Wij rapporteren hier, het protocol voor de fabricage van een Nafion-coating, polyaniline-matiemaatschappij, elektrochemisch verminderde grafeen oxide chemiresistive micro pH sensor. Deze chemiresistor gebaseerde, solid-state micro pH sensor kan detecteren pH veranderingen in real-time tijdens een fermentatieproces Lactococcus lactis .
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Productie van een Nafion-coating, verminderd grafeen Oxide/Polyaniline Chemiresistive Sensor op een pH van de Monitor in Real-time tijdens microbiële gisting
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Wij rapporteren hier, de engineering van een solid-state micro pH sensor op basis van polyaniline-matiemaatschappij, elektrochemisch verminderde grafeen oxide (ERGO-PA). Elektrochemisch verminderde grafeen oxide fungeert als de geleidende laag en polyaniline als een pH-gevoelige laag. De pH-afhankelijke geleiding van polyaniline treedt op door doping gaten tijdens Protonering en door de dedoping van de gaten tijdens deprotonering. We vonden dat een ERGO-PA solid-state elektrode niet functioneel als zodanig in fermentatieprocessen was. Het elektrochemisch actieve soorten die de bacteriën tijdens het fermentatieproces produceren interfereren met de elektrode respons. Wij met succes toegepast Nafion als een proton-geleidende laag over ERGO-PA. De Nafion beklede elektroden (ERGO-PA-nvt) weergeven een goede gevoeligheid van 1,71 Ω/pH (pH 4-9) voor chemiresistive sensor metingen We testten de ERGO-PA-NA-elektrode in real-time in de gisting van Lactococcus lactis. Tijdens de groei van L. lactis, veranderde de pH van het medium van pH 7,2 op een pH van 4.8 en de weerstand van de ERGO-PA-NA solid-state elektrode gewijzigd van 294.5 Ω 288.6 Ω (5,9 Ω per 2.4 pH-eenheid). De reactie van de pH van de elektrode van de ERGO-PA-nb in vergelijking met de reactie van een conventionele op basis van glas pH elektrode blijkt dat referentie-minder solid-state microsensor arrays met succes in een microbiologische gisting werken.
Inleiding
pH speelt een vitale rol in vele chemische en biologische processen. Zelfs kleine veranderingen in de pH-waarde het proces veranderen en negatieve invloed hebben op de uitkomst van het proces. Vandaar, is het noodzakelijk voor bewaking en beheersing van de pH-waarde tijdens elke fase van de experimenten. De op basis van glas pH elektrode is met succes gebruikt om te controleren van de pH in vele chemische en biologische processen, hoewel het gebruik van een glaselektrode verschillende beperkingen kleeft tot het meten van de pH. De op basis van glas pH-elektrode is relatief groot, kwetsbare en kleine lekkage van de elektrolyt in de steekproef zijn mogelijk. Bovendien, de elektrode en de elektronica zijn relatief duur voor toepassingen in 96-Wells screening gisting systemen. Bovendien, de elektrochemische sensoren zijn invasief en consumeren van het monster. Vandaar, is het voordeliger om het gebruik van niet-invasieve, referentie-minder sensoren.
Tegenwoordig, zijn verkleinde reactie systemen favoriet in vele chemische engineering en biotechnologische toepassingen zoals deze microsystems verbeterde procescontrole, samen met vele andere voordelen ten opzichte van hun macro systeem-analogen bieden. Om te controleren en de controle van de parameters in een verkleinde systeem is een uitdagende taak als de grootte van de sensor te meten, bijvoorbeeld, de pH en de O-2, moet eveneens worden geminimaliseerd. De succesvolle productie van microreactors voor biologische systemen vereisen verschillende soorten analysehulpmiddelen voor procesbewaking. Vandaar, de ontwikkeling van slimme microsensors speelt een belangrijke rol bij de uitvoering van de biologische processen in de microreactors.
Onlangs, zijn er verschillende pogingen ondernomen om het ontwikkelen van slimme pH sensoren met behulp van chemiresistive sensing materialen zoals de koolstof nanotubes en uitvoeren van polymeren1. De sensoren van deze chemiresistive vereisen geen referentie-elektrode en zijn eenvoudig te integreren met elektronische schakelingen. Succesvolle chemiresistive sensoren maken het mogelijk om te produceren van slimme sensoren die zijn rendabel en gemakkelijk te vervaardigen, een kleine volume nodig voor het testen, en zijn niet-invasief.
