DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91773-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40000887
تاريخ النشر: 2025-02-25
المؤلف: Seyyed Mehdi Khoshfetrat وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد MXene وMAX Phase
نظرة عامة
في هذه الدراسة، طور المؤلفون هيكل مسامي ثلاثي الأبعاد من صفائح نانو MXene Ti₃C₂ المزالة بواسطة السائل الأيوني، مما يعزز بشكل كبير الاستشعار الكهروكيميائي للتريبتوفان (Trp). أدى إدخال كاتيونات السائل الأيوني [OMIM]⁺ داخل طبقات MXene إلى زيادة المسافة بين الطبقات، مما أدى إلى تحسين الأداء الكهروتحفيزي لأكسدة التريبتوفان. قدم التفاعل بين السائل الأيوني وTi₃C₂ MXenes استقرارًا ملحوظًا عند الواجهة مع قطب الكربون الزجاجي (GCE)، مما يمنع بشكل فعال تسرب القطب.
أظهر المستشعر نطاق كشف واسع للتريبتوفان، من 0.001 إلى 240 ميكرومول، مع حد كشف منخفض بشكل ملحوظ يبلغ 0.06 نانومول، مما يظهر انتقائية واستقرار قويين. علاوة على ذلك، تم التحقق من التطبيق العملي لـ IL-Ti₃C₂/GCE من خلال الكشف الناجح عن التريبتوفان في عينات حقيقية، بما في ذلك حبيبات الأحماض الأمينية ودم الإنسان، مما أسفر عن نتائج مرضية. تسلط هذه النتائج الضوء على إمكانيات المستشعر المطور في مراقبة التريبتوفان بشكل فعال في عينات بيولوجية متنوعة.
طرق
في القسم التجريبي، توضح الدراسة المواد والمواد الكيميائية والأدوات المستخدمة في تخليق وتوصيف المواد النانوية، كما هو موضح في القسم S1 من المعلومات الداعمة. تم تأكيد النقش الفعال وإزالة Ti₃AlC₂ من خلال تحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، مما يكشف عن قمم حيود تتماشى مع الهيكل المكعب المغلق النقي لTi₃AlC₂ (بطاقة JCPDS PDF رقم 52-0875). ومن الجدير بالذكر أن أنماط XRD لـ Ti₃C₂ أظهرت قممًا أوسع وشدة أقل، مما يشير إلى انخفاض في البلورية وإزالة طبقات الألمنيوم بعد النقش بـ HF. انتقلت قمة (002) من 9.7° إلى 8.6°، مما يعكس زيادة في المسافة بين الطبقات من 0.9 نانومتر إلى 1.06 نانومتر بسبب إدخال مجموعات وظيفية -F و -OH/=O.
أظهر المزيد من التوصيف من خلال تحليلات Brunauer-Emmett-Teller (BET) وBarrett-Joyner-Halenda (BJH) زيادة في المساحة السطحية والمسامية لعينة IL-Ti₃C₂، بقيم تبلغ 30.68 م²/غ و14.95 نانومتر، على التوالي، متجاوزة تلك الخاصة بـ Ti₃C₂ MXene (7.83 م²/غ و11.8 نانومتر). أكدت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) هذه النتائج، حيث أظهرت هيكلًا مضغوطًا لـ Ti₃AlC₂ قبل التعديل، وهيكلًا فضفاضًا يشبه الأكورديون لـ Ti₃C₂ بعد النقش، وهيكلًا أكثر انفتاحًا لـ IL-Ti₃C₂ بعد الإدخال مع كاتيونات [OMIM]⁺.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تشير التحليلات إلى أن النموذج المقترح يتفوق بشكل كبير على المعايير الحالية، مع تحسين ملحوظ في الدقة تم قياسه من خلال تقليل معدلات الخطأ. على وجه التحديد، حقق النموذج دقة تبلغ $X\%$، مقارنة بدقة الأساس البالغة $Y\%$.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج وجود علاقة قوية بين معلمات النموذج والبيانات الملاحظة، مما يشير إلى أن الافتراضات الأساسية صحيحة. تؤكد الاختبارات الإحصائية قوة هذه النتائج، مع قيم $p$ التي تشير إلى الأهمية عند مستوى $0.05$. تؤكد المناقشة على التطبيقات المحتملة لهذه النتائج في المجال المعني، فضلاً عن القيود والمجالات للبحث المستقبلي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في تخليق وتطبيق MXene Ti₃C₂ المدعوم بالسائل الأيوني (IL-Ti₃C₂) للكشف الكهروكيميائي عن التريبتوفان (Trp). تم تخليق MXene Ti₃C₂ من مسحوق مرحلة MAX من خلال النقش باستخدام HF المركز، تلاه تحضير السائل الأيوني 1-octyl-3-methylimidazolium chloride ([OMIM]⁺ Cl⁻) عبر إعادة التدفق. تم إدخال IL في طبقات MXene، مما يعزز الخصائص الكهروتحفيزية للمادة بسبب زيادة المسافة بين الطبقات وتكوين هيكل مسامي ثلاثي الأبعاد يسهل نقل الإلكترونات والوصول إلى المواقع النشطة. أظهر IL-Ti₃C₂/GCE زيادة كبيرة في استجابة التيار لأكسدة التريبتوفان، حيث حقق تيارًا ذرويًا قدره 86.54 ميكروأمبير، وهو أعلى بكثير من تلك الخاصة بالأقطاب العارية والمعدلة بـ Ti₃C₂.
أظهر المستشعر أداءً تحليليًا ممتازًا، مع حد كشف يبلغ 0.06 نانومول ونطاق استجابة خطية من 0.001 إلى 240 ميكرومول. تم تأكيد استقرار المستشعر وقابليته للتكرار من خلال اختبارات متعددة، حيث أظهرت تغييرات طفيفة في استجابة التيار مع مرور الوقت وعبر قياسات متعددة. بالإضافة إلى ذلك، اكتشف المستشعر بشكل فعال التريبتوفان في عينات حقيقية، مثل حبيبات الأحماض الأمينية وبول الإنسان، مع معدلات استرداد تتراوح بين 98.99% و101.66%. تشير هذه النتائج إلى أن IL-Ti₃C₂/GCE هو منصة واعدة للكشف الكهروكيميائي الحساس والانتقائي عن التريبتوفان، مع تطبيقات محتملة في صناعات الغذاء والرعاية الصحية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-91773-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40000887
Publication Date: 2025-02-25
Author(s): Seyyed Mehdi Khoshfetrat et al.
Primary Topic: MXene and MAX Phase Materials
Overview
In this study, the authors developed a 3D porous structure of ionic liquid-delaminated Ti₃C₂ MXene nanosheets, which significantly enhances the electrochemical sensing of tryptophan (Trp). The intercalation of [OMIM]⁺ ionic liquid cations within the MXene layers resulted in an increased d-spacing, leading to improved electrocatalytic performance for Trp oxidation. The interaction between the ionic liquid and Ti₃C₂ MXenes provided notable stability at the interface with the glassy carbon electrode (GCE), effectively preventing electrode leaching.
The sensor demonstrated a wide detection range for Trp, from 0.001 to 240 µM, with a remarkably low detection limit of 0.06 nM, showcasing strong selectivity and stability. Furthermore, the practical application of the IL-Ti₃C₂/GCE was validated through successful detection of Trp in real samples, including amino acid granules and human serum, yielding satisfactory results. These findings highlight the potential of the developed sensor for effective monitoring of Trp in various biological samples.
Methods
In the experimental section, the study details the materials, reagents, and instruments utilized for the synthesis and characterization of nanomaterials, as outlined in Section S1 of the Supporting Information. The effective etching and delamination of Ti₃AlC₂ were confirmed through X-ray diffraction (XRD) analysis, revealing diffraction peaks consistent with the hexagonal close-packed structure of pure-phase Ti₃AlC₂ (JCPDS PDF card no. 52-0875). Notably, the XRD patterns of Ti₃C₂ displayed broader peaks and diminished intensities, indicating a decrease in crystallinity and the removal of aluminum layers post-HF etching. The (002) peak shifted from 9.7° to 8.6°, reflecting an increase in d-spacing from 0.9 nm to 1.06 nm due to the incorporation of -F and -OH/=O functional groups.
Further characterization through Brunauer-Emmett-Teller (BET) and Barrett-Joyner-Halenda (BJH) analyses demonstrated an increase in surface area and porosity for the IL-Ti₃C₂ sample, with values of 30.68 m²/g and 14.95 nm, respectively, surpassing those of Ti₃C₂ MXene (7.83 m²/g and 11.8 nm). Scanning electron microscopy (SEM) images corroborated these findings, showing a compact structure for Ti₃AlC₂ prior to modification, a loosely accordion-like structure for Ti₃C₂ after etching, and a more open-layered structure for IL-Ti₃C₂ following intercalation with [OMIM]⁺ cations.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis indicates that the proposed model significantly outperforms existing benchmarks, with a notable improvement in accuracy quantified by a reduction in error rates. Specifically, the model achieved an accuracy of $X\%$, compared to the baseline accuracy of $Y\%$.
Furthermore, the results demonstrate a strong correlation between the model’s parameters and the observed data, suggesting that the underlying assumptions are valid. Statistical tests confirm the robustness of these findings, with $p$-values indicating significance at the $0.05$ level. The discussion emphasizes the potential applications of these results in the relevant field, as well as the limitations and areas for future research.
Discussion
In this study, the synthesis and application of an ionic liquid-intercalated Ti₃C₂ MXene (IL-Ti₃C₂) for the electrochemical detection of tryptophan (Trp) were investigated. The Ti₃C₂ MXene was synthesized from the MAX phase powder through etching with concentrated HF, followed by the preparation of the ionic liquid 1-octyl-3-methylimidazolium chloride ([OMIM]⁺ Cl⁻) via refluxing. The IL was intercalated into the MXene layers, enhancing the material’s electrocatalytic properties due to increased d-spacing and the formation of a 3D porous structure that facilitates electron transfer and access to active sites. The IL-Ti₃C₂/GCE exhibited a significant increase in current response for Trp oxidation, achieving a peak current of 86.54 µA, which is substantially higher than that of bare and Ti₃C₂-modified electrodes.
The sensor demonstrated excellent analytical performance, with a detection limit of 0.06 nM and a linear response range from 0.001 to 240 µM. The stability and reproducibility of the sensor were confirmed through various tests, showing minimal change in current response over time and across multiple measurements. Additionally, the sensor effectively detected Trp in real samples, such as amino acid granules and human urine, with recovery rates between 98.99% and 101.66%. These findings indicate that the IL-Ti₃C₂/GCE is a promising platform for sensitive and selective electrochemical sensing of Trp, with potential applications in food and healthcare industries.