Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

ייצור מצופים Nafion, מופחתת גראפן תחמוצת/Polyaniline Chemiresistive חיישן על צג ה-pH בזמן אמת במהלך התסיסה מיקרוביאלי

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/58422
Automatic Translation
1, 1
1Products and Processes for Biotechnology, Engineering and Technology Institute Groningen, Faculty of Science and Engineering, University of Groningen

Summary

כאן, אנו מדווחים על הפרוטוקול עבור הזיוף של גראפן מצופים Nafion, polyaniline functionalized, electrochemically מופחת תחמוצת chemiresistive מיקרו pH חיישן. חיישן זה מבוסס על chemiresistor של מצב מוצק מיקרו חומציות יכול לזהות שינויים pH בזמן אמת במהלך תהליך תסיסה lactis הכרוכים .

Abstract

כאן, אנו מדווחים ההנדסה של חיישן ה-pH של מצב מוצק מיקרו בהתבסס על תחמוצת polyaniline functionalized, electrochemically מופחת גרפן (ERGO-PA). גרפן מופחת electrochemically אוקסיד משמש השכבה ניצוח ופועל polyaniline כשכבה pH-רגיש. מוליכות תלויי-pH polyaniline מתרחשת על ידי סימום של חורים במהלך פרוטונציה ועל ידי dedoping חורים במהלך דה-פרוטונציה. מצאנו כי אלקטרודה solid-state ERGO-PA איננה פונקציונלי ככזה בתהליכי תסיסה. המין electrochemically הפעיל החיידקים מייצרים בתהליך ההתססה להתערב עם תגובת אלקטרודה. אנחנו הוחלו בהצלחה Nafion כשכבה מוליכי פרוטון מעל ERGO-אבא האלקטרודות מצופים Nafion (ERGO-הרשות הפלסטינית-נה) מראים רגישות טובה של 1.71 Ω/חומציות (pH 4-9) למדידות חיישן chemiresistive. בדקנו את האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה ב בזמן אמת בהתסיסה של lactis הכרוכים. במהלך הצמיחה של ל' lactis, ה-pH של המדיום השתנתה מ- pH 7.2 pH 4.8 וההתנגדות של האלקטרודה solid-state ERGO-הרשות הפלסטינית-נה משתנה מω 294.5 כדי 288.6 Ω (5.9 Ω ליחידה pH 2.4). התגובה ה-pH של האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה לעומת התגובה של אלקטרודות pH קונבנציונאלי המבוסס על זכוכית מראה כי הפניה-פחות microsensor של מצב מוצק מערכים פועלים בהצלחה תסיסה מיקרוביולוגית.

Introduction

pH ממלא תפקיד חיוני בתהליכים כימיים וביולוגיים רבים. אפילו שינויים קטנים בערך pH לשנות את התהליך, להשפיע לרעה על התוצאה של התהליך. לפיכך, יש צורך לפקח ולשלוט את ערך ה-pH בכל בשלב של ניסויים. האלקטרודה pH המבוסס על זכוכית בהצלחה שימש כדי לפקח pH של תהליכים כימיים וביולוגיים רבים, למרות השימוש אלקטרודת זכוכית מהווה מספר מגבלות על מדידת pH. האלקטרודה pH המבוסס על זכוכית גדולה יחסית, שביר, leakages קטן של האלקטרוליט לתוך הדגימה אפשריים. יתר על כן, אלקטרודה, אלקטרוניקה יקרים יחסית עבור יישומי סינון 96-ובכן מערכות תסיסה. יתר על כן, החיישנים אלקטרוכימי הינם פולשניים, צורכים את הדגימה. . מכאן, זה יותר יתרון לשימוש חיישנים לא פולשנית, הפניה-פחות.

כיום, מערכות התגובה ולמחקר הם העדיף רבים הנדסה כימית, ביוטכנולוגיה יישומים כמו אלה מיקרוסיסטמס לספק בקרת תהליך משופר, יחד עם יתרונות רבים אחרים על מאקרו שלהם מערכת תחליפי. כדי לפקח ולשלוט הפרמטרים במערכת מיניאטורי הוא משימה מאתגרת כמו הגודל של חיישן למדידת, למשל, ה-pH O2, צריך להיות ממוזערת גם כן. ייצור מוצלח של microreactors עבור מערכות ביולוגיות דורשים סוגים שונים של כלי אנליטי לניטור תהליך. לפיכך, התפתחות רחוקים חכמה ממלאת תפקיד משמעותי בביצוע תהליכים ביולוגיים ב- microreactors.

