Summary
توضح الدراسة نمو الايريديوم-خفض أكسيد أكسيد الجرافين (IRO 2 -RGO) nanohybrid الأغشية الرقيقة على غير النظامية وخشنة الركيزة الكربون الشاشة المطبوعة من خلال توليفة الكهروكيميائية الأخضر، وتنفيذها وجهاز استشعار درجة الحموضة مع منصة ورقة الموائعية نقوش .
Abstract
تم تطوير تجميع الكهروكيميائية سطحي، يمكن السيطرة عليها، وغير مكلفة والأخضر من حديد 2 -graphene nanohybrid الأغشية الرقيقة لصنع ورقة متكاملة ميكروفلويديك استشعار درجة الحموضة الكهروكيميائية سهلة الاستخدام لضبط محدودة الموارد. بالاستفادة من كل متر الرقم الهيدروجيني والشرائط، وتتكون منصة الحموضة الاستشعار من نقوش حاجز مسعور ورقة micropad (μPAD) باستخدام ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان (PDMS)، الشاشة المطبوعة القطب (SPE) تعديل مع IRO 2 -graphene الأفلام ومصبوب الأكريلونيتريل الستايرين (ABS) حامل البلاستيك. كان يعمل المتكررة الدراجات المحتملة الكاثودية ل(GO) للحد من أكسيد الجرافين التي يمكن إزالتها تماما جماعات الاوكسيجين غير مستقرة electrochemically وتوليد خالية من العيوب 2D الجرافين متجانسة رقيقة مع الاستقرار ممتازة وخصائص الإلكترونية. وelectrodeposited وموحدة وسلس IRO 2 فيلم في حجم حبة النانو anodically على الفيلم الجرافين، دون أيالشقوق يمكن ملاحظتها. أظهر الناتج IRO 2 -RGO القطب ردود قليلا فائقة Nernstian من درجة الحموضة 2-12 في المخازن مع الخطي جيدة، التباطؤ صغير، وانخفاض زمن الاستجابة والتكاثر في مخازن مختلفة، فضلا عن الحساسيات منخفضة إلى التدخل مختلفة بريتون-روبنسون (BR) الأنواع الأيونية والأوكسجين المذاب. وملفقة والمحمولة متر الرقم الهيدروجيني الرقمية بسيطة، والتي تقاس المتعدد إشارة، وذلك باستخدام مكبر للصوت التشغيلي عالية المدخلات ومقاومة وبطاريات المستهلك. وكانت القيم الرقم الهيدروجيني قياس مع أجهزة استشعار درجة الحموضة ورقة ميكروفلويديك الكهروكيميائية المحمولة تتماشى مع تلك التي تقاس باستخدام مقياس درجة الحموضة المختبر التجاري مع الزجاج الكهربائي.
Introduction
تحديد درجة الحموضة في كل مكان في المواد الغذائية والفسيولوجية والطبية والدراسات البيئية. اثنين من الأدوات الأكثر شيوعا للكشف عن درجة الحموضة هي شرائح الأس الهيدروجيني ودرجة الحموضة متر. ومشربة شرائح الورق مع الرقم الهيدروجيني جزيئات مؤشر تغيير اللون ولكن القراءة يقتصر أحيانا في نطاقات درجة الحموضة، ذاتية ونصف الكمية مع بعض الانحرافات. من ناحية أخرى، ودرجة الحموضة متر مجهزة تقليديا مع الزجاج الكهربائي يمكن قياس درجة الحموضة بدقة إلى مستوى 0.01، وعرض عن طريق واجهة رقمية للمستخدم. القائم على المختبر درجة الحموضة متر لا تحتاج فقط إلى رعاية خاصة في مجال الصيانة والمعايرة، ولكن أيضا لا تعمل بشكل جيد نحو أحجام عينة صغيرة وغالبا ما تتطلب وعاء نظيف مثل كوب لأداء القياسات. على الرغم من حساسيته والانتقائية والاستقرار، أقطاب الزجاج تعاني من أخطاء حمض / القلوية، ومقاومة عالية، وعدم الاستقرار في درجة الحرارة وهشاشة الميكانيكية 1. لذلك فإنه من المفيد أن يكون هناك نظام قياس درجة الحموضة التي embodالمنشأ دقة متر الرقم الهيدروجيني والبساطة والتكلفة جوانب شرائح الأس الهيدروجيني.
