнчүлүктөрдү кошот. Ошентип аскорбин кислотасынан келген электрондор электрод бетине жеңилирээк жеткирилиши мүмкүн. Албетте, чыныгы механизм бул салыштыруудан татаалыраак; кристалл тору, кемчилик деңгээлдери, Cu–ZnO электрондук өз ара аракети жана беттик активдүү борборлор биргелешип роль ойнойт.

Изилдөөдө ZnO жана Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрү химиялык биргелешкен чөктүрүү ыкмасы менен синтезделген. Цинк ацетат дигидраты жана жез(II) ацетат моногидраты металл прекурсорлору катары колдонулган. Бул прекурсорлор 25 mL этанол жана 75 mL дистилденген суу ичинде 80°Cде, 500 rpm аралаштыруу ылдамдыгында 2 саат эритилген. Өзүнчө 4 g NaOH 250 mL дистилденген сууда эритилип; бул щелоч эритмеси металл прекурсор аралашмасына тамчылатып кошулуп pH 9 деңгээлине жеткирилген. Реакция 80°Cде 2 саат улантылып, пайда болгон чөкмө 5000 rpmде 10 мүнөт центрифугаланган, ацетон менен жуулган, 60°Cде түнү бою кургатылган жана 400°Cде 2 саат 30 мүнөт кальцинацияланган.

Бул синтез процесси ZnO жана Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрүнүн пайда болушун камсыз кылган. Кальцинация өзгөчө маанилүү, анткени чөккөн гидроксид/прекурсор түзүлүшүнүн оксид фазага айланышын, кристаллдашуунун өнүгүшүн жана органикалык/кошумча калдыктардын жоголушун колдойт. Алынган ак түстөн ачык бозго чейинки порошок Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрүнүн түзүлгөнүнө визуалдык баштапкы белги катары бааланган.

Электрод даярдоодо көмүртек паста электрод, башкача айтканда CPE колдонулган. Жылаңач көмүртек паста электрод графит порошогу менен парафин майын 70:30 салмак катышында аралаштыруу аркылуу даярдалган. 0,7 g графит порошогу жана 0,3 g парафин майы болжол менен 20 мүнөт ступкада аралаштырылып, андан кийин Teflon түтүк электрод кармагычка толтурулуп, арт жагынан жез зым менен электрдик байланыш түзүлгөн. Бет бирдей жана кайталануучу электрод бети болушу үчүн тараза кагазынын үстүндө жылмаланган.

Cu–ZnO/CPE үчүн көмүртек пастасына Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрү кошулган. Модификацияланган паста 0,6 g графит порошогу, 0,1 g Cu–ZnO нанобөлүкчө жана парафин майы менен даярдалган. Ошентип электрод бетине көмүртек гана эмес, аскорбин кислотасынын кычкылдануусун жеңилдетет деп күтүлгөн Cu кошулган ZnO активдүү борборлору да киргизилген. Өлчөөлөрдүн алдында бетти жаңыртуу үчүн пастанын бир аз бөлүгүн алып, кайра жылмалоо сигналдын кайталануучулугу үчүн маанилүү.

Наноматериалдын түзүлүшүн ырастоо үчүн XRD, SEM, XPS жана FTIR анализдери жүргүзүлгөн. XRD жыйынтыктары таза ZnOдо да, Cu–ZnO үлгүсүндө да ZnOнун гексагоналдык wurtzite кристалл түзүлүшү сакталганын көрсөтөт. XRD графигинде ZnO үчүн болжол менен 31,9°, 34,6°, 36,6°, 47,7°, 56,8°, 63,1°, 66,9°, 68,1° жана 69,3° айланасында пиктер байкалган. Cu кошулгандан кийин өзүнчө Cu же жез оксиди фазасына тиешелүү так пиктердин болбошу Cu иондору өзүнчө фаза түзбөстөн ZnO торуна кирген болушу мүмкүн экенин колдойт.

Изилдөөдө кристаллит өлчөмү Scherrer теңдемеси менен эсептелген:

\[ D = \frac{K\lambda}{\beta \cos\theta} \]

Бул жерде \(D\) орточо кристаллит өлчөмүн, \(K\) кристалл формасына байланышкан туруктууну жана изилдөөдө 0,9 деп алынган маанини, \(\lambda\) X-нурунун толкун узундугун, \(\beta\) жарым максимумдагы толук тууралык, башкача айтканда FWHM маанисин, \(\theta\) болсо Bragg бурчун билдирет. Бул формула XRD пиктеринин туурасынан кристалл аймактарынын орточо өлчөмүн баалоо үчүн колдонулат. Пиктер канчалык кең болсо, кристаллит өлчөмү адатта ошончолук кичине.