לאחרונה היו מספר נסיונות לפתח חיישנים חכמים pH באמצעות chemiresistive חישה חומרים כמו פחמן ו ניצוח פולימרים1. חיישנים chemiresistive אלה דורשות אלקטרודה אין התייחסות, קל להשתלב עם מעגלים אלקטרוניים. חיישנים chemiresistive מוצלח מאפשרים לייצר חיישנים חכמים הם חסכוני וקל ייצור, דורשים אמצעי אחסון קטן לבדיקה, לא פולשנית.

כאן, אנחנו מדווחים שיטה לפיתוח אלקטרודה עם תחמוצת גראפן polyaniline functionalized, electrochemically מופחת. האלקטרודה chemiresistive פועל חיישן ה-pH במהלך התסיסה lactis ל' . ל' lactis הוא חיידק חומצת חלב-לייצור חומצה המשמשים מזון ואחסון תהליכי שימור מזון. במהלך התסיסה, הייצור של חומצה לקטית מוריד את רמת ה-pH, החיידק מפסיק לגדול ב pH נמוך2,3,4.

מדיום התסיסה מהווה סביבה כימית מורכב המכיל פפטידים, מלחים, מולקולות חמצון-חיזור, אשר נוטים להפריע חיישן משטח5,6,7,8,9. מחקר זה מראה כי יש חיישן ה-pH על בסיס חומר chemiresistive עם שכבת הגנה ראויה משטח יכול לשמש למדידת pH בסוג זה של מדיה תסיסה מורכבים. במחקר זה, בהצלחה נשתמש Nafion כשכבת הגנה על תחמוצת גראפן מצופים polyaniline, electrochemically מופחת כדי למדוד את ה-pH של בזמן אמת במהלך התסיסה lactis ל' .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנת תחמוצת גרפיט

הערה: גרפיט תחמוצת מוכן לפי האמרים שיטת10,11.

  1. הוסף דור 3 של גרפיט לתוך מ 69 ל H מרוכז2כדי4 ומערבבים הפתרון עד הגרפיט יש לחלוטין התפזרו. להוסיף 1.5 גר' נתרן חנקיתי ולהשאיר את זה עבור h 1 תוך כדי ערבוב. אז, במקום המיכל באמבט קרח.
  2. בוזקים 9 גרם של אשלגן פרמנגנט הפיזור המכולה ולהסיר אמבטיית קרח. לאפשר את הפתרון להתחמם לטמפרטורת החדר.
  3. ראשית, להוסיף 138 מ ל מים מזוקקים dropwise. לאחר מכן, ממשיכים להוסיף 420 מ ל מים מזוקקים. לשמור על הטמפרטורה ב 90 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות באמצעות פלטה. להוסיף 7.5 mL של 30% מימן על-חמצני הפיזור.
  4. לאסוף את המוצר על ידי צנטריפוגה ב g x 10,000 כעשרים דקות ולמחוק את הפתרון supernatant. לשטוף את צניפה 4 x עם מים חמים מזוקק פעמיים, 2 x עם פתרון HCl (v/v) 10%. לבסוף, לשטוף אותה 2 x עם אתנול יבש זה ב 50 מעלות צלזיוס בתנור.

2. ללכת להפקיד אלקטרודה הכנה

  1. לפזר 10 מ ג של תחמוצת גרפיט 10 מ ל מים, ואז sonicate אותו באמבט אולטראסוני במשך 6 שעות.
  2. להסיר פתיתי תחמוצת unexfoliated גרפיט על-ידי צנטריפוגה למשך 30 דקות-2,700 g x. להשליך את חלקיקי מוצק לאחר צנטריפוגה ולהשתמש את תגובת שיקוע לניסויים נוספים.
    הערה: השתמשנו פיזור פתיתי exfoliated הזה ללכת כפתרון מניות.
  3. לדלל הפתרון מניות ללכת כפולה. תמיד הכינו הפתרון עובד ללכת טריים מהפתרון מניות.
  4. להוסיף 2 µL של הפתרון עובד ללכת על גבי החשוף interdigitated זהב אלקטרודה (איור 1A ואיור 2). לאחר ירידה יציקה, יבש האלקטרודה בטמפרטורת החדר במשך 12 שעות. זהו האלקטרודה שהופקדו קדימה.

