该研究展示了一种绿色电化学合成方法，可在不规则且粗糙的丝网印刷碳基底上生长氧化铱-还原氧化石墨烯（IrO2-RGO）纳米杂化薄膜，并将其集成于图案化纸质微流控平台，用作pH传感器。
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方法文章
氧化铱-还原氧化石墨烯纳米杂化薄膜修饰的丝网印刷电极作为一次性电化学纸基微流控pH传感器
* These authors contributed equally
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摘要
摘要
一种简便、可控、低成本且绿色环保的电化学合成 IrO 方法2开发了一种基于石墨烯纳米杂化薄膜的简易集成式纸质微流控电化学pH传感器，适用于资源有限环境。该pH传感平台结合了pH计和pH试纸的优点，由聚二甲基硅氧烷（PDMS）构建的疏水屏障图案化纸质微区（µPAD）和经IrO修饰的丝网印刷电极（SPE）组成2-石墨烯薄膜与模压丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）塑料支架。采用重复阴极电位循环法还原氧化石墨烯（GO），可完全去除电化学不稳定的含氧基团，生成二维无缺陷、均一的石墨烯薄膜，具有优异的稳定性和电子特性。均匀且光滑的IrO2 纳米级晶粒尺寸的薄膜通过阳极电沉积法沉积到石墨烯薄膜上，未观察到任何裂纹。所得的IrO2还原氧化石墨烯（RGO）电极在pH 2–12范围内的Britton-Robinson（B-R）缓冲液中表现出轻微的超能斯特响应，具有良好的线性、较小的滞后、快速响应时间以及在不同缓冲液中的良好重现性，同时对多种干扰离子和溶解氧具有较低的敏感性。研制了一种简易便携式数字pH计，其信号通过万用表测量，采用高输入阻抗运算放大器和商用电池供电。便携式电化学纸基微流控pH传感器测得的pH值与商用玻璃电极实验室pH计测得的结果一致。
引言
pH值的测定在食品、生理、医药和环境研究中广泛应用。pH检测最常用的两种工具是pH试纸和pH计。试纸浸渍有可变色的pH指示剂分子，但其读数有时在pH范围上受限，且具有主观性、半定量性，并可能存在一定偏差。另一方面，传统配备玻璃电极的pH计可将pH值精确测量至0.01水平，并通过数字用户界面显示结果。实验室用pH计不仅需要在维护和校准方面特别注意，而且在处理小体积样品时表现不佳，通常还需要使用烧杯等洁净容器进行测量。尽管玻璃电极具有较高的灵敏度、选择性和稳定性，但仍存在酸/碱误差、高阻抗、温度不稳定性和机械脆弱性1。因此，开发一种兼具pH计的准确性以及pH试纸的简便性和低成本优势的pH测量系统具有重要意义。
在许多发展中国家和地区，由于昂贵的实验室设备或商业实验室难以负担，在资源有限的情况下，此类工具的需求始终未能得到满足。同时，对即时检测（point-of-care detection）的需求也推动了新型易用现场传感平台的发展。电化学检测方法简单、易于微型化，且具有足够的灵敏度，市场上已有的低成本丝网印刷电极（SPEs）和多种血糖监测系统便是例证。纸作为一种轻质、柔韧且可一次性使用的多孔材料，还可具备多种可控特性，例如不同的孔径大小、官能团和毛细流速。
由于纸基底对分析物的扩散和电化学检测几乎无影响2-4，纸流体装置与电分析技术的结合近年来受到广泛关注。此类结合的一个明显优势在于检测过程中所需样品体积极小，从而有可能避免测量时振动和对流带来的干扰。例如，已采用图案化的微流体垫将液体样品通过毛细作用输送至丝网印刷电极（SPE）的传感区域，用于重金属离子和葡萄糖的检测2,5。类似地，基于纸基微流体电化学发光技术的装置已被建立，用于实现NADH的检测4。最近，还可通过在玻璃载片上使用铅笔电极6，或结合酶修饰纸与丝网印刷电极3，构建简单的电化学纸基微流体装置。
采用一种简便高效的电化学方法制备了由IrO2和RGO组成的纳米杂化薄膜材料。我们发现，在不规则且粗糙的丝网印刷电极（SPE）石墨碳表面，若无RGO的辅助，阳极电沉积的IrO2薄膜无法形成光滑且稳定的结构。所制得的IrO2-RGO SPE被集成到一种具有图案化疏水屏障的纸质微流控装置中，用于pH传感。该组装器件在pH检测中表现出优异的分析性能，并呈现轻微的超能斯特响应行为。其检测结果与采用玻璃电极的传统实验室pH计相当。最后，基于该器件在面包板上构建了低成本的微型pH计，利用数字万用表测量其开路电位输出信号。 便携式pH计的测量结果与商用实验室pH计具有良好的相关性。