Изилдөөдө таза ZnO үчүн кристаллит өлчөмү 61,25 nm, Cu–ZnO үчүн 56 nm деп эсептелген. Демек жез кошулгандан кийин кристаллит өлчөмү бир аз азайган. Бул Cu иондору ZnO кристаллынын өсүшүнө таасир этиши мүмкүн экенин көрсөтөт. Ошондой эле Cu–ZnO үлгүсүндө 2θ маанисинин жогорку бурчка кичине жылышы Zn²⁺ иондорунун радиусу болжол менен 0,74 Å, ал эми Cu²⁺ иондорунун радиусу болжол менен 0,73 Å болушу менен байланыштырылган. Кичирээк Cu²⁺ иондорунун ZnO торуна кириши тор параметрлеринде жеңил кысылууну жаратышы мүмкүн.

Bragg мыйзамы изилдөөдө төмөнкүдөй берилген:

\[ n\lambda = 2d\sin\theta \]

Бул жерде \(n\) чагылуу тартибин, \(\lambda\) X-нур толкун узундугун, \(d\) кристалл тегиздиктеринин аралыкты, \(\theta\) Bragg бурчун билдирет. Бул теңдеме XRDде белгилүү бурчтарда көрүнгөн пиктер кристаллдагы тегиздик аралык менен кантип байланышарын түшүндүрөт.

Гексагоналдык тор параметрлери үчүн колдонулган байланыш төмөнкүдөй:

\[ \frac{1}{d^2} = \frac{4}{3}\left[\frac{h^2+hk+k^2}{a^2}\right] + \frac{l^2}{c^2} \]

Бул жерде \(h\), \(k\) жана \(l\) Miller индекстерин, \(a\) жана \(c\) гексагоналдык кристалл тор параметрлерин, \(d\) болсо тегиздиктер аралыкты көрсөтөт. Бул теңдеме ZnOнун кристалл тор өлчөмдөрүндөгү өзгөрүүнү сандык баалоо үчүн колдонулган.

SEM сүрөттөрү Cu кошулмасы морфологияны олуттуу өзгөрткөнүн көрсөтөт. Таза ZnO үлгүсү көбүнчө жарым шар сымал бөлүкчөлөр жана бош агломерациялар түрүндө. Cu–ZnO үлгүсү болсо тыгызыраак топтолгон, тартипсиз пластинка сымал же кабырчык сымал түзүлүштөрдү көрсөтөт. Бул бет кыйла орой, кырлары көп жана түзүлүштүк тартипсиздиги жогору көрүнөт. Электрохимиялык сенсор үчүн бул маанилүү, анткени орой жана тартипсиз беттер көбүрөөк жеткиликтүү активдүү борборлорду камсыз кыла алат.

XPS анализдери Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрүнүн элементтик курамын жана кычкылдануу абалдарын кароо үчүн колдонулган. XPS жалпы сканер спектринде Zn, O жана Cu элементтери көрүнүп, олуттуу кошумча кир пики билдирилген эмес. Cu 2p спектринде болжол менен 933,7 eV жана 953 eV айланасында Cu 2p_3/2 жана Cu 2p_1/2 пиктери, ошондой эле 942 eV айланасында спутник пик байкалган. Бул табылгалар Cu²⁺ түрлөрүнүн бар экенин колдойт. Zn 2p спектринде 1022,6 жана 1045,7 eV айланасындагы пиктер Zn²⁺ абалына туура келет. O 1s спектринин кеңейиши болсо кычкылтек боштуктары жана кемчилик менен байланышкан кычкылтек түрлөрү менен байланыштырылган.

Бул кычкылтек боштуктары сенсордун көрсөткүчү үчүн маанилүү болушу мүмкүн. ZnO ичинде кычкылтектин жетишсиздиги электрон ташуучулардын тыгыздыгын көбөйтө турган кемчилик деңгээлдерин жаратышы мүмкүн. Электрон ташуу жеңилдегенде аскорбин кислотасынын электрод бетиндеги кычкылдануусу тезирээк жүрүшү мүмкүн. Мунун натыйжасында жогору ток сигналы жана төмөн аныктоо чеги алынат.

FTIR анализи Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрүндө функционалдык топторду жана металл-оксиген байланыштарын колдогон. Болжол менен 447 cm^-1 тилкеси Zn–O созулуу термелүүсүнө, болжол менен 715 cm^-1 тилкеси Cu–O термелүүсүнө байланыштырылган. Болжол менен 3473 cm^-1 айланасындагы кең тилке болсо беттик гидроксил топтору жана физикалык адсорбцияланган суу молекулалары менен байланыштырылган. Беттик гидроксил топтору электрохимиялык өлчөөлөрдө беттин нымдалышын күчөтүп, аскорбин кислотасынын бетке жакындашын жеңилдете алат.