3. הוזלת ללכת Electrochemically מופחת תחמוצת גרפן

  1. הכנס האלקטרודה המחזיק אלקטרודה polydimethylsiloxane (PDMS) (החלק התחתון). מניחים את החלק השני של בעל אלקטרודה, המשמש מאגר פתרון, על גבי האלקטרודה כמוצג כמו איור 1A - 1 C. להרכיב את בעלי על ידי חיתוך שני החלקים יחד באמצעות מהדקים שני. ודא כי המחזיק PDMS אינו מכסה החלק אלקטרודה שהופקדו קדימה.
  2. Pipet 300 µL מאגר פוספט 0.2 מ' (pH 7) בתוך המאגר. ואז, למקם את ההפניה, האלקטרודה מונה הפתרון כך האלקטרודות ממוקמות קרוב לפני השטח של הסרט קדימה, כפי שמוצג באיור 1C. זה משמש תא אלקטרוכימי לבצע הפחתת אלקטרוכימי של קדימה, להפקדה polyaniline.
  3. התחבר האלקטרודות potentiostat מחובר למחשב עבור רכישת נתונים. השתמש וולטמטריה להקטנת אלקטרוכימיות: בחר 0 ל- 1.2 V מגוון אפשריות ו- mV 50/s כמו קצב הסריקה. מחזור את המתח על פני האלקטרודה בין 0 ל- 1.2 V 10 x (איור 3).
  4. לאחר הניסוי, להסיר את האלקטרודה ממחזיק, שוב ושוב לשטוף אותה במים מזוקק פעמיים. לאחר מכן, יבש האלקטרודה בתנור ב 101 מעלות צלזיוס במשך 12 שעות.
  5. כאשר האלקטרודה יבש, להסיר את האלקטרודה מהתנור ולאפשר לו להתקרר לטמפרטורת החדר. לאחר מכן, למדוד את מוליכות האלקטרודה עם multimeter. האלקטרודה מכונה עכשיו אלקטרודה אוקסיד (ERGO) גראפן electrochemically מופחת.

4. Polyaniline Functionalization של חברת ארגו אלקטרודה

  1. היכונו מונומר אנילין 10 מ מ functionalization polyaniline. להמיס µL 5 של אנילין 10 מ מ ב 5 מ של 1 מ' H2אז4.
  2. עבור functionalization polyaniline, להוסיף µL 300 של מונומר אנילין המאגר פתרון. מניחים האלקטרודה שהופקדו ERGO המחזיק אלקטרודה כפי שמתואר בהליך להפחתת קדימה.
  3. להשתמש וולטמטריה electropolymerization של אנילין כדי functionalize ארגו לתוך ערגה-polyaniline (ERGO-PA): בחר 0 כדי 0.9 V מגוון אפשריות ו- mV 50/s כמו קצב הסריקה. מחזור את המתח על פני האלקטרודה בין 0 ל 0.9 V 50 x (איור 4).
  4. אחרי העדות polyaniline, להסיר את האלקטרודה, שוב ושוב לשטוף אותה במים מזוקק פעמיים. לאחר מכן, יבש האלקטרודה ב 80 מעלות צלזיוס בתנור במשך 12 שעות.
  5. להסיר את האלקטרודה מהתנור ולאפשר לו להתקרר לטמפרטורת החדר לפני מדידה את מוליכות האלקטרודה עם multimeter.
  6. להכין פתרון מאגר pH 5 על-ידי הוספת 0.2 M NaOH הפתרון מאגר בריטון-רובינסון עד pH 5 (ראה שלב 5.1). לשמור על האלקטרודה במאגר ב- pH 5 במשך 24 שעות ביממה.
    1. כדי להכין פתרון אוניברסלי מאגר בריטון-רובינסון, מערבבים 0.04 מול של חומצה זרחתית 0.04 מול של חומצה אצטית, 0.04 מול של חומצה בורית ב- 0.8 לליטר מים הנדסה גנטית. להוסיף 0.2 מ' סודיום הידרוקסיד dropwise בופר עד ה-pH הרצוי4. להוסיף מים הנדסה גנטית עד שאמצעי האחסון הסופי 1 ל'