هناك دائما حاجة غير الملباة لهذه الأدوات في ظل ظروف الموارد المحدودة في العديد من المناطق النامية حيث تكلفة المعدات على أساس المختبر أو المختبرات التجارية هي لا يمكن تحملها. أيضا، يتم الضغط على دور متزايد من البرامج سهلة الاستخدام الجديدة في الموقع الاستشعار من قبل مثل هذا الطلب للكشف عن نقطة من الرعاية. كشف الكهروكيميائية هي بسيطة وسهلة لتصغير وحساسة على نحو مرض، كما يتبين من الكيانات الخاصة الغرض منخفضة التكلفة تجاريا ومختلف نظم رصد الجلوكوز في السوق. كما مادة مسامية خفيفة ومرنة والتخلص منها، ويمكن أيضا أن يكون ورقة الخصائص المختلفة يمكن السيطرة عليها، مثل أحجام مختلفة المسام، المجموعات الوظيفية، ومعدلات فتل.
ورقة الركيزة يؤثر بالكاد نشر تحليلها وكشف الكهروكيميائية 2-4، مجموعة من الأجهزة ورقة الموائعية وتقنيات التحليل الكهربائي لديها recentlتلقى ذ مصالح واسعة. ميزة واضحة من هذه المجموعات هي كمية ضئيلة من حجم العينة المستخدمة في القياس الذي يمكن أن يساعد في منع التدخلات من الاهتزاز والحمل الحراري خلال القياسات. على سبيل المثال، تم تطبيقها منصات ميكروفلويديك نمط لالفتيل وتسليم العينات السائلة إلى منطقة الاستشعار من الكيانات الخاصة الغرض للكشف عن ايونات المعادن الثقيلة والجلوكوز 2،5. أنشئت أجهزة مماثلة باستخدام ورقة electrochemiluminescence ميكروفلويديك لإنجاز الكشف NADH 4. وفي الآونة الأخيرة، وأجهزة ميكروفلويديك رقة الكهروكيميائية بسيطة يمكن أن يبنى على شريحة زجاجية مع أقطاب قلم رصاص 6 أو باستخدام ورقة الانزيم والكيانات الخاصة الغرض 3.
وقد تم إعداد nanohybrid مادة رقيقة تتألف من حديد 2 وRGO باستخدام نهج الكهروكيميائية سطحي وكفاءة. وجدنا أن على سطح الكربون SPE غرافيتي غير النظامية وخشنة، لا يمكن electrodeposited anodically IRO 2 رقيقةعلى نحو سلس ومستقر بدون مساعدة من RGO. تم دمج الناتج IRO 2 -RGO SPE في جهاز ميكروفلويديك الورقة التي تمت على نمط الحواجز مسعور للاستشعار درجة الحموضة. أظهر الجهاز تجميعها العروض تحليلية ممتازة في مجال الاستشعار عن درجة الحموضة مع السلوك قليلا فائقة Nernstian. نتائج قابلة للمقارنة مع القائم على المختبر درجة الحموضة متر التقليدية مع أقطاب الزجاج. وأخيرا، تم بناء فعالة من حيث التكلفة متر الرقم الهيدروجيني المنمنمة على اللوح لقياس الدائرة المفتوحة إشارة الناتج المحتمل مع الرقمي المتعدد. قياسات درجة الحموضة متر المحمولة يرتبط بشكل جيد مع تلك التي متر الرقم الهيدروجيني مختبر التجاري.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. μPAD وجهاز تحضير
- نقش أخدود 500 ميكرومتر على حامل البلاستيك السفلي لمنزل SPE مع ABS أو البلاستيك ورقة متوافقة التي ثلاثية الأبعاد (3D) آلة الطحن والطحن بت التي لديها 1.6 مم من القطر. عقد SPE وμPAD ثابتا في مكانه أثناء اختبار مع حامل (الشكل 1A).
- جعل ختم وغطاء فراغ باستخدام الاصطناعية الراتنج لوحي أو ورقة من البلاستيك متوافق مع أنماط محدبة ومقعرة، على التوالي، من قبل آلة طحن 3D، من أجل نمط PDMS مسعور الحواجز على منصات الورق.
- تحضير خليط من PDMS قبل البوليمر ورابط عبر في نسبة 10: 1 أو كما اقترح من قبل الشركة المصنعة، مع مزيج من ملعقة وتطبيق كمية مناسبة على سطح محدب من الطابع PDMS.
- وضع الدمغة على رأس وسادة ورقة مرشح قبل قطع إلى الحجم المطلوب ثم تغطية فراغ على الجانب الآخر من طابع عبر ورقة. تطبيق vacuأم لمدة تصل إلى 30 ثانية قبل اليد التي تديرها مضخة فراغ. إزالة لوحة ورقة من الطوابع وفراغ غطاء، ويخبز في الفرن الحراري لمدة 10 دقيقة في 80 درجة مئوية إلى تصلب PDMS منقوشة (الشكل 1B). لوحة ورقة مما أدى لديها ما يقرب من 0.2 سم المنطقة 2 الاستشعار عن بعد و1 سم × 0.4 سم عينة ماء منطقة فتل.