Wij rapporteren hier een methode te ontwikkelen van een elektrode met polyaniline-matiemaatschappij, elektrochemisch verminderde grafeen oxide. De chemiresistive-elektrode opereert als een pH sensor tijdens een L. lactis gisting. L. lactis is een melkzuur-zuur-producerende bacterie gebruikt in voedsel fermentatie en voedsel conserveermiddel processen. Tijdens de gisting, de productie van melkzuur verlaagt de pH en de bacterie stopt met groeien bij een lage pH2,3,4.
Een medium van de gisting is een complexe chemische omgeving die bevat peptiden, zouten en redox-moleculen die de neiging hebben om zich te mengen met de sensor oppervlakte5,6,7,8,9. Deze studie toont aan dat een pH sensor gebaseerd op chemiresistive materiaal met een goede oppervlaktebescherming laag kan worden gebruikt voor het meten van de pH in dit soort complexe gisting media. In deze studie succesvol gebruiken we Nafion als de laag van bescherming voor polyaniline-gecoat, elektrochemisch verminderde grafeen oxide voor het meten van de pH in real-time tijdens een L. lactis gisting.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. bereiding van grafiet Oxide
Opmerking: Graphite oxide is bereid volgens Hummers methode10,11.
- Voeg 3 g grafiet in 69 mL geconcentreerde H2dus4 en roer de oplossing tot het grafiet volledig heeft verspreid. Toevoegen van 1.5 g van natriumnitriet en laat het gedurende 1 uur al roerend. Dan de container te plaatsen in een ijsbad.
- 9 g kaliumpermanganaat in de verstrooiing toevoegen en verwijderen van de container uit het ijsbad. Laat de oplossing om op te warmen tot kamertemperatuur.
- Voeg eerst ontkleuring 138 mL gedestilleerd water. Vervolgens blijven toevoegen van 420 mL gedestilleerd water. Handhaving van de temperaturen bij 90 ° C gedurende 15 minuten met behulp van een kookplaat. 7,5 mL van 30% waterstofperoxide aan de dispersie toevoegen.
- Verzamelen van het product door middel van centrifugeren bij 10.000 x g gedurende 20 min en gooi het supernatant oplossing. Wassen van de pellet 4 x met warme tweemaal gedestilleerd water en 2 x met een 10%-zoutzuur (v/v). Tot slot was het 2 x met ethanol en droog het bij 50 ° C in de oven.
2. Ga-gestort elektrode voorbereiding
- Verspreiden van 10 mg van grafiet oxide in 10 mL water en bewerk vervolgens ultrasone trillingen ten het in het ultrasoonbad gedurende 6 uur.
- Verwijder de unexfoliated grafiet oxide vlokken door centrifugeren voor 30 min op 2700 x g. Discard vaste deeltjes na het centrifugeren en gebruik van het supernatant voor verdere experimenten.
Opmerking: We gebruikten deze geëxpandeerd GO vlokken spreiding als de stockoplossing. - Verdun de stockoplossing GO tweeledig. Altijd een verse GO werkende oplossing van de stamoplossing te bereiden.
- Voeg 2 µL van de GO-werkoplossing bovenop een blootgestelde interdigitated gouden elektrode (figuur 1A en Figuur 2). Droog na druppel gieten, de elektrode bij kamertemperatuur voor 12u. Dit is de elektrode GO-gestort.
3. vermindering van Ga naar elektrochemisch verminderde grafeen Oxide
- Plaats de elektrode in de Polydimethylsiloxaan (PDMS) elektrode houder (onderste stuk). Plaats het andere deel van het elektrode-houder, die als een reservoir van de oplossing, op de top van de elektrode zoals afgebeeld in figuur 1A - 1 C fungeert. Monteer de houders door knippen van de twee delen samen met behulp van twee paperclips. Zorg ervoor dat de PDMS houder heeft geen betrekking op het deel van de GO-gestort elektrode.
- Pipetteer 300 µL van 0,2 M fosfaatbuffer (pH 7) in het reservoir. Dan plaatsen de verwijzing en de teller-elektrode in de oplossing op een zodanige wijze dat de elektroden worden geplaatst dicht bij de oppervlakte van de GO-film, zoals weergegeven in Figuur 1 c. Deze set-up fungeert als een elektrochemische cel voor het uitvoeren van elektrochemische vermindering van GO en voor afzetting van de polyaniline.
- Verbind de elektroden met de potentiostaat aangesloten op een computer voor data-acquisitie. Gebruik van cyclische voltammetrie voor de elektrochemische onderdrukking: Selecteer 0 tot -1,2 V als een potentieel bereik en 50 mV/s als de scanfrequentie. Cyclus van de spanning over de elektrode tussen 0 en -1,2 V 10 x (Figuur 3).
- Na het experiment, de elektrode van de houder verwijderen en herhaaldelijk wassen met tweemaal gedestilleerd water. Vervolgens drogen de elektrode in een oven bij 101 ° C gedurende 12 h.
- Wanneer de elektrode droog is, verwijder de elektrode uit de oven en laat ze afkoelen tot kamertemperatuur. Vervolgens de geleidbaarheid van de elektrode te meten met een multimeter. De elektrode wordt nu een elektrochemisch verminderde grafeen oxide (ERGO) elektrode genoemd.
4. Polyaniline Functionalization van de ERGO elektrode
- 10 mM aniline monomeer voorbereiden op de polyaniline functionalization. Los 5 µL van 10 mM aniline in 5 mL 1 M H2dus4.
- Voor de polyaniline functionalization, voeg 300 µL van aniline monomeer naar het reservoir van de oplossing. Plaats de elektrode ERGO-gestort in de elektrode-houder als beschreven in de procedure voor de vermindering van de GO.
- Cyclische voltammetrie voor de electropolymerization van aniline gebruiken functionalize ERGO in ERGA-polyaniline (ERGO-PA): Selecteer 0 tot 0,9 V als een potentieel bereik en 50 mV/s als de scanfrequentie. Cyclus van de spanning over de elektrode tussen 0 tot 0,9 V voor 50 x (Figuur 4).
- Na de afzetting van polyaniline, verwijderen van de elektrode en herhaaldelijk wassen met tweemaal gedestilleerd water. Vervolgens drogen de elektrode bij 80 ° C in de oven gedurende 12 uur.
- Verwijder de elektrode uit de oven en laat ze afkoelen tot kamertemperatuur alvorens het meten van de geleidbaarheid van de elektrode met een multimeter.
- Bereiden een bufferoplossing pH 5 door toevoeging van 0,2 M NaOH aan de Britton-Robinson buffer-oplossing tot pH 5 (zie stap 5.1). Houd de elektrode in de buffer met een pH 5 gedurende 24 uur.
- Ter voorbereiding van een universele Britton-Robinson-bufferoplossing, meng 0,04 mol van fosforzuur, 0,04 mol azijnzuur en 0,04 mol van boorzuur in 0.8 L ultrazuiver water. 0,2 M natriumhydroxide ontkleuring aan toevoegen bufferoplossing totdat de gewenste pH4is bereikt. Voeg ultrazuiver water toe totdat het eindvolume 1 L. is
5. ERGO-PA elektrode testen bij verschillende pH (pre kalibratie voordat Nafion Coating)
- Na conditionering van de elektrode in een bufferoplossing pH 5, meten de weerstand van de elektrode in de oplossingen van een verschillende pH (van pH 4, pH 9; Zie Figuur 5).
- Voor deze meting, dompel de elektrode direct in de bufferoplossing en sluit het andere deel van de elektrode aan de computergestuurde potentiostaat voor data-acquisitie. Het wijzigen van de pH door titrating met 0,2 M NaOH.
- Chronopotentiometry of amperometry i-t-curve kiezen uit de lijst met technieken en een 100 mV potentiaalverschil aan de elektrode van toepassing.
Opmerking: De potentiostaat meet de huidige tegen de klok. De controle van de potentiostaat software biedt een grafische weergave van de huidige tegen de klok. - Gebruik van de wet van Ohm (weerstand is gelijk aan de spanning gedeeld door de huidige) voor de berekening van de weerstandswaarde van de gemeten huidige en toegepaste spanning.
- Na de metingen, droge de elektrode bij kamertemperatuur voor 12u.
6. bereiding van de elektrode Nafion beklede ERGO-PA
- Voeg 5 µL van 5 wt % Nafion bovenop de elektrode ERGO-PA en droog de elektrode bij kamertemperatuur voor 12u.
- Na de Nafion coating, houden de elektrode in de bufferoplossing pH 5 gedurende 24 uur voordat de pH-metingen.
- Na conditionering in pH 5, verwijderen van de ERGO-PA Nafion beklede elektrode (ERGO-PA-nvt) en meet de weerstand van de elektrode van pH 4, pH 9 zoals vermeld in punt 5.1 (Figuur 6).
7. bereiding van L. lactis kweekmedium
- 9.3 g M17 poeder in 250 mL ultrazuiver water toevoegen. Langzaam doorroeren de oplossing tot het poeder volledig oplost. Autoclaaf de oplossing bij 121 ° C gedurende 15 minuten.
- Neem een gesteriliseerde kolf van 250 mL met een magneetroerder bar en voeg 50 mL van het gesteriliseerde M17 medium aan op de maatkolf. Vervolgens voegt u 8 mL gesteriliseerde met autoclaaf 1 M glucose oplossing. Beënt de oplossing met 10 µL van een cultuur van L. lactis , eerder gegroeid in het dezelfde kweekmedium.
Opmerking: De bacteriële stam is afkomstig van Jan Kok, moleculaire genetica, Universiteit van Groningen. - Plaats de kolf met het geënte kweekmedium voor 18u op een magneetroerder plaat in een oven van de incubatie bij 30 ° C terwijl roeren en de pH te controleren.
8. het testen van de ERGO-PA-NA pH reactie in een Experiment van de gisting L. lactis
- De ERGO-PA-NA-elektrode in de L. lactis cultuur plaats en sluit deze met een stekker van katoen. Plaats vervolgens de set-up in de thermostaat bij 30 ° C tot L. lactisgroeien.
- Toepassen van 100 mV de elektrode en de maatregel de huidige tegen de klok.
- 0,5 mL monsters nemen op verschillende tijdstippen (zie bijvoorbeeld afbeelding 7) te meten off-line de optische dichtheid bij 600 nm en de pH met een conventionele glaselektrode. Blijven de metingen tot de optische dichtheid van de cultuur constante wordt, die aangeeft dat de bacteriën niet meer groeien.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Het uiterlijk van een sterke vermindering van de piek ongeveer -1,0 V (Figuur 3) geïllustreerd de vermindering van de GO ERGO12,13,14,22. De intensiteit van de piek, is afhankelijk van het aantal GO lagen op de elektrode. Een dikke zwarte film bedekt volledig de gouden draden op de elektrode. Op dat moment waren de twee geïsoleerde ...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Het is essentieel dat de GO volledig lagen dekken de gouden elektrode draden na de afzetting van GO. Indien de elektroden van de gouden niet met GO vallen, zal polyaniline niet alleen storten op ERGO maar ook op de draden zichtbaar gouden elektrode direct. Afzetting van polyaniline op de gouden elektrode draden kan gevolgen hebben op de prestaties van de elektrode. Na de reductie van Ga naar ERGO, is de elektrode gedroogd bij 100 ° C tot het versterken van de hechting tussen de ERGO-laag en de gouden elektrode draden. De...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
De auteurs erkennen de Rijksuniversiteit Groningen voor financiële steun.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Grafietvlokken | Sigma Aldrich | ||
| Zwavelzuur (H2SO4) | Merck | ||
| Natriumnitriet (NaNO2) | Sigma Aldrich | ||
| Kaliumpermanganaat (KMnO4) | Sigma Aldrich | ||
| 30 % H2O2 | Sigma Aldrich | ||
| HCL | Merck | ||
| Anilin | Sigma Aldrich | ||
| 5 wt % Nafion | Sigma Aldrich | ||
| M17 poeder | BD Difco | ||
| Fosforzuur (H3PO4) | Sigma Aldrich | ||
| Boorzuur (HBO3) | Merck | ||
| Azijnzuur | Merck | ||
| Natriumhydroxide | Sigma Aldrich | ||
| Kaliumdiwaterstoffosfaat | Sigma Aldrich | ||
| Dipotassiumwaterstoffosfaat | Sigma Aldrich | ||
| Au Interdigitated elektroden | BVT technologie - CC1 W1 | ||
| Potentiostat | CH Instruments Inc (CH-600, CH-700) |
Referenties
- 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 engineering. Nature Biotechnology. 17, 588-592 (1999).
- 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).
- 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).
- Ambrosi, A., Chua, C. K., Bonanni, A., Pumera, M. Electrochemistry of Graphene and Related Materials. Chemical Reviews. 114, 7150-7188 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hummers, W. S. Jr, Offeman, R. E. Preparation of Graphitic oxide. Journal of the American Chemical Society. 80, 1339(1958).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Genies, E. M., Tsintavis, C. Redox mechanism and electrochemical behaviour or polyaniline deposits. Journal of Electroanalytical Chemistry. 195, 109-128 (1985).
- Jannakoudakis, P. D., Pagalos, N. Electrochemical characteristics of anodically prepared conducting polyaniline films on carbon fibre supports. Synthetic Metals. 68, 17-31 (1994).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sha, R., Komori, K., Badhulika, S. Amperometric pH Sensor Based on Graphene-Polyaniline Composite. IEEE Sensors Journal. 17 (16), 5038-5043 (2017).
- 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).
- Xiang, J., Drzal, L. T. Templated growth of polyaniline on exfoliated graphene nanoplatelets (GNP) and its thermoelectric properties. Polymer. 53, 4202-4210 (2012).
- 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).
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