5. ERGO-PA אלקטרודה בדיקות ב- pH שונים (כיול מראש לפני ציפוי Nafion)

  1. לאחר מיזוג האלקטרודה בפתרון מאגר pH 5, למדוד את ההתנגדות של האלקטרודה בפתרונות של pH שונים (מ- pH 4 ל pH 9; ראה איור 5).
    1. על מדידה זו, לטבול האלקטרודה ישירות בופר וחבר החלק השני של האלקטרודה potentiostat מבוקר-מחשב עבור רכישת נתונים. לשנות את ה-pH באמצעות titrating עם 0.2 M NaOH.
    2. בחר chronopotentiometry או amperometry curve i-t מהרשימה של טכניקות ולהחיל mV 100 הפרש הפוטנציאלים אל האלקטרודה.
      הערה: potentiostat מודד הנוכחי נגד הזמן. תוכנת השליטה של potentiostat מספק ייצוג גרפי של הזרם נגד הזמן.
    3. השתמש חוק אוהם (התנגדות שווה מתח מחולק הנוכחי) כדי לחשב את ערך התנגדות מן המתח הנוכחי ויישם נמדד.
  2. אחרי המדידות, יבש האלקטרודה בטמפרטורת החדר במשך 12 שעות.

6. הכנת האלקטרודה מצופים Nafion ארגו-הרשות הפלסטינית

  1. להוסיף 5 µL של 5% wt Nafion על גבי האלקטרודה ERGO-PA ויבש האלקטרודה בטמפרטורת החדר במשך 12 שעות.
  2. לאחר הציפוי Nafion, לשמור האלקטרודה בופר ב- pH 5 עבור 24 שעות לפני מדידות pH.
  3. לאחר מיזוג ב- pH 5, להסיר את האלקטרודה מצופים Nafion ERGO-PA (ERGO-הרשות הפלסטינית-נה) ולמדוד את התנגדותם של האלקטרודה מ- pH 4 ל pH 9 כאמור בסעיף 5.1 (איור 6).

7. הכנת ל' lactis תרבות בינוני

  1. להוסיף 9.3 גר' אבקה M17 לתוך 250 מ של מים הנדסה גנטית. לאט לאט להתסיס את הפתרון עד האבקה מתמוסס לחלוטין. אוטוקלב הפתרון ב 121 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.
  2. לוקחים בקבוקון סטיריליים 250-mL עם בר פגים ולהוסיף 50 מ של המדיום M17 סטיריליים הבקבוקון. לאחר מכן, להוסיף 8 מ של תמיסת גלוקוז 1 מ' בלוק. לחסן את הפתרון עם 10 µL של תרבות lactis ל' , גדל בעבר המדיום באותה תרבות.
    הערה: המתח חיידקי היה המתקבלים יאן קוק, גנטיקה מולקולרית, האוניברסיטה של חרונינגן.
  3. מניחים את הבקבוק עם אמצעי התרבות חוסנו עבור 18 h על צלחת פגים בתנור הדגירה ב 30 מעלות צלזיוס תוך כדי ערבוב ונטר את ה-pH.

8. בדיקה של ה-pH ERGO-הרשות הפלסטינית-נה התגובה בניסוי תסיסה lactis ל'

  1. למקם את האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה התרבות ל' lactis וסגור אותה עם תקע כותנה. לאחר מכן, למקם את הסידור התרמוסטט ב 30 מעלות צלזיוס לגדול lactis ל'.
  2. החלת 100 mV אלקטרודה, המידה הנוכחית נגד הזמן.
  3. דגימות 0.5-mL בנקודות זמן שונות (ראה, למשל, איור 7) כדי למדוד במצב לא מקוון הצפיפות האופטית-600 nm ו ה-pH עם אלקטרודת זכוכית המקובלת. המשך את המידות עד הצפיפות האופטית של התרבות הופך להיות קבועה, המציין כי החיידק לא גדלים יותר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