ملاحظة: خذ التحذيرات الخاصة على كمية من PDMS التطبيقية ووقت الفراغ لتجنب أي تلوث PDMS محتمل في المنطقة المائية الداخلية من ورقة الترشيح حيث يتم نقل العينات السائلة.
2. تعديل الكيانات الخاصة الغرض مع IRO 2 -RGO Nanohybrid الرقيقة
- انخفاض يلقي 3 ميكرولتر من الوقت الذي تستعد فيه-1 ملغ ∙ مل -1 GO حل في القطب الكربون غرافيتي عمل SPE مع micropipette واتركها لتجف في درجة حرارة الغرفة في طبق بيتري. تطهير منطقة عازلة PBS الرقم الهيدروجيني 5.0 مع N 2 لمدة 20 دقيقة، وتراجع SPE في 10 مل deaerated العازلة في برنامج تلفزيوني مع الحفاظ N <فرعية> 2 المتدفقة، وإجراء 100 دورات متكررة الدراجات المحتملة الكاثودية من 0.0 إلى -1.5 V للحد من electrochemically GO إلى RGO. شطف SPE مع الماء DI في زجاجة بخ وجاف في درجة حرارة الغرفة.
ملاحظة: صفائح GO تقشر حسنا، استقرت التنافر الكهربائي، هم من مسحوق الجرافيت باستخدام تعديل طريقة هامر كما ذكرت في مكان آخر (7). تجانس فيلم RGO كما توليفها هو المهم، لأنه بمثابة الدعم الكربون لمزيد من النمو من حديد 2 الأغشية الرقيقة. - جعل 100 مل IRO حل 2 ترسب تتألف من 0.15 غرام رابع كلوريد الايريديوم (IrCl 4)، 0.6 مل 50٪ (ث / ث) بيروكسيد الهيدروجين (H 2 O 2) و 0.5 غرام حمض الأكساليك يذوى عن طريق إضافتها في الماء DI. تدريجيا إضافة كمية صغيرة من كربونات البوتاسيوم اللامائية مع التحريك حتى وصلت درجة الحموضة 10.5، التحقق من الرقم الهيدروجيني متر القائم على المختبر. ثم تحول حل مصفر. الشيخوخة الحل لمدة 48 ساعة في غرفة من درجات الحرارةإعادة، ثم لونه هو في نهاية المطاف تحول أزرق شاحب.
- وضع RGO-SPE في حل ترسب أعلاه وتطبيق إمكانية ثابتة من +0.6 V لمدة 5 دقائق. سمك من حديد 2 الأغشية الرقيقة يمكن أن تسيطر على وجه التحديد من احتمال ترسب والوقت.
- تأكيد هيكل منطقة الاستشعار من قبل وزارة شؤون المرأة. الحصول على صور SEM اتباع الإرشادات في مركز علوم المواد في جامعة ويسكونسن ماديسون، كما فعلنا قبل 7.
3. بناء متر الرقم الهيدروجيني الرقمية غير مكلفة والمحمولة
- بناء متر الرقم الهيدروجيني رخيصة والمنمنمة مع العرض الرقمي عن طريق توصيل في أي سلسلة من اثنين من مكبرات الصوت LF356N واحد التشغيلية (OpAmps) أو أحد INA111 سرعة عالية حقل التأثير الترانزستور (المجالي) المدخلات مكبر للصوت الأجهزة (مقاومة عالية المدخلات> 10 12 Ω) على اللوح لتحقيق مقاومة داخلية عالية بما فيه الكفاية لقياس مستقرة.
ملاحظة: جميع أجزاء بسهولة ميلانcessible من المتاجر الإلكترونية ويمكن تجميعها بسهولة. - استخدام IRO 2 -RGO-SPE كما مسبار درجة الحموضة وOpAmps باعتبارها منطقة عازلة كسب الوحدة. ربط اثنين على الارض 9 بطاريات المستهلك V قلوية في سلسلة لتشغيل متر الرقم الهيدروجيني والمكونات في الأسلاك في اللوح بناء على تخطيط دبوس من OpAmps.
- ربط الكاثود والأنود دبابيس 7 و 4. أيضا توصيل تحقيقات الإيجابية والسلبية للرقمي متعدد دبابيس 6 و 5 من OpAmps على التوالي لقياس الجهد الناتج وعرض قراءات. ترتبط المرجعية وأقطاب العمل من SPE لالسنين 2 و 3 تبعا لذلك. وترد اتصالات مفصلة في الشكل 1D.
4. قياس درجة الحموضة
- إعداد 100 مل مخازن BR مع 0.04 M حمض الفوسفوريك متساوي المولية، وحامض الخليك وحمض البوريك وتخلط مع أحجام مختلفة (5، 25، 42، 60، 78 و 98) من 0.2 M هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم) لتحقيق بالوسط مختلفة من 2- 12 للمعايرة.