Изилдөөнүн электрохимиялык бөлүгүндө алгач жылаңач көмүртек паста электрод менен Cu–ZnO модификацияланган электрод салыштырылган. CV жана DPV жыйынтыктарында модификацияланган электрод жогорку ток жана төмөн кычкылдануу потенциалын көрсөткөн. Бул Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрү аскорбин кислотасынын кычкылдануусу үчүн электрокаталитикалык таасир бергенин көрсөтөт. Жогорку ток көбүрөөк аскорбин кислотасы молекуласы электрод бетинде кычкылданганын; потенциалдын терс багытка жылышы болсо кычкылдануу төмөнүрөөк энергия менен жүргөнүн билдирет.

Колдоочу электролитти тандоо да изилдөөдө системалуу бааланган. Ацетат, цитрат, Robinson жана фосфат буферлери 0,1 M концентрацияда салыштырылган. Эң жогорку жана эң курч аскорбин кислотасынын кычкылдануу чокусу фосфат буферинде алынган. Ошондуктан кийинки тажрыйбаларда фосфат буфери колдонулган. Фосфат буферинин жакшы көрсөткүчү жакшы иондук өткөрүмдүүлүк, ылайыктуу буферлөө жөндөмү жана электрод/электролит интерфейсин туруктуураак кармоо менен түшүндүрүлгөн.

pH оптималдаштырууда 4,0–7,0 аралыгы каралган. Аскорбин кислотасынын кычкылдануу тогу pH 4,0 деңгээлинен 5,5 деңгээлине чейин көбөйүп, эң жогорку маани pH 5,5 деңгээлинде алынган, андан жогорку pH маанилеринде болсо ток азайган. Мунун себеби аскорбин кислотасынын протондолуу абалы, беттик заряд, аскорбат аниондорунун жүрүм-туруму жана электрон-протон өткөрүү тең салмагы. Изилдөөдө pH 5,5 оптималдуу шарт катары тандалган.

pH менен кычкылдануу потенциалынын ортосунда сызыктуу байланыш табылып, ылдыйлоо 59,29 mV pH^-1 деп берилген. Бул маани 25°Cдеги теориялык Nernst ылдыйлоосу болгон болжол менен 59 mV pH^-1 маанисине өтө жакын. Ошондуктан изилдөөчүлөр аскорбин кислотасынын кычкылдануусунда бирдей санда протон жана электрон катышат деген жыйынтыкка келишкен. Изилдөөдө бул процесс эки электрон жана эки протон катышкан кычкылдануу катары бааланып, аскорбин кислотасынан дегидроаскорбин кислотасына өтүү схемасы берилген.

Аскорбин кислотасынын кычкылдануу логикасы төмөнкү негизги байланыш менен берилет:

\[ AA \rightarrow DHA + 2H^+ + 2e^- \]

Бул жерде AA аскорбин кислотасын, DHA дегидроаскорбин кислотасын, H⁺ протондорду, e^- электрондорду билдирет. Бул теңдеме аскорбин кислотасы электрод бетинде электрон берип кычкылданарын көрсөтөт. Сенсор өлчөгөн ток ушул электрон өткөрүүнүн сандык жыйынтыгы.

Сканерлөө ылдамдыгы боюнча изилдөөлөр реакция механизмин түшүнүү үчүн жүргүзүлгөн. CV өлчөөлөрү 50–400 mV s^-1 аралыгында алынган. Сканерлөө ылдамдыгы көбөйгөн сайын аноддук чоку тогу өскөн жана кычкылдануу потенциалы оң багытка жылган. Бул жүрүм-турум электрод реакциясы кайтарылгыс мүнөздө экенин көрсөтөт. Чоку тогунун сканерлөө ылдамдыгына жана сканерлөө ылдамдыгынын квадраттык тамырына болгон байланышы каралган. Log I_p–log v графигинин ылдыйлоосу 0,56 болгон.

Бул маани механизм жагынан маанилүү. Таза диффузия башкарган процесстерде ылдыйлоо теориялык түрдө болжол менен 0,5 күтүлөт. Таза адсорбция башкарган процесстерде болсо ылдыйлоо 1 маанисине жакындайт. Изилдөөдө алынган 0,56 маани аскорбин кислотасынын кычкылдануусунда диффузия да, адсорбция да салым кошорун, бирок диффузиялык салым бир аз үстөм экенин көрсөтөт. Башкача айтканда, аскорбин кислотасынын молекулалары эритмеден электрод бетине ташылып гана тим болбостон, Cu–ZnO бетиндеги активдүү борборлор менен да өз ара аракеттенет.