המראה של ירידה חזקה לשיא בסביבות-1.0 V (איור 3) מאויר ההפחתה של קדימה כדי ERGO12,13,14,22. האינטנסיביות של הפסגה תלויה במספר שכבות ללכת על האלקטרודה. סרט שחור עבה מכוסה לגמרי את חוטי זהב על האלקטרודה. בשלב זה, שתי אלקטרודות זהב מבודד היו ספוגים כי ללכת לחבר את שני חוטי זהב אלקטרודה. Electropolymerization של אנילין שהופקדו סרט ירוק על ה ERGO15,16,17,18,19,20,21, 22. זה צבע ירוק הוא מעיד על היווצרות שכבה polyaniline מוליך על ERGO. מוליכות האלקטרודה ERGO (התנגדות ירידה) גדל לאחר functionalization polyaniline.

כאשר הכנסנו האלקטרודה ERGO-PA פתרון עם pH בין 4 ו- 9, הערך הנוכחי גדל (איור 5) עקב שימוש בסמים בספורט dedoping חורים במהלך תהליך פרוטונציה/דה-פרוטונציה ERGO-PA (איור 2)22. ערך ה-pH הרצוי עבור המדד של הערך הנוכחי של האלקטרודה ERGO-PA הושג על-ידי titrating בריטון-רובינסון בופר עם 0.2 M NaOH. לפיכך, כל תוספת של 0.2 מ' NaOH, הערך הנוכחי של האלקטרודה מוגברת (איור 5 , איור 6). התגובה של האלקטרודה היה יציב באופן מיידי, כאשר התוספת של 0.2 מ' NaOH עצר ב- pH מסוים.

בשכבה דקיקה של פרוטון-מוליך Nafion נוצרו לאחר הממס התאדו בטמפרטורת החדר. מוליכות האלקטרודה לא היה מושפע הרבה, אבל כמה אוהם של הבדלי הערך ההתנגדות אירעה ושינתה את הערך הנוכחי הבסיס של האלקטרודה ERGO-PA. דומה האלקטרודה ERGO-PA, ההתנגדות של האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה השתנה כאשר ה-pH של התמיסה המאגר משתנה מ- 4 עד 9, כפי שמוצג באיור 6-18.

לאחר הצבת האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה בתוך התרבות lactis ל' , הזרם בתחילה ירד, ואז לקח קצת זמן להגיע ערך יציב. פעם אחת, את הצמיחה של ל' lactis התחיל הנוכחי של ERGO-הרשות הפלסטינית-NA ירד בהדרגה. הירידה הנוכחית מואץ במהלך שלב הצמיחה המעריכית של ל' lactis והגיעה ערך יציב בסוף שנת צמיחה (איור 7)18. הערך הסופי של הזרם (או התנגדות) היא להשוות הערך הנוכחי של האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה במקצועות בופר (pH 4-7), כפי שמוצג על שיבוץ של איור 7.

Figure 1
איור 1: תמונות של החלק התחתון (משמאל), החלק העליון (מימין) של בעל אלקטרודה PDMS. (א) התא התאספו עם הפניה (ב) ו- (ג) מונה אלקטרודה. (ד) אלקטרודה זהב interdigitated עם סרגל קנה מידה בסנטימטרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: סכימטי של ERGO-הרשות הפלסטינית-להפקיד את interdigitated אלקטרודה זהב עם ייצוג גרפי של ERGO ויצירת הרשות. התמונה מציגה גם חור לסם שהתמסטלת ERGO-PA במהלך פרוטונציה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: וולטמטריה ציקלית של הפחתת ללכת עם ריכוזים שונים ללכת בקצב הסריקה של mV 50/ס אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: וולטמטריה ציקלית של התצהיר polyaniline בקצב הסריקה של mV 50/ס הסריקות הראשון 10 מתוך 50 מוצגים. החץ האנכי מסמן מגמת העלייה הנוכחית במהלך הסריקות, החיצים אופקי לסמן את הכיוון של הסריקה מתח. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: ערך התנגדות האלקטרודה ERGO-PA נגד חומציות 4-9- אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: ערך התנגדות האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה נגד חומציות 4-9- אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7: שינוי pH רציפה בזמן אמת של ERGO-הרשות הפלסטינית-נה במהלך התסיסה ל' lactis . שיבוץ הצגת הערך ההתנגדות הצפויה של ERGO-הרשות הפלסטינית-נה עבור pH שנמדד בבריטון-רובינסון בופר 4-7. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