- لوكيأكلون نمط μPAD على رأس منطقة الاستشعار عن بعد. جبل 60 ميكرولتر العينات السائلة مباشرة من قبل micropipette في منطقة ماء من μPAD لفتل. وμPAD يمكن أن تعقد في مكان مع أو بدون غطاء ABS، عندما ترطب.
- قياس إشارة الجهد بين IRO 2 -RGO القطب العمل والقطب المرجعية حج / أجكل مع مرور الوقت إما CHI 660D محلل الكهروكيميائية القائم على مختبر أو المحمولة متر الرقم الهيدروجيني الرقمية، عندما إمكانات الدائرة المفتوحة (OCP) تصبح ثابتة (المحتملة الاختلافات <5٪).
- إبقاء المنطقة الاستشعار الرطب بغمر وسادة ورقة في عينات السائل لفحصها، إذا لزم الأمر، لتحقيق الاتصال الكهربائية أفضل وكذلك قراءات مستقرة وقابلة للتكرار في عملية طويلة الأجل. وبلغ متوسط تسجيل القيم OCP ثابتة للدولة في كل قيمة الرقم الهيدروجيني لتحديد منحنى المعايرة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يظهر الإعداد للالكهروكيميائية IRO 2 -RGO-SPE درجة الحموضة استشعار تتضمن ورقة على microfluidics في الشكل 1A. وضعت وسادة ورقة مزخرفة مع الحواجز مسعور PDMS على رأس منطقة الاستشعار من حديد 2--RGO SPE التي تقع على حامل ABS البلاستيك. كان الانحياز منطقة الاستشعار من وسادة ورقة بعناية مع سطح القطب. تم استخدام الميثيلين مائي محلول الصبغة الزرقاء لاختبار وسادة ورقة نمط وكما لوحظ، عينات الفتيل في المناطق المائية (الشكل 1B) مع الطريق فلويديك التي تخضع لرقابة الحواجز مسعور. صور SEM يظهر تشكيل 2D خالية من العيوب الجرافين متجانسة رقيقة بواسطة تقنية تخفيض الكهروكيميائية، وأيضا تركيب موحدة وسلس IRO 2 فيلم دون أي شقوق يمكن ملاحظتها من قبل الكهربي (الشكل 2A و C). أظهر الناتج IRO 2 -RGO القطب سوب قليلاردود إيه-Nernstian من درجة الحموضة 2-12 في بريتون-روبنسون (BR) مخازن مع الخطي جيدة في كل من حل الجزء الأكبر ورقة (الشكل 3A)، بعرض صغيرة التباطؤ (الشكل 4B) والحساسيات منخفضة للأكسجين الذائب (الشكل 3B). وكانت القيم الرقم الهيدروجيني قياس مع أجهزة استشعار درجة الحموضة ورقة ميكروفلويديك الكهروكيميائية المحمولة تتفق مع التجاري متر الرقم الهيدروجيني المختبر باستخدام الزجاج الكهربائي (الشكل 5A).
الشكل 1: (أ) رسم تخطيطي من الإعداد لالكهروكيميائية ورقة ميكروفلويديك درجة الحموضة بعد: (1) IRO 2 -RGO-SPE، (2) وسادة ورقة الموائع الدقيقة لأخذ العينات والكشف، (3) حامل ABS البلاستيك الاسكان SPE. (ب) صورة من لوحة ورقة ميكروفلويديك شرير من محلول الصبغة: (1) المنطقة أخذ العينات المائية لفتل (2) حلمة الثديإيه قناة ميكروفلويديك للتسليم العينة (3) منطقة الاستشعار في الكيانات الخاصة الغرض (4) حواجز مسعور نمط من PDMS (5) المنطقة لعقد الجهاز. (C) جهازين الرقم الهيدروجيني قياس المحمولة مع دوائر مختلفة مبنية على اللوح (تظهر الدوائر مفصلة في معلومات تكميلية): (1) العمل الكهربائي (2) القطب المرجع (3) التحقيق إيجابي (4) التحقيق السلبي المتعدد (5) بطارية الكاثود (6) الأنود (7) بطارية الارض (8) 10 MΩ مكاسب المقاوم (9) 10 MΩ تحميل المقاوم (10) على الارض. (د) الرسوم البيانية اتصال من الكهروكيميائية ورقة فلويديك استشعار درجة الحموضة المحمولة مع بني INA111 وIRO 2 -RGO-SPE. (E) قراءات رقمية نموذجية من إمكانات الدائرة المفتوحة باستخدام الكهروكيميائية جهاز رقة ميكروفلويديك درجة الحموضة المحمولة مع LF365N الدوائر المتكاملة في قيم درجة الحموضة المختلفة. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذاالشكل.