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方案
1. µPAD 和仪器准备
- 使用直径为1.6 mm的三轴（3D）铣床和铣刀，在ABS或兼容塑料片制成的底部塑料支架上刻出一条500 µm深的凹槽，用于固定固相萃取装置（SPE）。在测试过程中，使用该支架牢固地固定SPE和微流控纸基分析装置（µPAD）（图1A）。
- 使用合成树脂片或兼容塑料片，通过三轴铣床分别加工出具有凸面和凹面图案的印章和真空盖，用于在纸垫上形成疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）阻隔结构。
- 按10:1的比例（或根据制造商建议）配制PDMS预聚物与交联剂的混合物，用刮刀搅拌均匀，并将适量混合物涂布于PDMS印章的凸面上。
- 将印章置于已裁剪至所需尺寸的滤纸垫上方，再将真空盖置于纸垫另一侧、与印章相对的位置。使用手动真空泵抽真空，持续不超过30秒。随后将滤纸垫从印章和真空盖上取下，并置于对流烘箱中，在80 °C下加热10分钟，以固化所图案化的PDMS（图1B）。最终得到的纸垫包含一个约0.2 cm2的检测区域，以及一个1 cm × 0.4 cm的亲水性样品虹吸区域。
注意：需特别注意所用PDMS的量及抽真空时间，以避免PDMS污染滤纸内部的亲水区域，该区域用于液体样品的转移。
2. 使用 IrO2-RGO 纳米杂化薄膜修饰 SPE
- 用移液枪吸取3 μl已配制好的1 mg∙ml-1 GO溶液，滴加到SPE的石墨碳工作电极表面，置于培养皿中室温下自然干燥。将pH 5.0的PBS缓冲液通入N2气体20分钟以除氧，随后将SPE浸入10 ml已脱气的PBS缓冲液中，并持续通入N2，进行100次从0.0 V至-1.5 V的重复阴极电位循环，以电化学还原GO生成RGO。用洗瓶中的去离子水冲洗SPE，并在室温下干燥。
注意：良好剥离的GO片层通过静电排斥作用稳定，由石墨粉经改进的Hummer法合成，具体方法见文献7。所制备RGO薄膜的均匀性至关重要，因其将作为后续IrO2薄膜生长的碳载体。 - 配制100 ml IrO2 沉积溶液：将0.15 g四氯化铱（IrCl4）、0.6 ml 50%（w/w）过氧化氢（H2O2）和0.5 g草酸二水合物加入去离子水中溶解。在搅拌条件下逐滴加入少量无水碳酸钾，直至实验室pH计测定pH达到10.5。此时溶液呈淡黄色。将溶液在室温下陈化48小时，最终颜色变为浅蓝色。
- 将RGO-SPE浸入上述沉积液中，并施加+0.6 V的恒定电位持续5分钟。IrO2薄膜的厚度可通过沉积电位和时间精确控制。
- 通过SEM确认传感区域的结构。按照威斯康星大学麦迪逊分校材料科学中心的操作指南获取SEM图像，方法同前文所述7。
3. 构建廉价且便携的数字pH计
- 通过在面包板上插入两个 LF356N 单运放（OpAmps）串联，或一个 INA111 高速场效应晶体管（FET）输入型仪表放大器（高输入阻抗 > 1012 Ω），构建一款低成本且微型化的带数字显示的 pH 计，以实现足够高的内阻，确保测量稳定。
注意：所有元器件均可从电子商店轻松获取，且易于组装。 - 使用 IrO2-RGO-SPE 作为 pH 探针，运放作为单位增益缓冲器。将两节接地的 9 V 碱性商用电池串联，为 pH 计供电，并根据运放的引脚布局将导线插入面包板。
- 将阴极和阳极分别连接至引脚 7 和 4。同时，将数字万用表的正负探针分别连接至运放的引脚 6 和 5，以测量输出电压并显示读数。SPE 的参比电极和工作电极分别连接至引脚 2 和 3。详细连接方式如 图 1D 所示。
4. pH 测量
- 配制 100 ml B-R 缓冲液，其中含 0.04 M 等摩尔的磷酸、乙酸和硼酸，并分别加入不同体积（5、25、42、60、78 和 98 ml）的 0.2 M 氢氧化钠（NaOH），以获得 pH 范围为 2–12 的缓冲体系用于校准。
- 将图案化的 μPAD 置于传感区域上方，使用移液器直接将 60 µl 液体样品加至 μPAD 的亲水区域，使液体通过毛细作用被吸入。μPAD 在润湿状态下可选择使用或不使用 ABS 外盖固定。
- 当开路电位（OCP）达到稳定状态（电位波动 < 5%）时，使用实验室 CHI 660D 电化学分析仪或便携式数字 pH 计，测量 IrO2-RGO 工作电极与 Ag/AgCl 参比电极之间的电压信号随时间的变化。
- 如需在长期操作中实现更佳的电接触以及稳定、可重复的读数，可通过将纸芯片浸入待测液体样品中，保持传感区域湿润。在每个 pH 值下记录的稳态 OCP 值取平均值，用于构建校准曲线。
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结果
结合纸质微流控的电化学 IrO2-RGO-SPE pH 传感器装置如图 1A所示。带有 PDMS 疏水屏障的图案化纸垫放置在位于 ABS 塑料支架上的 IrO2-RGO-SPE 传感区域表面。纸垫的传感区域与电极表面精确对齐。使用水溶性亚甲蓝染料溶液测试图案化纸垫，如所观察到的，样品通过毛细作用进入亲水区域（图 1B），流体路径由疏水屏障调控。扫描电镜（SEM）图像显示，通过电化学还原技术形成了无缺陷、均匀的二维石墨烯薄膜，同时通过电沉积合成了均匀且光滑、无明显裂纹的 IrO2 薄膜（图 2A 和 C）。所得 IrO2-RGO 电极在 Britton-Robinson（B-R）缓冲液中 pH 2–12 范围内表现出轻微的超能斯特响应，在体相溶液和纸质基底中均具有良好的线性关系（图 3A），滞后宽度小（图 4B），对溶解...
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讨论
设备设置
pH 传感器通过测量工作电极与参比电极之间的开路电位（OCP），因为该电位与 H+ 浓度的负对数成正比。测量既可使用实验室电化学工作站（如 CHI 660D）完成，也可使用在面包板上搭建并以万用表读数的简易 pH 计实现。两种不同的便携式 pH 计均在面包板上搭建，使用两节 9 V 碱性电池、一台数字万用表、自制的 IrO2-RGO-SPE 以及不同的运算放大器（OpAmp），分别为两个串联的 LF356N 或一个 INA111。此类 pH 计的总成本通常低于 25 美元，其中包括单价约 1 美元的一次性 pH 传感器 IrO2-RGO-SPE（未包含化学制备与电化学沉积过程的成本与时间）。图 1C 展示了使用两个 LF356N 或一个 INA111 时的电路图及连接方式。根据 INA111 的连接引脚绘制的完整装置示意图见 图 1D。使用两节 9 V 电池连接至输入引脚 2 和 3，以提供 ±9 V 的双...
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披露
作者无竞争性财务利益。
致谢
本研究工作得到了美国国家科学基金会水设备与政策行业/大学协同研究中心（WEP I/UCRC）资助项目的支持。作者还感谢威斯康星大学麦迪逊分校为J. Y.提供的Hjalmar D. 和Janet W. Bruhn研究生奖学金以及Louis和Elsa Thomsen威斯康星杰出研究生奖学金。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丝网印刷电极 | Zensor | TE100 | 三电极集成 |
| 丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS） | |||
| 聚二甲基硅氧烷（PDMS）预聚物与交联剂混合物 | 道康宁公司 | Sylgard 184 | 质量比10:1混合 |
| Whatman No. 1 滤纸 | GE Healthcare 公司 | ||
| 三维铣削系统 | Roland DGA 公司 | iModela IM-01 | |
| PDMS印章与真空盖 | Roland DGA 公司 | Sanmodur | 合成树脂片剂 |
| 手动真空泵 | Cole-Parmer 公司 | ||
| 电化学工作站 | CH Instruments | CHI 660D | |
| LF356N 运算放大器 | 德州仪器公司 | ||
| INA111 高速场效应晶体管（FET）输入仪表放大器 | Burr-Brown 公司 | ||
| DMM914 数字万用表 | 泰克公司 | 70979101 | |
| 来自 Fisher 或 Sigma： | |||
| 四氯化铱（IrCl4） | |||
| 50%（w/w）过氧化氢（H2O2） | |||
| 草酸二水合物 | |||
| 碳酸钾（K2CO3） | |||
| 磷酸 | |||
| 乙酸 | |||
| 硼酸 | |||
| 氢氧化钠（NaOH） | |||
| Na2HPO4 | |||
| NaH2HPO4 |
参考文献
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