זה חיוני כי הדרך שכבות לגמרי לכסות את החוטים אלקטרודה זהב אחרי העדות של קדימה. אם האלקטרודות זהב שאינם מכוסים ללכת, polyaniline תוכלו לא רק להפקיד ERGO אלא גם את החוטים אלקטרודה זהב גלוי ישירות. בתצהיר של polyaniline עם החוטים אלקטרודה זהב ועלולות להיות לה השלכות על הביצועים של האלקטרודה. לאחר ההפחתה של ללכת ERGO, האלקטרודה הוא מיובש ב 100 ° C לחיזוק לקשר בין השכבה ERGO החוטים אלקטרודה זהב. התנגדותם של כל אלקטרודה משתנה בהתאם מספר שכבות ללכת מופקדים על האלקטרודות זהב. לכן, חשוב יש ריכוז זהה של קדימה עבור כל אלקטרודה, וזה קשה לייצר האלקטרודה עם התנגדות בטווח שצוין מראש התואמת המעגל מדידה. זה מגביל את הייצור ההמוני קל של האלקטרודות.

הכנת גרפן מופחתת תחמוצת/polyaniline על ידי שיטה אלקטרוכימי יש כמה יתרונות על פני שיטות אחרות הכנה המדווחת. השיטה אלקטרוכימי המוצג כאן אינו דורש צמצום וחזק מחמצן סוכנים (למשל., persulfate הידרזין, אמוניום)23,26. בנוסף, החומר מועבר ישירות על האלקטרודה, עיבוד נוסף לא נדרשת, שהופך את תהליך ייצור למהיר וקל יותר. כמו ללכת electrochemically מופחת ב באתרו, חיבור טוב בין הזהב הגרפן מושגת, מה שהופך את אלקטרודת pH עמידים יותר.

Equilibrating האלקטרודה ERGO-PA במאגר עם pH בין 3 ו- 9 לפני החלת את Nafion שיפור הרגישות של האלקטרודה (נתונים לא מוצג). השמטת שלב זה מחייב של השריה של האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה ב- pH מאגר 5 עבור יותר מ 24 שעות לפני השימוש.

יתר על כן, האלקטרודה ERGO-PA חייב להיות יבש לפני החלת Nafion. אלקטרודה רטובה ERGO-PA, גרמו שכבה מימית בין ERGO-PA Nafion והגדילה את זמן התגובה של החיישן pH. ההתנגדות או זרם שנמדד ERGO-הרשות הפלסטינית-נה בפתרונות עם pH שונים מגוונים בין האלקטרודות. וריאציה זו התנגדות או הנוכחית עבור כל אלקטרודה, סביר להניח, נגרמת על ידי ההבדל במספר שכבות ללכת שהופקדו על החוטים אלקטרודה זהב. בדיוק כמו עם אלקטרודות pH אחרים, כיול נכון של האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה יש צורך להשיג ערכי pH אמין.

לאחר הצבת האלקטרודה בתוך התרבות lactis ל' , שעה ייצוב ראשוני יש צורך לקבל זרם קבוע. התסיסה lactis ל' , ה-pH ההתחלתית היא 7.2. במהלך גדילת lactis ל', גלוקוזה מומרת ביומסה וכן חומצה לקטית acidifies הנוזל תסיסה. הצמיחה עוצר כאשר ה-pH של המדיום התסיסה הופך נמוך מדי כדי לתמוך צמיחה נכונה או כאשר יש גלוקוז לא נשאר. הנוכחי (או התנגדות) ערך ERGO-הרשות הפלסטינית-נה לפני ואחרי צמיחה שווים לערך הנוכחי (או התנגדות) של ERGO-הרשות הפלסטינית-נה בעבר מכויל בפתרונות מאגר שונים. PH pH ו- end הראשונית של המדיום תסיסה ל' lactis אושר באמצעות אלקטרודת pH של זכוכית קונבנציונלי.