الشكل 2: صور SEM من (A) RGO (ب) IRO 2 و (C) RGO-IRO 2 -modified الكيانات الخاصة الغرض. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (3):. الردود درجة الحموضة من RGO-IRO 2 الكيانات الخاصة الغرض في بالوسط مختلفة (A) في حل الجزء الأكبر من العازلة BR أو باستخدام ورقة الموائع الدقيقة (B) في المخازن BR المشبعة بالهواء أو N 2 (C) في أجهزة عازلة مختلفة يرجى النقر هنا لعرضنسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل (4): (A) منحنيات الوقت المحتمل للRGO-IRO 2 الكيانات الخاصة الغرض في درجة الحموضة 4 و 8 و 10 في المخزن BR. (ب) بعرض التخلفية من RGO-IRO 2 الكيانات الخاصة الغرض في مخازن BR في درجة الحموضة المختلفة مع دورات حلقة من 2-12-2 و12-2-12. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 5: الردود درجة الحموضة من RGO-IRO 2 الكيانات الخاصة الغرض في المخزن BR في بالوسط مختلفة (A) ارتباط مع معيار درجة الحموضة متر التجاري مع الزجاج الكهربائي (B) مقارنة القياسات من قبل ديف مختلفة.الثلوج. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
إعداد جهاز
جهاز استشعار درجة الحموضة يعمل عن طريق قياس OCP بين أقطاب العمل والمرجعية، لأنه يتغير بشكل متناسب مع اللوغاريتم السلبي للتركيز H +. القياسات يمكن أن يتحقق على حد سواء من قبل potentiostat القائم على المختبر مثل CHI 660D وبسيطة متر الرقم الهيدروجيني شيدت على اللوح مع القراءة من متعدد. وقد تم بناء اثنين من مختلف متر الرقم الهيدروجيني المحمولة بالمثل على الألواح باستخدام اثنين من 9 V البطاريات القلوية، وهو متعدد الرقمية، وتوليفها IRO 2 -RGO-SPE وOpAmps مختلفة، وهو اثنان LF356N تسلسلي أو INA111 واحد. التكلفة الكاملة لهذه متر الرقم الهيدروجيني هو عادة أقل من 25 $ بما في ذلك حوالي 1 $ لكل من حديد درجة الحموضة التخلص منها 2 -RGO-الكيانات الخاصة الغرض تكلف (التكلفة والوقت لإجراء التحضيرات الكيميائية وترسبات الكهروكيميائية ليست مدرجة). الشكل 1C يدل على مخططات الدوائر الكهربائية والاتصالات مع اثنين LF356N أو INA111 واحد. التخطيطي لكامليظهر الجهاز وفقا لدبابيس اتصال من INA111 في 1D الشكل. واستخدمت اثنين 9 V البطاريات لإنشاء العرض المزدوج + 9 V لتشغيل الامبير المرجع من خلال ربط إلى دبابيس مدخلات 2 و 3. المقاوم مكاسب 1/4-W 4-الفرقة (R G) من 10 MΩ (5٪ التسامح) متصلا بين السنين 1 و 8، نتج عنها ربح المطلوب (G) وثيق إلى 1، كما يحسب من المعادلة (1). بسبب المقاومة الداخلية منخفضة نسبيا من متعدد، ويرتكز على تحميل المقاوم كبيرة بما فيه الكفاية وربط بين دبابيس قلل 5 و 6، الأمر الذي يزيد من توصيل تحقيقات السلبية والإيجابية من متعدد للقراءات الفوسفاط مستقرة. ونتيجة لذلك، فإن الجهد الناتج التي يمكن حسابها من المعادلة (2) يساوي بالضبط مع فرق الجهد بين IRO 2 -RGO القطب العمل وحج / أجكل القطب إشارة، المقابلة لدرجة الحموضة حل.
حيث G هو زعين من INA111، والخامس من هو الناتج الاستشعار (V)، والخامس + في وV - في لالجهد في غير قلب وعكس المدخلات من OpAmps، على التوالي.
مورفولوجيا السطح
ويبين الشكل 2A المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) صورة مورفولوجية سطح الفيلم RGO متقطعة شكلت مع نسيج التجاعيد نموذجية تتكون من صفائح الغرافين مرنة وسامسونج نشر من خلال سطح القطب الكربون الخام الشاشة المطبوعة. يحدث انخفاض GO في إمكانات أكثر سلبية من -0.65 الخامس وسريع، لا رجعة فيه والسيطرة عليه دون التقليل الكواشف 7. بعد IRO 2 الترسيب، الفيلم RGO الأسود البصر وخصوصا تحولت الأرجواني الداكن، والتي تبين ميزة كهربائيا مميزة من حديد electrodeposited anodically 2. IRO 2 -RGO nanohybrid رقيقة فيلم (الشكل 2C) في ميكرون المدى عشرلوحظ ickness مع البلورة النانوية فرقت متجانس على كامل السطح. الفيلم يبدو أن تكون موحدة وسلس، ودون أي شقوق ملحوظة أو هياكل الطين. وعلاوة على ذلك، والحقائق المثيرة للاهتمام في الدراسة الحالية هو أن IRO 2 الأفلام لا يمكن أن تتشكل على ركائز الكربون غرافيتي الشاشة المطبوعة دون مساعدة من RGO في ظل نفس الظروف (الشكل 2B). كما هو تصور فيلم جيد تشكيل قدرة الجرافين المكون الرئيسي في عملية فيلم ترسب رقيقة. والأوكزالات في حل ترسب يمكن أن تؤدي إلى تشكيل معقد ومنع هطول الأمطار إيريديوم في وسط قلوي. ويتحقق ترسب من قبل أكسدة انوديك من أوكسالاتي عير (IV) مركبات مع CO 2 الافراج ويصاحب ذلك عير (IV) تشكيل أكسيد على سطح القطب الموجب، كما وصفها ياماناكا 8،9
[عير (COO) 2 (OH) 4] 2- ⇔ IRO 2 + 2CO 2 + 2H 2 O + 2E ̵1؛
الرقم الهيدروجيني قياس الأداء
يشار إلى وجود آلية عامة من أكاسيد المعادن في مجال الاستشعار عن درجة الحموضة التي كتبها الضباب وباك لتترافق مع عمليات التبادل الأيوني داخل OH مجموعة الحاملة للسطح 10. تختلف IRO 2 المستندة إلى وجود أقطاب في الطبيعة، نظرا للاختلافات في آليات تأليفهم. واقترح عدد من الآليات المحتملة التي تنطوي تعتمد على درجة الحموضة الأكسدة إقحام التوازن بين دولتين أكسدة أكاسيد عير 11. كما هو الحال بالنسبة لأكاسيد عير توليفها electrochemically، الدولة الغالبة هي شكل رطب 8 التي توفر ردود فائقة Nernstian مع حساسية فائقة من ذلك من أشكال اللامائية في 59 بالسيارات / درجة الحموضة. ويمكن تفسير آلية باستخدام المعادلة التالية 8،9:
2 [IRO 2 (OH) 2 · 2H 2 O)] 2- + 3H + + 2E - ⇔ 2 [IRO2 (OH) 2 · 2H 2 O)] 2- + 3H 2 O
كما هو مبين في الشكل 3A (أسود)، أظهر IRO 2 -RGO الكهربائي سمة خطية واضحة المعالم على نطاق واسع درجة الحموضة 2-12، مع ميل طفيف فائقة Nernstian من -61.71 بالسيارات / درجة الحموضة التي هي أقرب إلى anodically electrodeposited IRO 2 أفلام بردود شبه Nerstian 11،12 بدلا من تلك التي مع السوبر Nernstian 13،14. ربما يحدث ذلك بسبب الظروف الكهربي مختلفة وركائز في كل حالة. ومن الممكن أن مخلوط مائي ورطب IRO 2 فيلم تتشكل على الجرافين خلال الكهربي انوديك. الفرق ضئيل من الأس الهيدروجيني قياس بين منقوشة جهاز رقة ميكروفلويديك (الشكل 3A، أحمر) وحل الجزء الأكبر يشير إلى ورقة السليلوز ليفية مصفوفة لا تعوق انتشار أيونات الهيدروجين إلى أي درجة ملحوظة. تذوبد الأكسجين في الغلاف الجوي موجود بتواجد مطلق في عينات يمكن في بعض الأحيان تؤثر بشكل كبير القراءات المحتملة بسبب عمليات الأكسدة، وخاصة في النظم البيولوجية 12. عندما يتم وضع قطب كهربائي في N 2 - أو حل العازلة المشبعة الهواء، لا يوجد سوى اختلافات بسيطة (الشكل 3B). وفي الوقت نفسه، لأن القوة والتراكيب الأيونية مختلفة اعتمادا على مخازن، تم اختبار عدد من مخازن درجة الحموضة بما في ذلك المخزن الرقم الهيدروجيني التجارية المعايرة، عازلة BR، الفوسفات مخزنة المالحة (PBS) وهيدروكسيد الصوديوم / حمض الهيدروكلوريك المياه DI تعديل (الشكل 3C). الحساسيات (بالسيارات لكل وحدة درجة الحموضة) تكاد تكون متطابقة في جميع المخازن. ومع ذلك، لوحظ والانجراف المحتملين ملموس في العازلة في برنامج تلفزيوني التي لديها مجموعة ودرجة الحموضة أضيق نسبيا. ويمكن أن يعزى ذلك إلى مختلف الإمكانيات معيار الشرطية (E 0 الصورة المدى في توازن نرنست معادلة) من حديد 2 -RGO درجة الحموضة قطب كهربائي في برنامج تلفزيوني.
زمن الاستجابة، وو الرئيسيةالممثل في أي تطبيق الاستشعار، وتعرف عادة بأنها الوقت اللازم يصل إلى نسب معينة من OCP التوازن. زمن الاستجابة النموذجي هو أقل من 250 ثانية تحت كل درجة الحموضة ولكن يمكن أن يكون بقوة 11 التي تعتمد على درجة الحموضة. التباطؤ، أو ما يسمى تأثير الذاكرة، هو ظاهرة معروفة جيدا مع الزجاج وأكسيد معدن الإلكترودات خلال الاستخدامات المتكررة من نفس القطب. وتعتبر هذه الظاهرة من أقطاب أيون الهيدروجين انتقائي نتيجة لردود تأخر لتغير درجة الحموضة. تم اختبار -RGO الرقم الهيدروجيني القطب IRO 2 في مخازن درجة الحموضة من على ارتفاع منخفض، وبالتالي من الأعلى إلى الأقل. وقد تم تقييم هذه الدورات حلقة من درجة الحموضة 2-12-2 و12-2-12 عن طريق قياس تباعا OCP من مخازن درجة الحموضة المختلفة في دورات (الشكل 4B). وتحسب الاعراض التباطؤ إلى حوالي 13 فولت في كل من الدورات، التي تكون مقبولة ودقيقة في قياس درجة الحموضة روتينية، لا سيما فيما يتعلق مجموعة واسعة درجة الحموضة درس هنا.
لمزيد زارة شؤون المحاربين القدامىlidate وIRO 2 -RGO nanohybrid رقيقة استشعار درجة الحموضة، واختبار الأداء بالتوازي مع الزجاج الكهربائي مع معيار درجة الحموضة / بالسيارات / ايون / الموصلية متر (الشكل 5A). نتائج متطابقة تماما بعضها البعض، مما يدل على دقة عالية وأداء موثوق بها للاستشعار درجة الحموضة المتقدمة. لتحقيق حقا في الموقع قياسات درجة الحموضة وشارك فيها الكهروكيميائية جهاز رقة ميكروفلويديك المحمولة، بنيت اثنين بسيطة متر الرقم الهيدروجيني الرقمية مع تكوينات مختلفة قليلا. وكان الرقم الهيدروجيني قياس باستخدام كل متر متسقة للغاية مع محلل الكهروكيميائية القائم على المختبر. تم اختبار استنساخ عدة مرات مع نفس الكهربائي في مختلف مخازن درجة الحموضة BR، وأيضا مع أقطاب مختلفة. وكانت القيم النسبية الانحراف المعياري (RSD) عادة كل <15٪.
وفي الختام، تم تطوير طريقة الكهروكيميائية السريع، ويمكن السيطرة عليها والأخضر لتوليف موحدة ورماد ناعم 2 -RGO nanohybrid رقيقة الأفلام سسطح SPE ن الخام، ويساعده في ذلك تشكيل لفيلم ودعم قدرات جيدة من RGO. القطب الحالة الصلبة الناتجة أظهرت استجابة قليلا فائقة Nernstian مع حساسية عالية من -62 بالسيارات / درجة الحموضة ومع الخطي جيدة في مجموعة واسعة من درجة الحموضة في الفترة من 2 إلى 12. الأقطاب أيضا التباطؤ صغير، وزمن الاستجابة السريعة، واستنساخ ، واتفاقيات جيدة مع الزجاج الكهربائي التجاري مجهزة القائم على المختبر درجة الحموضة متر. كانت ملفقة وسادة ورقة ميكروفلويديك المنمنمة التي كتبها PDMS حاجز مسعور الزخرفة. كانت ملفقة ألف متر الرقم الهيدروجيني بسيط باستخدام اثنين من 9 V البطاريات القلوية، وهو متعدد الرقمية، وOpAmps. قياس النتائج ودرجة الحموضة من أجهزة الاستشعار المترابطة بشكل جيد مع تلك التي تم الحصول عليها باستخدام التقنيات المعتمدة المختبر. وهكذا فإن أجهزة الاستشعار التي تجمع بين مزايا كل متر الرقم الهيدروجيني ودرجة الحموضة شرائط هو منصة واعدة للمستقبل في الموقع أو قياسات درجة الحموضة نقطة من الرعاية، وخصوصا في ظل الوضع الموارد محدودة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.
Acknowledgments
وأيد هذا العمل من خلال منحة من المعدات والسياسة (WEP) مركز البحوث التعاونية NSF الصناعة / جامعة (I / UCRC) المياه. الكتاب أيضا بالشكر إلى هيلمار د. وجانيت جورج BRUHN زمالة ولويس وإلسا تومسن ولاية ويسكونسن المتميزة المقدمة العليا زمالة لJY في UW ماديسون
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Screen-printed electrodes | Zensor | TE100 | 3-electrode integrated |
| Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) | |||
| Polydimethylsiloxane (PDMS) prepolymer and cross linker mixture | Dow-Corning Co. | Sylgard 184 | 10:1 mixture w/w |
| Whatman No. 1 filter paper | GE Healthcare Co. | ||
| 3D milling system | Roland DGA Co. | iModela IM-01 | |
| PDMS stamp and vacuum cover | Roland DGA Co. | Sanmodur | Synthetic resin tablet |
| Hand-operated vacuum pump | Cole-Parmer Co. | ||
| Electrochemical workstation | CH Instruments | CHI 660D | |
| LF356N operational amplifiers | Texas Instruments Inc. | ||
| INA111 high speed field-effect transistor (FET)-input instrumentation amplifier | Burr-Brown Inc. | ||
| DMM914 digital multimeter | Tektronix Inc. | 70979101 | |
| From Fisher or Sigma: | |||
| Iridium tetrachloride (IrCl4) | |||
| 50% (w/w) hydrogen peroxide (H2O2) | |||
| Oxalic acid dihydrate | |||
| Potassium carbonate (K2CO3) | |||
| Phosphoric acid | |||
| Acetic acid | |||
| Boric acid | |||
| Sodium hydroxide (NaOH) | |||
| Na2HPO4 | |||
| NaH2HPO4 |
References
- Greenblatt, M., Shuk, P.
- Nie, Z., Nijhuis, C. A., Gong, J., Chen, X., Kumachev, A., Martinez, A. W., Narovlyansky, M., Whitesides, G. M. Electrochemical sensing in paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 10, 477-483 (2010).
- Yang, J., Nam, Y. G., Lee, S. -K., Kim, C. -S., Koo, Y. -M., Chang, W. -J., Gunasekaran, S. Paper-fluidic electrochemical biosensing platform with enzyme paper and enzymeless electrodes. Sens. Actuators, B. 203, 44-53 (2014).
- Delaney, J. L., Hogan, C. F., Tian, J., Shen, W. Electrogenerated chemiluminescence detection in paper-based microfluidic sensors. Anal. Chem. 83, 1300-1306 (2011).
- Lankelma, J., Nie, Z., Carrilho, E., Whitesides, G. M. Paper-based analytical device for electrochemical flow-injection analysis of glucose in urine. Anal. Chem. 84, 4147-4152 (2012).
- Dossi, N., Toniolo, R., Pizzariello, A., Impellizzieri, F., Piccin, E., Bontempelli, G. Pencil-drawn paper supported electrodes as simple electrochemical detectors for paper-based fluidic devices. Electrophoresis. 34, 2085-2091 (2013).
- Yang, J., Gunasekaran, S. Electrochemically reduced graphene oxide sheets for use in high performance supercapacitors. Carbon. 51, 36-44 (2013).
- Yamanaka, K. Anodically electrodeposited iridium oxide films (AEIROF) from Alkaline Solutions for Electrochromic Display Devices. Jpn. J. Appl. Phys. 28, 632-637 (1989).
- Yamanaka, K. The electrochemical behavior of anodically electrodeposited iridium oxide films and the reliability of transmittance variable cells. Jpn. J. Appl. Phys. 30, 1285-1289 (1991).
- Fog, A., Buck, R. P. Electronic semiconducting oxides as pH sensors. Sens. & Act. 5, 137-146 (1984).
- Bezbaruah, A. N., Zhang, T. C. Fabrication of anodically electrodeposited iridium oxide film pH microelectrodes for microenvironmental studies. Anal. Chem. 74, 5726-5733 (2002).
- Marzouk, S. A. M., Ufer, S., Buck, R. P., Johnson, T. A., Dunlap, L. A., Cascio, W. E. Electrodeposited iridium oxide pH electrode for measurement of extracellular myocardial acidosis during acute ischemia. Anal. Chem. 70, 5054-5061 (1998).
- Prats-Alfonso, E., Abad, L., Casañ-Pastor, N., Gonzalo-Ruiz, J., Baldrich, E. Iridium oxide pH sensor for biomedical applications. Case urea-urease in real urine samples. Biosens. Bioelectron. 39, 163-169 (2013).
- Bitziou, E., O'Hare, D., Patel, B. A. Simultaneous detection of pH changes and histamine release from oxyntic glands in isolated stomach. Anal. Chem. 80, 8733-8740 (2008).
