本文报道了一种纳菲昂（Nafion）包覆、聚苯胺功能化、电化学还原氧化石墨烯化学电阻型微 pH 传感器的制备方案。这种基于化学电阻的固态微 pH 传感器可在乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）发酵过程中实时检测 pH 变化。
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摘要
摘要
本文报道了一种基于聚苯胺功能化的电化学还原氧化石墨烯（ERGO-PA）的固态微pH传感器的构建。电化学还原氧化石墨烯作为导电层，聚苯胺作为pH敏感层。聚苯胺的pH依赖性电导率变化源于质子化过程中空穴的掺杂以及去质子化过程中空穴的脱掺杂。我们发现，ERGO-PA固态电极在发酵过程中无法直接有效工作，因为细菌在发酵过程中产生的电化学活性物质会干扰电极响应。我们成功地在ERGO-PA上应用了Nafion作为质子传导层。涂覆Nafion的电极（ERGO-PA-NA）在化学电阻型传感器测量中表现出良好的灵敏度，为1.71 Ω/pH（pH 4–9）。我们在实时乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）发酵过程中测试了ERGO-PA-NA电极。在L. lactis生长期间，培养基的pH值从7.2变化至4.8，ERGO-PA-NA固态电极的电阻值从294.5 Ω变化至288.6 Ω（每2.4个pH单位变化5.9 Ω）。将ERGO-PA-NA电极的pH响应与传统玻璃基pH电极的响应进行比较，结果表明，无需参比电极的固态微传感器阵列可在微生物发酵过程中成功运行。
引言
pH 在许多化学和生物过程中起着至关重要的作用。即使 pH 值的微小变化也会改变过程，并对实验结果产生不利影响。因此，有必要在实验的每个阶段监测和控制 pH 值。基于玻璃的 pH 电极已成功用于监测多种化学和生物过程中的 pH，但玻璃电极的使用在 pH 测量中存在若干局限性。基于玻璃的 pH 电极相对体积较大、易碎，且可能存在电解质向样品中少量泄漏的情况。此外，在 96 孔筛选发酵系统中，电极及配套电子设备的成本相对较高。而且，电化学传感器具有侵入性，并会消耗样品。因此，使用非侵入式、无需参比电极的传感器更具优势。
如今，微型化反应系统在许多化学工程和生物技术应用中备受青睐，因为这些微系统相较于宏观系统具有增强的过程控制能力以及其他诸多优势。在微型化系统中监测和控制参数是一项具有挑战性的任务，因为用于测量pH和O2等参数的传感器尺寸也必须相应缩小。生物系统用微反应器的成功制备需要多种类型的分析工具以实现过程监控。因此，智能微传感器的开发在微反应器中开展生物过程方面发挥着重要作用。
近年来，已有多种尝试利用化学电阻型传感材料（如碳纳米管和导电聚合物）开发智能pH传感器1。这类化学电阻型传感器无需参比电极，且易于与电子电路集成。成功的化学电阻型传感器使得制造出成本低、易于生产、检测所需样品体积小且具有无创特性的智能传感器成为可能。
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方案
1. 氧化石墨的制备
注意：氧化石墨按照 Hummers 法制备10,11。
- 将3 g石墨加入69 mL浓H2SO4中，搅拌至石墨完全分散。加入1.5 g亚硝酸钠，持续搅拌并静置1小时。随后将容器置于冰浴中。
- 将9 g高锰酸钾加入上述分散液中，然后将容器从冰浴中取出，使溶液升温至室温。
- 首先逐滴加入138 mL蒸馏水，然后继续加入420 mL蒸馏水。使用加热板将温度维持在90 °C，持续15分钟。向分散液中加入7.5 mL 30%过氧化氢溶液。
- 在10,000 × g条件下离心20分钟收集产物，弃去上清液。用温热的重蒸水洗涤沉淀4次，再用10% HCl（v/v）溶液洗涤2次。最后用乙醇洗涤2次，并在50 °C烘箱中干燥。
2. GO 沉积电极的制备
- 将10 mg氧化石墨分散于10 mL水中，然后在超声波水浴中处理6小时。
- 以2,700 × g离心30分钟，去除未剥离的氧化石墨片层。离心后弃去沉淀的固体颗粒，取上清液用于后续实验。
注意：本实验将上述剥离后的氧化石墨分散液作为储备液使用。 - 将....
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结果
在约 -1.0 V 处出现一个明显的还原峰（图3），表明氧化石墨烯（GO）被还原为电化学还原氧化石墨烯（ERGO）12,13,14,22。该峰的强度取决于电极上 GO 层数的多少。一层厚实的黑色薄膜完全覆盖了电极上的金线。此时，由于 GO 连接了两根绝缘的金电极，使得两个电极之间具有导电性。苯胺的电聚合在 ERGO 上沉积形成一层绿色薄膜15,16,17,18,
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讨论
氧化石墨烯（GO）层在沉积后必须完全覆盖金电极导线。如果金电极未被GO覆盖，聚苯胺不仅会沉积在电化学还原氧化石墨烯（ERGO）上，还会直接沉积在暴露的金电极导线上。聚苯胺在金电极导线上的沉积可能会影响电极的性能。在将GO还原为ERGO后，需在100 °C下干燥电极，以增强ERGO层与金电极导线之间的结合力。每个电极的电阻取决于沉积在金电极上的GO层数量。因此，确保每个电极使用相同浓度的GO至关重要，而要制造出电阻处于与测量电路兼容的预设范围内的电极则较为困难。这限制了电极的大规模生产。
通过电化学方法制备还原氧化石墨烯/聚苯胺相较于其他已报道的制备方法具有一些优势。此处介绍的电化学方法无需使用强还原剂和强氧化剂。例如，肼和过硫酸铵）23,26此外，材料可直接沉积在电极上，无需进一步处理，使制备过程更加快速简便。由于氧化石墨烯（GO）在电化学过程中被还原 原位金与石墨烯之间实现了良好的连接，使pH电极更加稳定。
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢格罗宁根大学提供的经费支持。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 石墨薄片 | Sigma Aldrich | ||
| 硫酸 (H2SO4) | Merck | ||
| 亚硝酸钠 (NaNO2) | Sigma Aldrich | ||
| 高锰酸钾 (KMnO4) | Sigma Aldrich | ||
| 30 % H2O2 | Sigma Aldrich | ||
| HCl | Merck | ||
| 苯胺 | Sigma Aldrich | ||
| 5wt % Nafion | Sigma Aldrich | ||
| M17 粉末 | BD Difco | ||
| 磷酸 (H3PO4) | Sigma Aldrich | ||
| 硼酸 (HBO3) | Merck | ||
| 乙酸 | Merck | ||
| 氢氧化钠 | Sigma Aldrich | ||
| 磷酸二氢钾 | Sigma Aldrich | ||
| 磷酸氢二钾 | Sigma Aldrich | ||
| Au 叉指电极 | BVT technology - CC1 W1 | ||
| 电化学工作站 | CH Instruments Inc (CH-600, CH-700) |
参考文献
- Gou, P., et al. Carbon Nanotube Chemiresistor for Wireless pH Sensing. Scientific Reports. 4, 4468(2014).
- Hols, P., et al. Conversion of Lactococcus lactis from homolactic to homoalanine fermentation through metabolic engineer....
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重印与许可