Сандык аныктоо үчүн DPV ыкмасы колдонулган. DPV фондук токту азайтып, сигнал-ызы-чуу катышын жакшырткандыктан, из деңгээлдеги анализде CVге салыштырмалуу сезгич болушу мүмкүн. Изилдөөдө аскорбин кислотасынын концентрациясы 20 nMден 100 µMге чейин өзгөртүлүп, кычкылдануу чокусунун тогу концентрация менен сызыктуу өскөн. Калибрлөө түз сызыгы төмөнкүдөй берилген:

\[ I_p = 0.07803C + 0.0106 \]

Бул жерде \(I_p\) кычкылдануу чокусунун тогун, \(C\) аскорбин кислотасынын концентрациясын билдирет. Корреляция коэффициенти R² = 0,99816 деп берилген. Бул маани изилдөө шарттарында сенсордун жообу кең концентрация аралыгында жогорку сызыктуу байланышка ээ экенин көрсөтөт.

Аныктоо чеги жана сандык аныктоо чеги төмөнкү формулалар менен эсептелген:

\[ LOD = \frac{3.3 \times \sigma_b}{m} \]

\[ LOQ = \frac{10 \times \sigma_b}{m} \]

Бул жерде LOD аныктоо чегин, LOQ сандык аныктоо чегин, \(\sigma_b\) бош сигналдын стандарттык четтөөсүн, \(m\) болсо калибрлөө түз сызыгынын ылдыйлоосун билдирет. LOD сенсор максаттуу аналитти ишенимдүү айырмалай ала турган эң төмөнкү деңгээлди; LOQ болсо аналитти сандык өлчөй ала турган ишенимдүү төмөнкү чекти билдирет. Изилдөөдө LOD 6 nM, LOQ болсо 18 nM деп табылган.

Бул өтө төмөн аныктоо чеги сенсор из деңгээлдеги аскорбин кислотасын аныктоо үчүн жогорку сезгичтикке ээ экенин көрсөтөт. Бул көрсөткүч Cu кошулмасы ZnOдо жараткан кычкылтек боштуктары, жакшыраак өткөрүмдүүлүк, көбүрөөк активдүү бет жана Cu борборлорунун каталитикалык салымы менен байланыштырылган.

Тандалмалуулук изилдөөсүндө тамак-аш матрицаларында болушу мүмкүн болгон потенциалдуу тоскоолдук кылуучу түрлөрдүн таасири каралган. Тоскоолдук кылуучу түрлөрдүн концентрациясы аскорбин кислотасына салыштырмалуу 4:1 катышында жогору кармалган. Изилдөөдө текшерилген түрлөрдүн арасында глюкоза, фруктоза, L-тирозин, D-глюкоза, кальций хлориди, калий хлориди жана магний хлориди бар. Бардык тоскоолдук кылуучу түрлөр аскорбин кислотасынын сигналында %5 деңгээлинен төмөн өзгөрүүгө алып келген. Бул Cu–ZnO/CPE сенсору тандалмалуулук жагынан күчтүү көрсөткүч бергенин колдойт.

Кайталануучулук, кайра өндүрүлүүчүлүк жана туруктуулук сенсор изилдөөлөрүндө практикалык колдонуу үчүн критикалык көрсөткүчтөр. Бир эле электрод менен жасалган удаалаш DPV өлчөөлөрүндө салыштырмалуу стандарттык четтөө, башкача айтканда RSD %2,89 болгон. Бул төмөн сигнал термелүүсүн жана жакшы кайталануучулукту билдирет. Беш өз алдынча даярдалган электрод менен reproducibility изилдөөсүндө RSD %3,76 деп берилген. Бул да электрод даярдоо протоколу акылга сыярлык туруктуулукта экенин көрсөтөт.

Туруктуулук тажрыйбасында модификацияланган электрод pH 5,5 фосфат буферинде 4°Cде 15 күн сакталган жана аскорбин кислотасына берген жообу байкалган. 15 күндүн аягында сенсор баштапкы ток жообунун %94,98 бөлүгүн сактаган. Бул болгону %5,02 сигнал жоготууну билдирет. Бул жыйынтык Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрү көмүртек паста матрицасында канааттандырарлык туруктуулук берип, электрод бети кыска мөөнөттүү сактоодо негизинен активдүү калганын көрсөтөт.

Реалдуу үлгү анализи изилдөөнүн колдонмо маанисин аныктаган бөлүк. Изилдөөчүлөр коммерциялык мөмө ширесин жана C витамини таблеткаларын талдашкан. Үлгүлөр адегенде Whatman No. 1 фильтр кагазы менен чыпкаланып, кийин 5000 rpmде 5 мүнөт центрифугаланып, тунук үстүңкү фаза алынган. Үлгүлөр pH 5,5 фосфат буфери менен ылайыктуу түрдө суюлтулуп, DPV менен талданган. Матрица таасирин азайтуу үчүн стандарттык кошуу ыкмасы колдонулган.

Мөмө ширеси үлгүсүндө баштапкы аскорбин кислотасы 2,07 µM, кошулган көлөм 10 µM, жалпы табылган көлөм 11,73 µM деп берилген. Мунун негизинде кайтарымдуулук %96,6 болгон. C витамини таблеткасында баштапкы табылган маани 1,53 µM, кошулган көлөм 10 µM, жалпы табылган көлөм 11,05 µM жана кайтарымдуулук %95,2 болгон. Бул жыйынтыктар сенсор татаал реалдуу үлгүлөрдө аскорбин кислотасын канааттандырарлык тактык менен өлчөй алганын көрсөтөт.

Бирок бул табылга этият чечмелениши керек. Изилдөө мөмө ширеси жана C витамини таблеткасы сыяктуу чектелүү үлгү түрлөрүндө гана текшерилген. Ар башка тамак-аштар, өтө түстүү суусундуктар, полифенолу жогору азыктар, өтө канттуу же кычкыл матрицалар, металл иондору бар татаал үлгүлөр жана сактоо мөөнөтү өзгөргөн продуктулар үчүн ушул эле көрсөткүч түздөн-түз колдонулат деп айтууга болбойт. Мындан тышкары бул талаада көчмө түзмөк менен текшерүү эмес, лабораториялык электрохимиялык өлчөө изилдөөсү.

Изилдөөнүн сүрөттөрү жана графиктери чогуу окулганда изилдөөнүн окуясы так көрүнөт. XRD графиги Cu кошулгандан кийин ZnOнун wurtzite түзүлүшү сакталганын жана тор параметрлеринде жеңил кысылуу болгонун көрсөтөт. SEM сүрөттөрү Cu кошулмасы бөлүкчө морфологиясын жарым шар түзүлүштөн тартипсиз пластинка/кабырчык сымал түзүлүшкө өзгөрткөнүн көрсөтөт. XPS графиктери Cu²⁺, Zn²⁺ жана кычкылтек боштуктары менен байланышкан O 1s сигналдарын колдойт. FTIR спектри Zn–O, Cu–O жана беттик –OH топторун көрсөтөт. CV жана DPV графиктери модификацияланган электрод жылаңач электродго караганда күчтүүрөөк сигнал бергенин көрсөтөт. pH графиги оптималдуу pH 5,5 экенин; сканерлөө ылдамдыгы графиктери механизм аралаш диффузия-адсорбция менен башкарыларын; DPV калибрлөө графиги болсо наномолярдык деңгээлде жогорку сызыктуу сезгичтик берилгенин көрсөтөт.

Изилдөөнүн аягындагы схемалык сүрөт жылаңач көмүртек паста электрод менен Cu–ZnO модификацияланган электроддун айырмасын концептуалдык түрдө жыйынтыктайт. Жылаңач CPE бетинде аскорбин кислотасы менен өз ара аракеттенүү алсыз, AA алдын ала топтолушу төмөн жана сезгичтик чектелүү көрсөтүлөт. Cu–ZnO/CPE бетинде болсо графит, ZnO жана Cu кошулган активдүү борборлор аркылуу аскорбин кислотасы менен күчтүү өз ара аракеттенүү, жогорку алдын ала топтолуу жана жогорку сезгичтик көрсөтүлөт. Бул схема изилдөөнүн негизги механизм дооматын визуалдык түрдө колдойт.

Тарыхый жактан бул изилдөө аскорбин кислотасын аныктоодо жылаңач электроддордун чектөөлөрүн жана наноматериалдык модификациялар аркылуу бул чектөөлөрдү жеңүү аракетин чагылдырат. Буга чейин көмүртек нанотүтүк, графен, палладий нанобөлүкчө, гидроксиапатит-ZnO-Pd, металл оксиди жана ар кандай композиттик электроддор колдонулган. Бул изилдөөнүн салымы Cu кошулган ZnO нанобөлүкчөсүн көмүртек паста электрод менен бириктирип, кең сызыктуу аралык жана төмөн аныктоо чеги бар платформаны көрсөтүү.

Бүгүнкү күндө мындай сенсорлор тамак-аш сапатын көзөмөлдөөдө, витамин кошумчаларын текшерүүдө, суусундуктардагы C витамининин көлөмүн көзөмөлдөөдө жана тез анализ талап кылынган лабораториялык колдонмолордо кызыктуу болушу мүмкүн. Айрыкча арзан, даярдоосу жеңил жана сезгичтиги жогору электроддор тез күнүмдүк анализ үчүн потенциалга ээ. Келечекте бул сенсор архитектурасы көчмө электрохимиялык түзмөктөргө, бир жолку сенсор форматтарына же көп аналитти аныктаган платформаларга ылайыкташтырылышы мүмкүн. Бирок бул келечек мүмкүнчүлүгү изилдөөдө түз көрсөтүлгөн коммерциялык түзмөк ийгилиги эмес; кошумча инженерия, валидация жана реалдуу талаа сыноолору талап кылынат.

Изилдөөнүн күчтүү жактарына материалдын көп ыкмалуу мүнөздөмө менен ырасталышы, электрод көрсөткүчүнүн CV жана DPV менен салыштырылышы, pH жана электролит оптималдаштыруу, сканерлөө ылдамдыгы аркылуу механизмди баалоо, төмөн LOD/LOQ көрсөткүчтөрү, тоскоолдук изилдөөсү, кайталануучулук-кайра өндүрүлүүчүлүк-туруктуулук тесттери жана реалдуу үлгүдөгү кайтарымдуулук изилдөөсү кирет.

Чектөөлөр да так көрсөтүлүшү керек. Изилдөө рецензиядан өтпөгөн preprint. Реалдуу үлгүлөрдүн саны чектелүү жана мөмө ширеси менен C витамини таблеткасында гана көрсөтүлгөн. Электрод өндүрүү көмүртек пастасын кол менен даярдоого негизделгендиктен, кең масштабда даярдоо айырмачылыктары көрсөткүчкө таасир этиши мүмкүн. Узак мөөнөттүү туруктуулук болгону 15 күнгө бааланган. Реалдуу тамак-аш матрицаларынын ар түрдүүлүгү, талаа шарттары, түзмөктүн көчмөлүүлүгү, сериялык өндүрүштөгү кайталануучулук жана расмий сапат көзөмөл ыкмалары менен кеңири салыштыруу бул изилдөөдө берилген эмес.

Изилдөө айткан нерсе мындай: Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрү менен модификацияланган көмүртек паста электрод лабораториялык шартта аскорбин кислотасын электрохимиялык аныктоодо жылаңач электродго караганда жогорку ток, төмөн кычкылдануу потенциалы, кең сызыктуу аралык, төмөн аныктоо чеги, жакшы тандалмалуулук жана реалдуу үлгүлөрдө канааттандырарлык кайтарымдуулук көрсөткөн. Изилдөө айтпаган нерсе болсо: бул сенсор ар бир тамак-аш түрүндө, ар бир лаборатория шартында, ар бир колдонуучуда жана коммерциялык масштабда сөзсүз бирдей көрсөткүч берет деген нерсе далилденген эмес. Ошондуктан изилдөө сенсор иштеп чыгууда күчтүү кадам катары бааланышы керек, бирок колдонмо стандартына айланышы үчүн кеңири ырастоо талап кылынат.

Изилдөөнүн методу жана жыйынтыктары

Изилдөөнүн методу Cu кошулган ZnO нанобөлүкчөлөрүн синтездөө, бул нанобөлүкчөлөрдү көмүртек паста электродго кошуу, материал түзүлүшүн бир нече мүнөздөө ыкмасы менен ырастоо жана аскорбин кислотасын аныктоо үчүн электрохимиялык көрсөткүчтү оптималдаштырууга негизделген.

Изилдөөнүн жалпы агымы:

Синтез шарттары:

• Zn булагы: Zn(CH₃COO)₂·2H₂O.
• Cu булагы: Cu(CH₃COO)₂·H₂O.
• Эриткич чөйрө: 25 mL этанол + 75 mL дистилденген суу.
• Аралаштыруу температурасы: 80°C.
• Аралаштыруу ылдамдыгы: 500 rpm.
• Аралаштыруу мөөнөтү: 2 саат.
• Щелоч эритмеси: 4 g NaOH / 250 mL дистилденген суу.
• Максаттуу pH: 9.
• Центрифугалоо: 5000 rpm, 10 мүнөт.
• Кургатуу: 60°C, түнү бою.
• Кальцинация: 400°C, 2 саат 30 мүнөт.

