De studie toont de groei van iridium-oxide gereduceerd grafeen oxide (IrO 2 -RGO) nanohybride dunne films op onregelmatige en ruwe gezeefdrukt koolstof substraat door middel van een groene elektrochemische synthese, en de uitvoering ervan als een pH-sensor met een patroonpapier-vloeibare platform .
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Iridium-Oxide gereduceerde Grafeen Oxide nanohybride Thin Film Modified Gezeefdrukt elektroden als Disposable elektrochemische Paper microfluïdische pH Sensoren
* These authors contributed equally
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Een facile, controleerbaar, goedkope en groene elektrochemische synthese IRO 2 -graphene nanohybride dunne films is ontwikkeld om een eenvoudig te gebruiken geïntegreerde papier microfluïdische elektrochemische pH-sensor voor de beperkte middelen te fabriceren. Rekening voordelen van zowel pH meter en strips, wordt de pH sensing platform bestaande uit hydrofobe barrière patroonpapier Micropad (μPAD) middels polydimethylsiloxaan (PDMS), gezeefdrukt elektrode (SPE) gemodificeerd met IrO 2 -graphene films en gevormde acrylonitrilbutadieenstyreen (ABS) plastic houder. Repetitive kathodische potentieel fietsen werd gebruikt voor grafeen oxide (GO) reductie die volledig elektrochemisch instabiel zuurstofrijk groepen met een uitstekende stabiliteit en elektronische eigenschappen kan verwijderen en het genereren van een 2D foutloze homogene grafeen dunne film. Een uniforme en vlotte IrO 2 film in nanoschaal korrelgrootte anodisch wordt elektrolytisch op het grafeen film, zonder enigewaarneembare scheuren. De resulterende IrO 2 -RGO elektrode bleek iets super-Nernstian antwoorden van pH 2-12 in Britton-Robinson (BR) buffers met goede lineariteit, kleine hysteresis, lage responstijd en reproduceerbaarheid in verschillende buffers, evenals lage gevoeligheid voor verschillende bemoeienissen ionen en opgeloste zuurstof. Een simpele draagbare digitale pH meter wordt vervaardigd, waarvan het signaal wordt gemeten met een multimeter behulp hoge input impedantie operationele versterker en consumentenbatterijen. De pH-waarden gemeten met de draagbare elektrochemische papier-microfluïdische pH-sensoren kwamen overeen met die gemeten met behulp van een commercieel laboratorium pH-meter met een glas elektrode.
Inleiding
De bepaling van de pH is alomtegenwoordig in de voeding, fysiologische, medicinale en milieustudies. Twee meest voorkomende instrumenten voor pH-detectie zijn pH strips en pH-meters. Paper strips zijn geïmpregneerd met kleur veranderende pH-indicator moleculen, maar het lezen wordt soms beperkt in pH-trajecten, subjectief en semi-kwantitatieve met een aantal afwijkingen. Anderzijds kan een pH meter conventioneel voorzien van een glaselektrode pH nauwkeurig het 0,01 niveau en weergave meten door een digitale interface. -Lab gebaseerde pH-meters niet alleen speciale zorg nodig hebben in het onderhoud en de kalibratie, maar ook niet goed te werken aan kleine steekproef volumes en vereisen vaak een schone container, zoals een beker om metingen uit te voeren. Ondanks de gevoeligheid, selectiviteit en stabiliteit, glaselektrodes lijden zuur / base errors, hoge impedantie, instabiele temperatuur en mechanische kwetsbaarheid 1. Het is daarom voordelig om een pH meetsysteem embod hebbenies de nauwkeurigheid van pH meter en de eenvoud en kostenaspecten pH strips.
Er is altijd een onvervulde behoefte aan dergelijke instrumenten onder beperkte middelen omstandigheden in veel ontwikkelingslanden regio's waar dure lab gebaseerde apparatuur of commerciële laboratoria zijn onbetaalbaar. Ook is het toenemende belang van nieuwe gemakkelijk te gebruiken ter plaatse sensing platforms geduwd door een dergelijke vraag naar point-of-care detectie. Elektrochemische detectie is eenvoudig, gemakkelijk te miniaturiseren en bevredigend gevoelig, zoals blijkt uit het gecommercialiseerd low-cost SPE's en diverse glucose controle systemen op de markt. Als een licht, flexibel en wegwerp poreus materiaal, kan het papier ook verschillende bestuurbare kenmerken, zoals verschillende poriegroottes, functionele groepen en wicking tarieven.
Zoals papieren substraat nauwelijks van invloed te analyseren diffusie en elektrochemische detectie 2-4, een combinatie van papier-fluïde apparaten en elektroanalytische technieken heeft recently kreeg veel belangen. Een duidelijk voordeel van een dergelijke combinatie is de kleine hoeveelheid monster volume gebruikt in de meting die mogelijk storingen door trillingen en convectie kan voorkomen tijdens de metingen. Zo werden gevormd microfluïdische pads toegepast wiek en leveren vloeistofmonsters te detectiegebied SPE voor detectie van zware metaalionen en glucose 2,5. Vergelijkbare apparaten met behulp van papier microfluïdische elektrochemiluminescentie werden opgericht om NADH detectie 4 te bereiken. Meer recent, kunnen eenvoudige elektrochemische papier microfluïdische inrichtingen worden gebouwd op een glasplaatje met potlood elektroden 6 of met behulp van enzymen papier en SPE 3.
Een nanohybride dunne film materiaal bestaande IRO 2 en RGO werd bereid met een gemakkelijke en efficiënte elektrochemische aanpak. We vonden dat op de onregelmatige en ruw SPE grafiet carbon oppervlak, anode elektrolytisch IrO 2 dunne film kan nietzijn soepel en stabiel zonder de hulp van de RGO. De resulterende IrO 2 -RGO SPE werd geïntegreerd in een papieren microfluïdische apparaat die hydrofoob barrières voor pH-sensing is een patroon. De samengestelde inrichting lieten goede analytische prestaties van de pH-sensor met een iets super-Nernstian gedrag. De resultaten zijn vergelijkbaar met een conventionele laboratorium gebaseerde pH-meter met glas elektroden. Ten slotte werden kosteneffectieve geminiaturiseerde pH meter gebouwd op een breadboard om open circuit potentiële output signaal te meten met een digitale multimeter. De afmetingen van de draagbare pH meter correleert goed met die van een commercieel laboratorium pH meter.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. μPAD en Apparatuur Voorbereiding
- Graveren een 500 urn groef aan de onderzijde plastic houder SPE huis met ABS of compatibele kunststof vel voor driedimensionale (3D) freesmachine frezen -bit 1,6 mm diameter heeft. Houd SPE en μPAD stevig op zijn plaats tijdens het testen met de houder (Figuur 1A).
- Voeg een stempel en een stofzuigdeksel behulp kunsthars tablet of compatibel kunststofvel met convexe en concave patronen, respectievelijk door de 3D freesmachine, teneinde patroon hydrofobe PDMS barrières op papier pads.
- Maak een mengsel van PDMS prepolymeer en verknopingsmiddel in een verhouding van 10: 1 of zoals voorgesteld door de fabrikant, mengen met een spatel en geschikte hoeveelheid toe te passen op het convexe oppervlak van het PDMS stempel.
- Plaats het stempel op een filterpapier pad voorgesneden aan gewenste grootte en de stofzuigdeksel aan de andere zijde van de stempel over het papier. Solliciteer vacuum tot 30 sec met een handbediende vacuümpomp. Verwijder het papier mat van het stempel en stofzuigdeksel en bakken in een convectieoven gedurende 10 minuten bij 80 ° C om het patroon PDMS (Figuur 1B) harden. De resulterende papier pad heeft een ongeveer 0,2 cm 2 sensing regio en 1 cm x 0,4 cm hydrofiel monster wicking regio.
Opmerking: Wees extra waarschuwingen van de hoeveelheid toegepaste PDMS en vacuüm tijd om eventuele PDMS besmetting in het binnenste hydrofiele regio van het filter papier waar de vloeibare monsters worden overgebracht voorkomen.
2. Wijziging van de SPE met IrO 2 -RGO nanohybride Thin Films
- Drop cast 3 gl als bereide 1 mg ∙ ml -1 GO oplossing op de grafiet-koolstof werkelektrode van SPE met een micropipet en laten drogen bij kamertemperatuur in een petrischaal. Zuiveren pH 5,0 PBS-buffer met N2 gedurende 20 minuten, dip de SPE in 10 ml PBS-buffer ontlucht terwijl N 2 stroomt, en het gedrag van 100 cycli van repetitieve kathodische potentiële fietsen van 0,0 tot -1,5 V aan elektrochemisch verminderen gaan in RGO. Spoel de SPE met DI-water in een spuitfles en droog bij kamertemperatuur.
Opmerking: Well-geëxpandeerd GO vellen, gestabiliseerd door elektrostatische afstoting, zijn afkomstig uit grafiet poeder met behulp van gemodificeerde Hummer methode zoals elders 7 gemeld. De homogeniteit van gesynthetiseerde RGO film is belangrijk, omdat het dient als koolstofdrager voor verdere groei IRO 2 dunne films. - Voeg 100 ml IrO 2 depositie samengesteld uit 0,15 g iridium tetrachloride (IrCl 4), 0,6 ml 50% (w / w) waterstofperoxide (H 2 O 2) en 0,5 g oxaalzuur drogen door ze in DI-water. Voeg geleidelijk kleine hoeveelheid watervrij kaliumcarbonaat onder roeren totdat de pH 10,5 bereikte geverifieerd door een laboratorium gebaseerde pH meter. Daarna oplossing werd geel. Verouderen van de oplossing gedurende 48 uur bij kamertemperatuur temperaopnieuw, dan is de kleur wordt uiteindelijk draaien lichtblauw.
- Zet de RGO-SPE bovenstaande neerslagoplossing en een constante potentiaal van 0,6 V aanvragen 5 min. De dikte van 2 IrO dunne films kan nauwkeurig worden geregeld door het afzetten potentieel en tijd.
- Bevestigen de structuur van het detectiebereik door SEM. Acquire SEM afbeeldingen volgende instructies op het Materials Science Center aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, zoals we eerder 7 deden.
3. De bouw van betaalbare en draagbare digitale pH Meters
- Bouw een goedkope en geminiaturiseerde pH meter met digitale weergave door het aansluiten van ofwel een serie van twee enkele LF356N operationele versterkers (opamps) of één INA111 high speed field-effect transistor (FET) -Input instrumentatie versterker (hoge input impedantie> 10 12 Ω) op broodplank voldoende hoge interne impedantie voor stabiele metingen te bereiken.
Opmerking: Alle onderdelen zijn gemakkelijk acgankelijk van elektronische winkels en kan eenvoudig worden gemonteerd. - Gebruik IRO 2 -RGO-SPE als de pH-sonde en OpAmps als eenheid te krijgen buffer. Sluit twee geaarde 9 V alkaline batterijen van de consument in serie om de pH meter van stroom en sluit de draden in de breadboard op basis van de pin lay-out van opamps.
- Sluit de kathode en anode pinnen 7 en 4. Ook sluit de positieve en negatieve probes van een digitale multimeter pinnen 6 en 5 van opamps respectievelijk de uitgangsspanning en displayuitlezing meten. Referentie en werken elektroden van SPE zijn verbonden met pin 2 en 3 dienovereenkomstig. Gedetailleerde verbindingen zijn weergegeven in figuur 1D.
4. pH Metingen
- Bereid 100 ml BR buffers met 0,04 M equimolaire fosforzuur, azijnzuur en boorzuur en mengen met verschillende volumes (5, 25, 42, 60, 78 en 98) van 0,2 M natriumhydroxide (NaOH) bij verschillende pH bereiken van 2- 12 voor de kalibratie.
- locat gevormde μPAD bovenop de detectiezone. Mount 60 ul vloeibare monsters rechtstreeks door een micropipet in de hydrofiele gebied van het μPAD voor wicking. De μPAD kan op zijn plaats worden gehouden met of zonder ABS deksel, wanneer het wordt bevochtigd.
- Meet de spanning signaal tussen IRO 2 -RGO werkende elektrode en de Ag / AgCl referentie-elektrode in de tijd met ofwel een-lab gebaseerde CHI 660D elektrochemische analyser of de draagbare digitale pH-meter, wanneer de open circuit potentials (OCP) worden steady (potentiële variaties <5%).
- Houd het aftastgebied nat door onderdompeling van het notitieblok in vloeibare monsters te testen, indien nodig, om een beter elektrisch contact en stabiele en reproduceerbare aflezingen op lange termijn werking bereiken. Opgenomen steady-state OCP waarden worden gemiddeld bij elke pH tot een ijkcurve te bepalen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De opzet van de elektrochemische IrO 2 -RGO-SPE pH-sensor waarin papier microfluidics is weergegeven in figuur 1A. De patroonpapier pad met PDMS hydrofoob barrières werd bovenop het detectiebereik IRO 2 -RGO-SPE die op het ABS kunststof houder. De detectie zone papier pad werd zorgvuldig afgestemd op de elektrode oppervlak. Een waterige methyleenblauw kleurstof werd gebruikt om de dessinpapier verbandtest en zoals waargenomen monsters wiek in de hyd...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Device Setup
De pH sensor werkt door het meten van de OCP tussen de werkende en referentie-elektroden, aangezien ze proportioneel verandert de negatieve logaritme van de H + -concentratie. De metingen kunnen beide worden bereikt door een laboratorium gebaseerde potentiostaat zoals CHI 660D en simpele pH meter gebouwd op breadboard met lezen bij multimeter. Twee verschillende draagbare pH-meters werden op dezelfde wijze gebouwd op breadboard met behulp van twee 9 V...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd ondersteund door een subsidie van de Water Equipment and Policy (WEP) NSF Industrie / University Cooperative Research Center (I / UCRC). De auteurs zijn ook dankbaar voor de Hjalmar D. en Janet W. Bruhn Fellowship en Louis en Elsa Thomsen Wisconsin Distinguished Graduate Fellowship verstrekt aan JY bij UW-Madison
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
```html
```
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Screen-printed electrodes | Zensor | TE100 | 3-elektrode geïntegreerd |
| Acrylonitrile butadieen styreen (ABS) | |||
| Polydimethylsiloxaan (PDMS) prepolymeer en crosslinker mengsel | Dow-Corning Co. | Sylgard 184 | 10:1 mengsel w/w |
| Whatman No. 1 filterpapier | GE Healthcare Co. | ||
| 3D freessysteem | Roland DGA Co. | iModela IM-01 | |
| PDMS stempel en vacuümdeksel | Roland DGA Co. | Sanmodur | Synthetische hars tablet |
| Handbediende vacuümpomp | Cole-Parmer Co. | ||
| Elektrochemische werkstation | CH Instruments | CHI 660D | |
| LF356N operationele versterkers | Texas Instruments Inc. | ||
| INA111 hoge snelheid veldeffecttransistor (FET)-invoer instrumentversterker | Burr-Brown Inc. | ||
| DMM914 digitaal multimeter | Tektronix Inc. | 70979101 | |
| Van Fisher of Sigma: | |||
| Iridium tetrachloride (IrCl4) | |||
| 50% (w/w) waterstofperoxide (H2O2) | |||
| Oxaalzuur dihydraat | |||
| Kaliumcarbonaat (K2CO3) | |||
| Fosforzuur | |||
| Azijnzuur | |||
| Boorzuur | |||
| Natriumhydroxide (NaOH) | |||
| Na2HPO4 | |||
| NaH2HPO4 |
Referenties
- Greenblatt, M., Shuk, P. Solid-state humidity sensors. Solid State Ionics. , 86-88, Part 2 995-1000 (1996).
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