החיישן pH ניתן בקלות לייצר בתוך הארגון שימוש בכימיקלים זול. עלויות הייצור נמוך מאפשרים להשתמש ביישומים אלקטרודה זו היו מספר רב של אלקטרודות pH הם הדרושים (למשל, בפלטפורמה ההקרנה חיידקי התסיסה). יישום אחר של האלקטרודה pH הוא שחזה במצבים איפה פעפוע של אשלגן כלורי מ אלקטרודת pH קונבנציונאלי זכוכית בתוך תמיסת מדידה אינה רצויה. האלקטרודה pH של פרוטוקול זה יש אין נוזלים פנימי יכול להתפזר לתוך הדגימה.

תאימות של החיישן chemiresistive עם מעגלים אלקטרוניים אלחוטית זמינה כעת1,27 מאפשרת לך בקלות לפתח יישומים באמצעות חיישנים אלחוטיים pH.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים להכיר את אוניברסיטת חרונינגן עבור תמיכה כספית.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Graphite flakes Sigma Aldrich
Sulfuric acid (H2SO4) Merck
Sodium nitrite (NaNO2) Sigma Aldrich
Potassium permanganate (KMnO4) Sigma Aldrich
30 % H2O2 Sigma Aldrich
HCL Merck
Aniline Sigma Aldrich
5wt % Nafion Sigma Aldrich
M17 powder BD Difco
Phosphoric acid (H3PO4) Sigma Aldrich
Boric acid (HBO3) Merck
Acetic acid Merck
Sodium Hydroxide Sigma Aldrich
Potassium dihydrogen phosphate Sigma Aldrich
Dipostassium hydrogen phosphate Sigma Aldrich
Au Interdigitated electrodes BVT technology - CC1 W1
Potentiostat CH Instruments Inc (CH-600, CH-700)

