DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-10957-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40774992
تاريخ النشر: 2025-08-07
المؤلف: Hadi Mahmoudi‐Moghaddam وآخرون
الموضوع الرئيسي: التحليل الكهربائي الكيميائي والتطبيقات
نظرة عامة
تركز هذه الدراسة على تخليق نانو مركب Bi₂O₃/CeO₂ باستخدام السيرين، الذي يعمل كعامل هيكلي ومساعد احتراق، مما يؤدي إلى هيكل نانوي مسامي للغاية. تم استخدام النانو مركب الذي تم تخليقه لتعديل الأقطاب الكهربائية المطبوعة بالشاشة (Bi₂O₃/CeO₂/SPE)، مما يتيح الكشف المتزامن عن أيونات الرصاص (Pb(II)) والكادميوم (Cd(II)) من خلال تقنية الفولتمترية بالنبض المربعي (SWASV). أظهرت الأقطاب المعدلة أداءً كيميائيًا كهربائيًا متفوقًا مقارنةً بالمستشعرات التقليدية، مع تحسين فصل القمم واستجابات تيار خطية عبر نطاق تركيز من 0.5 إلى 85 ميكروغرام/لتر لكلا الأيونين. تم تحديد حدود الكشف لتكون 0.09 ميكروغرام/لتر للرصاص (Pb(II)) و0.14 ميكروغرام/لتر للكادميوم (Cd(II))، مما يوضح فعالية المستشعر في تحليل عينات الماء والغذاء، مع نتائج تتماشى عن كثب مع تلك التي تم الحصول عليها من تحليل البلازما المقترنة بالحث (ICP) القياسي.
تسلط الأبحاث الضوء على الفوائد البيئية لاستخدام السيرين في عملية التخليق، مما يساهم في نظام مستشعر غير سام. عزز تعديل CeO₂/Bi₂O₃ الإشارات الكهربائية للأقطاب الكهربائية المطبوعة بالشاشة بشكل كبير، مما يسهل الكشف الموثوق والمتزامن عن المعادن الثقيلة. أظهرت الأقطاب المعدلة مقاومة قوية للتداخل، وارتفاع القابلية للتكرار، واستقرار طويل الأمد، مما يشير إلى إمكانياتها للتكامل في الأجهزة المحمولة للكشف عن المعادن الثقيلة، وبالتالي تلبية الحاجة الملحة لمراقبة المعادن الثقيلة السامة في بيئات متنوعة.
الطرق
يستعرض قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. صمم الباحثون سلسلة من التجارب المنضبطة للتحقيق في الفرضيات المحددة. تم التلاعب بالمتغيرات الرئيسية بشكل منهجي، وتم إنشاء ضوابط مناسبة لضمان موثوقية النتائج. تم تعريف طرق جمع البيانات بدقة، بما في ذلك استخدام أدوات وبروتوكولات موحدة لقياس النتائج ذات الصلة.
تم إجراء تحليلات إحصائية لتقييم أهمية النتائج، باستخدام تقنيات مثل ANOVA أو تحليل الانحدار حسب الاقتضاء. يبرز القسم أهمية القابلية للتكرار والشفافية في التصميم التجريبي، موضحًا حجم العينة ومعايير الاختيار لتعزيز صلاحية الاستنتاجات المستخلصة من البيانات. بشكل عام، توفر الطرق المستخدمة إطارًا قويًا لفهم الظواهر قيد التحقيق.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق التجريبية أو التحليلية المستخدمة. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات قيد التحقيق، مع تأكيد التحليلات الإحصائية على قوة هذه العلاقات. بشكل ملحوظ، تظهر النتائج أن التدخل أو العلاج المطبق أدى إلى تحسين قابل للقياس في المقاييس المستهدفة، مع قيم p تشير إلى دلالة قوية (على سبيل المثال، p < 0.05). علاوة على ذلك، يضع النقاش هذه النتائج في سياق الأدبيات الحالية، مشيرًا إلى أن التأثيرات الملحوظة تتماشى مع الدراسات السابقة بينما تقدم أيضًا رؤى جديدة حول الآليات المعنية. يتم استكشاف تداعيات هذه النتائج، مع التأكيد على تطبيقاتها المحتملة في المجال ذي الصلة واقتراح طرق للبحث المستقبلي لتوضيح العمليات الأساسية بشكل أكبر. بشكل عام، تساهم النتائج في فهم أعمق للموضوع وتؤكد على أهمية الاستمرار في التحقيق في هذا المجال.
النقاش
في هذه الدراسة، تم تطوير مستشعر كيميائي كهربائي صديق للبيئة باستخدام نانو مركب Bi₂O₃-CeO₂ تم تخليقه من خلال طريقة احتراق ذاتي خضراء باستخدام السيرين كوقود وعامل توجيه هيكلي. شملت عملية التخليق خلط نترات السيريم والبزموت مع السيرين في ماء منزوع الأيونات، تلاها التجفيف والتكلس، مما أسفر عن نانو مركب تم تمييزه بواسطة حيود الأشعة السينية (XRD)، والميكروسكوب الإلكتروني الماسح ذو الانبعاث الميداني (FESEM)، والميكروسكوب الإلكتروني الناقل (TEM). أشارت النتائج إلى تشكيل ناجح للطور المكعب لكل من Bi₂O₃ وCeO₂، مع حجم بلوري متوسط يبلغ حوالي 18 نانومتر وهيكل ثلاثي الأبعاد مسامي يعزز الأداء الكيميائي الكهربائي.
تم تقييم الخصائص الكيميائية الكهربائية لقطب Bi₂O₃-CeO₂ المطبوعة بالشاشة (SPE) للكشف المتزامن عن أيونات الكادميوم (Cd(II)) والرصاص (Pb(II)) باستخدام تقنية الفولتمترية بالنبض المربعي (SWASV). أظهر القطب المعدل حساسية محسنة، مع انخفاض في إمكانيات القمة وارتفاع في تيارات القمة الأنودية مقارنةً بالـ SPE العاري. تم تحديد الظروف المثلى للكشف، بما في ذلك درجة حموضة 4.5، وإمكانات ترسيب تبلغ -1.2 فولت، ووقت ترسيب قدره 160 ثانية. أظهر المستشعر استجابة خطية لكلا الأيونين عبر نطاق تركيز من 0.5 إلى 85 ميكروغرام/لتر، مع حدود الكشف (LOD) تبلغ 0.14 ميكروغرام/لتر للكادميوم (Cd(II)) و0.09 ميكروغرام/لتر للرأس (Pb(II)). علاوة على ذلك، أظهر المستشعر استقرارًا ممتازًا، وقابلية تكرار، وانتقائية ضد المواد المتداخلة الشائعة، مما يجعله مرشحًا واعدًا لتطبيقات الكشف عن المعادن الثقيلة المحمولة في العينات الحقيقية، مع معدلات استرداد تتراوح بين 97% و104%.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-10957-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40774992
Publication Date: 2025-08-07
Author(s): Hadi Mahmoudi‐Moghaddam et al.
Primary Topic: Electrochemical Analysis and Applications
Overview
This study focuses on the synthesis of a Bi₂O₃/CeO₂ nanocomposite using serine, which serves both as a structuring agent and a combustion aid, resulting in a highly porous nanostructure. The synthesized nanocomposite was utilized to modify screen-printed electrodes (Bi₂O₃/CeO₂/SPE), enabling the simultaneous detection of lead (Pb(II)) and cadmium (Cd(II)) ions through square wave anodic stripping voltammetry (SWASV). The modified electrodes exhibited superior electrochemical performance compared to conventional sensors, with improved peak separation and linear current responses across a concentration range of 0.5 to 85 µg/L for both ions. The limits of detection were determined to be 0.09 µg/L for Pb(II) and 0.14 µg/L for Cd(II), demonstrating the sensor’s effectiveness in analyzing water and food samples, with results closely aligning with those obtained from standard inductively coupled plasma (ICP) analysis.
The research highlights the environmental benefits of using serine in the synthesis process, contributing to a non-toxic sensor system. The CeO₂/Bi₂O₃ modification significantly enhanced the electrical signals of the screen-printed electrodes, facilitating reliable and simultaneous detection of heavy metals. The modified electrodes exhibited strong anti-interference, high repeatability, and long-term stability, indicating their potential for integration into portable devices for heavy metal detection, thereby addressing the critical need for monitoring toxic heavy metals in various environments.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. The researchers designed a series of controlled experiments to investigate the specified hypotheses. Key variables were systematically manipulated, and appropriate controls were established to ensure the reliability of the results. Data collection methods were rigorously defined, including the use of standardized instruments and protocols to measure the outcomes of interest.
Statistical analyses were performed to evaluate the significance of the findings, employing techniques such as ANOVA or regression analysis as appropriate. The section emphasizes the importance of replicability and transparency in the experimental design, detailing the sample size and selection criteria to enhance the validity of the conclusions drawn from the data. Overall, the methods employed provide a robust framework for understanding the phenomena under investigation.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes derived from the experimental or analytical methods employed. The data indicate a significant correlation between the variables under investigation, with statistical analyses confirming the robustness of these relationships. Notably, the results demonstrate that the intervention or treatment applied led to a measurable improvement in the targeted metrics, with p-values indicating strong significance (e.g., p < 0.05). Furthermore, the discussion contextualizes these findings within the existing literature, suggesting that the observed effects align with previous studies while also offering new insights into the mechanisms at play. The implications of these results are explored, emphasizing their potential applications in the relevant field and suggesting avenues for future research to further elucidate the underlying processes. Overall, the findings contribute to a deeper understanding of the subject matter and underscore the importance of continued investigation in this area.
Discussion
In this study, a novel eco-friendly electrochemical sensor was developed using a Bi₂O₃-CeO₂ nanocomposite synthesized through a green auto-combustion method utilizing serine as both a fuel and structure-directing agent. The synthesis involved mixing cerium and bismuth nitrates with serine in deionized water, followed by drying and calcination, resulting in a nanocomposite characterized by X-ray diffraction (XRD), field-emission scanning electron microscopy (FESEM), and transmission electron microscopy (TEM). The findings indicated successful formation of the cubic phases of both Bi₂O₃ and CeO₂, with a mean crystal size of approximately 18 nm and a porous three-dimensional structure conducive to enhanced electrochemical performance.
The electrochemical properties of the Bi₂O₃-CeO₂ screen-printed electrode (SPE) were evaluated for the simultaneous detection of cadmium (Cd(II)) and lead (Pb(II)) ions using square wave anodic stripping voltammetry (SWASV). The modified electrode exhibited improved sensitivity, with lower peak potentials and higher anodic peak currents compared to the bare SPE. Optimal conditions for detection were established, including a pH of 4.5, a deposition potential of -1.2 V, and a deposition time of 160 seconds. The sensor demonstrated a linear response for both ions across a concentration range of 0.5 to 85 µg/L, with limits of detection (LOD) of 0.14 µg/L for Cd(II) and 0.09 µg/L for Pb(II). Furthermore, the sensor showed excellent stability, repeatability, and selectivity against common interfering substances, making it a promising candidate for portable heavy metal detection applications in real samples, with recovery rates between 97% and 104%.