Электрод даярдоо:

XRD жыйынтыктары:

XRD эсептөөлөрүндө колдонулган формулалар:

\[ D = \frac{K\lambda}{\beta \cos\theta} \]

\[ n\lambda = 2d\sin\theta \]

\[ \frac{1}{d^2} = \frac{4}{3}\left[\frac{h^2+hk+k^2}{a^2}\right] + \frac{l^2}{c^2} \]

Бул формулалар тиешелүүлүгүнө жараша кристаллит өлчөмүн, тегиздиктер аралыкты жана гексагоналдык тор параметрлерин аныктоодо колдонулган.

SEM жыйынтыктары:

• Таза ZnO жарым шар сымал бөлүкчөлөрдү жана орточо агломерацияны көрсөткөн.
• Cu–ZnO тартипсиз, пластинка/кабырчык сымал жана тыгызыраак агломерацияланган түзүлүштөрдү көрсөткөн.
• Cu–ZnO бетинин орой жана кырларынын тыгыздыгы жогору экени чечмеленген.
• Бул морфология көбүрөөк электроактивдүү аянт жана жакшыраак интерфейстик заряд өткөрүүнү камсыз кылышы мүмкүн.

XPS жыйынтыктары:

FTIR жыйынтыктары:

Электрохимиялык көрсөткүчтү салыштыруу:

Оптималдуу электрохимиялык шарттар:

• Колдоочу электролит: 0,1 M фосфат буфери.
• Оптималдуу pH: 5,5.
• Аскорбин кислотасынын кычкылдануусу: эки электрон жана эки протон катышкан процесс катары чечмеленген.
• Сканерлөө ылдамдыгынын аралыгы: 50–400 mV s^-1.
• Log I_p–log v ылдыйлоосу: 0,56.
• Механизм: аралаш адсорбция–диффузия башкарган кычкылдануу.

Аскорбин кислотасынын кычкылдануусу:

\[ AA \rightarrow DHA + 2H^+ + 2e^- \]

Бул жерде аскорбин кислотасы электрод бетинде электрон жана протон берип дегидроаскорбин кислотасына айланат. Сенсор өлчөгөн ток ушул электрон өткөрүүнүн аналитикалык сигналы.

DPV калибрлөө жана сезгичтик:

LOD жана LOQ формулалары:

\[ LOD = \frac{3.3 \times \sigma_b}{m} \]

\[ LOQ = \frac{10 \times \sigma_b}{m} \]

Бул формулаларда \(\sigma_b\) бош сигналдын стандарттык четтөөсүн, \(m\) калибрлөө ылдыйлоосун билдирет.

Тандалмалуулук жана тоскоолдук жыйынтыктары:

• Тоскоолдук кылуучу түрлөр аскорбин кислотасына салыштырмалуу 4:1 катышында текшерилген.
• Глюкоза, фруктоза, L-тирозин, D-глюкоза, кальций хлориди, калий хлориди жана магний хлориди сыяктуу түрлөр бааланган.
• Бардык тоскоолдук кылуучу түрлөр аскорбин кислотасынын сигналында %5 деңгээлинен төмөн четтөөгө алып келген.
• Бул жыйынтык сенсордун тамак-аш матрицасында тандалма өлчөө потенциалын колдойт.

Кайталануучулук, кайра өндүрүлүүчүлүк жана туруктуулук:

Реалдуу үлгү анализи:

Сүрөттөрдүн жана графиктердин мааниси:

• XRD графиги, Cu кошулгандан кийин ZnOнун wurtzite фазасы сакталганын, кристаллит өлчөмү 61,25 nmден 56 nmге азайганын жана тор параметрлери бир аз кысылганын көрсөтөт.
• SEM сүрөттөрү, таза ZnO көбүрөөк жарым шар жана бош топтолгон, Cu–ZnO болсо тартипсиз, пластинка сымал жана орой түзүлүшкө ээ экенин көрсөтөт.
• XPS спектрлери, Cu²⁺, Zn²⁺ жана кычкылтек боштуктары менен байланышкан сигналдарды көрсөтүп, Cuнун ZnO системасы менен өз ара аракетин колдойт.
• FTIR спектри, Zn–O, Cu–O жана беттик –OH топторун көрсөтөт.
• CV жана DPV салыштыруу графиктери, Cu–ZnO/CPE жылаңач электродго караганда жогорку аскорбин кислотасынын кычкылдануу тогун берип, потенциалды төмөн мааниге жылдырганын көрсөтөт.
• Электролит тандоо графиги, фосфат буфери башка буферлерге салыштырмалуу так жана жогорку чоку тогу бергенин көрсөтөт.
• pH оптималдаштыруу графиги, эң жогорку ток pH 5,5 деңгээлинде алынганын жана потенциал-pH байланышы эки протон/эки электрон процессин колдогонун көрсөтөт.
• Сканерлөө ылдамдыгы графиктери, аскорбин кислотасынын кычкылдануусу аралаш диффузия-адсорбция башкарганын колдойт.
• DPV калибрлөө графиги, 20 nM–100 µM аралыгында жогорку сызыктуу жоопту көрсөтөт.
• Тоскоолдук графиги, текшерилген тоскоолдук кылуучу түрлөр сигналды %5 деңгээлинен аз өзгөрткөнүн көрсөтөт.
• Кайталануучулук, кайра өндүрүлүүчүлүк жана туруктуулук графиктери, сенсор практикалык колдонууга ылайык туруктуу жооп бергенин колдойт.
• Акыркы схемалык сүрөт, жылаңач көмүртек паста электрод менен Cu–ZnO модификацияланган электроддун айырмасын түшүндүрүп, Cu–ZnO бетинде аскорбин кислотасынын тартылышы жана сезгичтик жогорулаганын көрсөтөт.

Жалпы техникалык жыйынтык: Cu–ZnO нанобөлүкчөлөрү менен модификацияланган көмүртек паста электрод аскорбин кислотасынын кычкылдануусун тездетип, ток сигналын күчөтүп, аныктоо чегин наномолярдык деңгээлге түшүрүп жана мөмө ширеси менен C витамини таблеткасы сыяктуу реалдуу үлгүлөрдө канааттандырарлык кайтарымдуулук берген.

Булак жана метод боюнча эскертүү

Бул макала Genet Nurga, Tesfu Hailu, Tesfaye Eshete, Abi Taddesse Mengesha, Getachew Adam Workneh жана Dejene Ayele Tessema тарабынан даярдалган “Cu-doped ZnO nanoparticle-modified electrode for sensitive electrochemical detection of ascorbic acid in food samples” аттуу изилдөөгө негизделип даярдалган. Изилдөө Cu кошулган ZnO нанобөлүкчөлөрү менен модификацияланган көмүртек паста электродунун аскорбин кислотасын аныктоодогу электрохимиялык көрсөткүчүн карайт.

Булактын түрү SSRN платформасында жеткиликтүү болгон preprint изилдөө макаласы. Текстте ачык түрдө “This preprint research paper has not been peer reviewed” деген билдирүү болгондуктан, изилдөө рецензиядан өтпөгөн. Ошондуктан жыйынтыктар акыркы рецензияланган басылма эмес, лабораториялык сенсор иштеп чыгуу изилдөөсүн сунуш кылган preprint катары бааланышы керек.

Бул мазмун изилдөөдө берилген синтез ыкмасына, электрод даярдоо процедурасына, XRD, SEM, XPS, FTIR, CV, DPV, pH оптималдаштырууга, сканерлөө ылдамдыгынын анализине, калибрлөөгө, LOD/LOQ эсептөөлөрүнө, тоскоолдук тесттерине, кайталануучулукка, кайра өндүрүлүүчүлүккө, туруктуулукка жана реалдуу үлгүдөгү кайтарымдуулук жыйынтыктарына таянып даярдалган. PDFде жок коммерциялык түзмөк ийгилиги, талаада колдонуу кепилдиги, расмий сапат көзөмөл стандарты катары бекитилгени, ар бир тамак-аш матрицасында бирдей көрсөткүч алынары же адам ден соолугуна түз клиникалык таасир көрсөтөрү сыяктуу дооматтар кошулган эмес.

Изилдөөнүн маанилүү чектөөлөрү — рецензиядан өтпөгөнү, реалдуу үлгүлөрдүн саны чектелүү болгону, электрод өндүрүү кол менен көмүртек пастасын даярдоого негизделгени, узак мөөнөттүү туруктуулук болгону 15 күнгө бааланганы жана ар башка тамак-аш матрицаларында кеңири валидация жүргүзүлбөгөнү. Мындан тышкары сенсор лабораториялык шартта текшерилген; көчмө талаа түзмөгүнө айландыруу үчүн кошумча түзмөк интеграциясы, ар башка колдонуучулар боюнча кайталоо сыноолору, узак мөөнөттүү туруктуулук жана кеңири үлгү валидациясы талап кылынат.

Жыйынтыктар Cu кошулган ZnO нанобөлүкчөлөрү аскорбин кислотасы үчүн сезгич электрохимиялык сенсор иштеп чыгууда күчтүү модификатор материал боло аларын көрсөтөт. Бирок бул жыйынтыктар изилдөө шарттары жана колдонулган үлгүлөр менен чектелип окулушу керек; реалдуу колдонмо чечимдери үчүн кеңири, көз карандысыз жана рецензияланган ырастоо изилдөөлөрү менен колдоого алынышы керек.