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Gou, P., et al. Carbon Nanotube Chemiresistor for Wireless pH Sensing. Scientific Reports. 4, 4468 (2014).
  2. Hols, P., et al. Conversion of Lactococcus lactis from homolactic to homoalanine fermentation through metabolic engineering. Nature Biotechnology. 17, 588-592 (1999).
  3. Luedeking, R., Piret, E. L. A kinetic study of the lactic acid fermentation. Batch process at controlled pH. Journal of Biochemical and Microbiological Technology and Engineering. 1, 393-412 (1959).
  4. Britton, H. T. S., Robinson, R. A. Universal buffer solutions and the dissociation constant of veronal. Journal of the Chemical Society. 0, 1456-1462 (1931).
  5. Ambrosi, A., Chua, C. K., Bonanni, A., Pumera, M. Electrochemistry of Graphene and Related Materials. Chemical Reviews. 114, 7150-7188 (2014).
  6. Xie, F., Cao, X., Qu, F., Asiri, A. M., Sun, X. Cobalt nitride nanowire array as an efficient electrochemical sensor. Sensors and Actuators B. 255, 1254-1261 (2018).
  7. Xie, F., Liu, T., Xie, L., Sun, X., Luo, Y. Metallic nickel nitride nanosheet: An efficient catalyst electrode for sensitive and selective non-enzymatic glucose sensing. Sensors and Actuators B. 255, 2794-2799 (2018).
  8. Xie, L., Asiri, A. M., Sun, X. Monolithically integrated copper phosphide nanowire: An efficient electrocatalyst for sensitive and selective nonenzymatic glucose detection. Sensors and Actuators B. 244, 11-16 (2017).
  9. Wang, Z., et al. Ternary NiCoP nanosheet array on a Ti mesh: A high-performance electrochemical sensor for glucose detection. Chemical Communications. 52, 14438-14441 (2016).
  10. Hummers, W. S. Jr, Offeman, R. E. Preparation of Graphitic oxide. Journal of the American Chemical Society. 80, 1339 (1958).
  11. Kumar, S., Chinnathambi, S., Munichandraiah, N., Scanlon, L. G. Gold nanoparticles anchored reduced graphene oxide as catalyst for oxygen electrode of rechargeable Li-O2 cells. RSC Advances. 3, 21706-21714 (2013).
  12. Guo, H. L., Wang, X. F., Qian, Q. Y., Wang, F. B., Xia, X. H. A green approach to the synthesis of graphene nanosheets. ACS Nano. 3, 2653-2659 (2009).
  13. Ramesha, G. K., Sampath, S. Electrochemical Reduction of Oriented Graphene Oxide Films: An in Situ Raman Spectroelectrochemical Study. The Journal of Physical Chemistry C. 113, 7985-7989 (2009).
  14. Amal Raj, A., Abraham John, S. Fabrication of Electrochemically Reduced Graphene Oxide Films on Glassy Carbon Electrode by Self-Assembly Method and Their Electrocatalytic Application. The Journal of Physical Chemistry C. 177, 4326-4335 (2013).
  15. Bhadani, S. N., Gupta, M. K., Sen Gupta, S. K. Cyclic voltammetry and conductivity investigations of polyaniline. Journal of Applied Polymer Science. 49, 397-403 (1993).
  16. Genies, E. M., Tsintavis, C. Redox mechanism and electrochemical behaviour or polyaniline deposits. Journal of Electroanalytical Chemistry. 195, 109-128 (1985).
  17. Jannakoudakis, P. D., Pagalos, N. Electrochemical characteristics of anodically prepared conducting polyaniline films on carbon fibre supports. Synthetic Metals. 68, 17-31 (1994).
  18. Deshmukh, M. A., Celiesiute, R., Ramanaviciene, A., Shirsat, M. D., Ramanavicius, A. EDTA_PANI/SWCNTs Nanocomposite Modified Electrode for Electrochemical Determination of Copper (II), Lead (II) and Mercury (II) Ions. Electrochimica Acta. 259, 930-938 (2018).
  19. Deshmukh, M. A., et al. EDTA-Modified PANI/SWNTs Nanocomposite for Differential Pulse Voltammetry Based Determination of Cu(II) Ions. Sensors and Actuators B Chemical. 260, 331-338 (2018).
  20. Deshmukh, M. A., Shirsat, M. D., Ramanaviciene, A., Ramanavicius, A. Composites Based on Conducting Polymers and Carbon Nanomaterials for Heavy Metal Ion Sensing (Review). Critical Reviews in Analytical Chemistry. 48, 293-304 (2018).
  21. Deshmukh, M. A., et al. A Hybrid Electrochemical/Electrochromic Cu(II) Ion Sensor Prototype Based on PANI/ITO-Electrode. Sensors and Actuators B Chemical. 248, 527-535 (2017).
  22. Chinnathambi, S., Euverink, G. J. W. Polyaniline functionalized electrochemically reduced graphene oxide chemiresistive sensor to monitor the pH in real time during microbial fermentations. Sensors and Actuators B Chemical. 264, 38-44 (2018).
  23. Sha, R., Komori, K., Badhulika, S. Amperometric pH Sensor Based on Graphene-Polyaniline Composite. IEEE Sensors Journal. 17 (16), 5038-5043 (2017).
  24. Huai-Ping, C., Xiao-Chen, R., Ping, W., Shu-Hong, Y. Flexible graphene-polyaniline composite paper for high-performance supercapacitor. Energy & Environmental Science. 6, 1185-1191 (2013).
  25. Xiang, J., Drzal, L. T. Templated growth of polyaniline on exfoliated graphene nanoplatelets (GNP) and its thermoelectric properties. Polymer. 53, 4202-4210 (2012).
  26. Xiangnan, C., et al. One-step synthesis of graphene/polyaniline hybrids by in situ intercalation polymerization and their electromagnetic properties. Nanoscale. 6, 8140-8148 (2014).
  27. Azzarelli, J. M., Mirica, K. A., Ravnsbæk, J. B., Swager, T. M. Wireless gas detection with a smartphone via rf communication. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (51), 18162-18166 (2014).

Tags

בביו-הנדסה גיליון 143 מופחתת גראפן אוקסיד polyaniline chemiresistor potentiometric pH חיישן microsensor חיידקי התסיסה
ייצור מצופים Nafion, מופחתת גראפן תחמוצת/Polyaniline Chemiresistive חיישן על צג ה-pH בזמן אמת במהלך התסיסה מיקרוביאלי
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chinnathambi, S., Euverink, G. J.… More

Chinnathambi, S., Euverink, G. J. Manufacturing of a Nafion-coated, Reduced Graphene Oxide/Polyaniline Chemiresistive Sensor to Monitor pH in Real-time During Microbial Fermentation. J. Vis. Exp. (143), e58422, doi:10.3791/58422 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter