Grafeno Oxide Nanohybrid Thin Film eléctrodos modificados serigrafado reduzida de óxido de irídio como papel Electrochemical descartável microfluídicos pH Sensores

Resumo

O estudo demonstra o crescimento de óxido de grafeno reduzido de óxido de irídio (IRO ₂ -RGO) nanohybrid filmes finos sobre substrato de carbono impresso irregular e áspera através de uma síntese eletroquímica verde, e sua implementação como um sensor de pH com uma plataforma para papel-fluídica padronizada .

Resumo

A síntese eletroquímica facile, controlável, barato e verde da IrO ₂ -graphene nanohybrid filmes finos é desenvolvido para fabricar um sensor de pH easy-to-use papel integrado microfluídicos eletroquímico para contextos de recursos limitados. Levando vantagens de ambos os medidores e tiras de pH, a plataforma de detecção de pH é composto por hidrofóbico micropad papel decorado-barreira (μPAD), utilizando o polidimetilsiloxano (PDMS), eletrodo serigrafado (SPE) modificado com Iro ₂ -graphene filmes e moldados de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) suporte de plástico. Repetitivo ciclismo potencial catódico foi empregada para a redução de óxido de grafeno (GO), que pode remover completamente os grupos oxigenados eletroquimicamente instáveis ​​e gerar uma fina camada de grafeno homogênea livre de defeitos 2D com excelente estabilidade e propriedades eletrônicas. Um bom filme _IrO2 uniforme e em tamanho nanoescala grão é anodicamente eletrodepositados para o filme de grafeno, sem qualquerrachaduras observável. O _IrO2 -RGO eletrodo resultante mostrou respostas ligeiramente super-Nernstiana de pH 2-12, em tampões com boa linearidade, pequena histerese, tempo de resposta baixo e reprodutibilidade em diferentes tampões, bem como baixas sensibilidades de interferir diferente Britton-Robinson (BR) espécies iônicas e oxigênio dissolvido. Um medidor de pH digital portátil simples é fabricada, cujo sinal é medido com um multímetro, usando amplificador operacional de entrada de alta impedância e pilhas de consumo. Os valores de pH medidos com os sensores de pH de papel-microfluidos electroquímicos portáteis eram consistentes com aqueles medidos usando um medidor de pH laboratório comercial com um eléctrodo de vidro.

Introdução

A determinação do pH é onipresente em alimentos, fisiológica, medicinal e estudos ambientais. Duas ferramentas mais comuns para detecção de pH são tiras de pH e medidores de pH. As tiras de papel são impregnados com as moléculas indicadoras de pH que mudam de cor, mas a leitura é por vezes limitada em gamas de pH, subjectiva e semi-quantitativa com alguns desvios. Por outro lado, um medidor de pH convencionalmente equipado com um eléctrodo de vidro de pH pode medir com precisão ao nível de 0,01, e exibição por uma interface de utilizador digitais. medidores de pH baseados em laboratório não só precisam de cuidados especiais na manutenção e calibração, mas também não funcionam bem no sentido de pequenos volumes de amostras e muitas vezes exigem um recipiente limpo, como um copo para realizar medições. Apesar de sua sensibilidade, seletividade e estabilidade, eletrodos de vidro sofrem de erros de ácido / alcalinas, de alta impedância, instabilidade da temperatura e fragilidade mecânica ^1. Portanto, é vantajoso ter um sistema de medição de pH que embodies a precisão do medidor de pH e os aspectos simplicidade e custo de tiras de pH.

Há sempre uma necessidade não satisfeita de tais ferramentas em condições de recursos limitados em muitas regiões em desenvolvimento onde o equipamento baseado em laboratório caro ou laboratórios comerciais estão inacessíveis. Além disso, o papel crescente das novas plataformas de detecção no local fáceis de usar é empurrado por um tal demanda para a detecção de ponto-de-cuidado. detecção eletroquímica é simples, fácil de miniaturizar e satisfatoriamente sensível, como demonstrado pelas SPEs baixo custo comercializados e vários sistemas de monitoramento de glicose no mercado. Como um material poroso leve, flexível e descartável, de papel também pode ter várias características controláveis, tais como diferentes tamanhos de poros, os grupos funcionais, e as taxas de capilaridade.

Como substrato de papel mal afeta a difusão do analito e detecção eletroquímica ^2-4, combinação de dispositivos de papel-fluídico e técnicas eletroanalíticas tem recently recebeu interesses extensos. Uma vantagem aparente de tais combinações é a pequena quantidade de volume de amostra utilizado na medição, que pode, potencialmente, evitar interferências de vibração e de convecção durante as medições. Por exemplo, almofadas microfluídicos padronizadas foram aplicadas para pavio e entregar amostras líquidas para a área de detecção de SPEs para detecção de íons de metais pesados e glicose ^2,5. Dispositivos semelhantes usando papel eletroquimioluminescência microfluídico foram estabelecidas para realizar detecção de NADH ^4. Mais recentemente, dispositivos microfluídicos papel eletroquímica simples pode ser construída sobre uma lâmina de vidro com eletrodos lápis ⁶ ou utilizando papel de enzima e SPEs ^3.

Um material de película fina nanohybrid composto de _IrO2 e RGO foi preparado usando uma abordagem electroquímica fácil e eficiente. Descobrimos que na superfície de carbono SPE graphitic irregular e áspera, anodicamente eletrodepositados _IrO2 película fina não podeser suave e estável sem o auxílio de RGO. A resultante _IrO2 -RGO SPE foi integrado um dispositivo microfluídico de papel que tem modelado barreiras hidrofóbicos para detecção de pH. O dispositivo montado mostrou excelentes performances analíticas em sensoriamento pH com um comportamento um pouco super-Nernstiana. Os resultados são comparáveis ​​a um medidor de pH baseado em laboratório convencional com eletrodos de vidro. Por último, miniaturizados medidores de pH baixo custo foram construídas em uma placa de ensaio para medir o sinal de saída potencial de circuito aberto com um multímetro digital. As medições do medidor de pH portátil correlaciona-se bem com os de um medidor de pH laboratório comercial.

Protocolo

1. Preparação e Aparelho μPAD

1. Gravar um sulco 500 mm no suporte de plástico na parte inferior para abrigar SPE com um ABS ou folha de plástico compatível, tridimensional (3D) a máquina de trituração e moagem pouco que tem 1,6 mm de diâmetro. Segure SPE e μPAD firmemente no lugar durante o teste com o suporte (Figura 1A).
2. Adicione um selo e uma tampa de vácuo utilizando comprimido resina sintética ou folha de plástico compatível com padrões convexas e côncavas, respectivamente, pela máquina de moagem em 3D, a fim de padrão PDMS hidrofóbicos barreiras em almofadas de papel.
   1. Prepara-se uma mistura de PDMS pré-polímero e agente de reticulação na proporção de 10: 1 ou, como sugerido pelo fabricante, misturar com uma espátula e se aplica quantidade apropriada sobre a superfície convexa do selo PDMS.
3. Colocar o selo no topo de uma almofada de papel de filtro pré-cortado no tamanho desejado e, em seguida, a tampa de vácuo no lado oposto do selo ao longo do papel. aplicar Vacuhum por até 30 segundos por uma bomba de vácuo manual. Remover o bloco de papel a partir da tampa de selo e de vácuo, e cozer num forno de convecção durante 10 minutos a 80 ° C para endurecer o PDMS estampados (Figura 1B). A almofada de papel resultante tem uma região ² de detecção de aproximadamente 0,2 cm e 1 cm x 0,4 cm da amostra região hidrofílica wicking.
   Nota: tomar precauções especiais na quantidade de PDMS aplicada e tempo de vácuo a fim de evitar qualquer possível contaminação PDMS na região hidrofílica interior do papel de filtro, onde as amostras de líquidos são transferidos.

2. Modificação do SPEs com IrO ₂ -RGO Nanohybrid Filmes Finos

1. Gota fundido 3 ul de como preparados 1 mg ∙ ml ^-1 GO solução no eletrodo de trabalho de carbono grafite da SPE com uma micropipeta e deixe secar à temperatura ambiente em uma placa de Petri. Purifica um tampão PBS a pH 5,0 com N ₂ durante 20 min, a SPE mergulhar em 10 ml de tampão PBS desarejado, mantendo N _{2 corrente, e realizar 100 ciclos de ciclismo potencial catódico repetitivo de 0,0 para -1,5 V para reduzir eletroquimicamente entrar em RGO. Lavar o SPE com água DI em uma garrafa de esguicho e seco à temperatura ambiente.
   Nota: folhas vão bem-esfoliada, estabilizadas por repulsão eletrostática, são de pó de grafite usando o método de Hummer modificado conforme relatado em outros lugares ^7. A homogeneidade da película RGO tal como sintetizada é importante, porque serve como o suporte de carbono para crescimento adicional de IrO2 filmes finos.}
2. Adicione 100 ml de solução IrO ₂ deposição composta de 0,15 g de tetracloreto de irídio (IrCl _4), 0,6 ml de 50% (w / w) de peróxido de hidrogénio (H ₂ O ₂₎ e 0,5 g de ácido oxálico desidratado, adicionando-os em água Dl. Gradualmente adicionar uma pequena quantidade de carbonato de potássio anidro, com agitação até o pH atingir 10,5, verificada por meio de um medidor de pH à base de laboratório. Em seguida, solução tornou-se amarelada. Envelhecimento da solução durante 48 horas à temperatu quartore, em seguida, sua cor é eventualmente se tornando azul pálido.
3. Coloque o RGO-SPE em toda a solução de deposição acima e aplicar um potencial constante de 0,6 V, durante 5 min. A espessura de _IrO2 películas finas pode ser precisamente controlada pelo potencial de deposição e do tempo.
4. Confirmam a estrutura da área de leitura por SEM. Adquirir imagens SEM seguindo as instruções no Centro de Ciência dos Materiais na Universidade de Wisconsin-Madison, como fizemos antes ^7.

3. Construção de medidores de pH digital barata e portátil

1. Construir um medidor de pH barato e miniaturizado com display digital, conectando em qualquer uma série de dois amplificadores única LF356N operacionais (opamps) ou um INA111 alta velocidade transistor de efeito de campo (FET) -input amplificador de instrumentação (alta impedância de entrada> 10 ¹² Ω) na placa de ensaio para alcançar suficientemente alta impedância interna para medições estáveis.
   Nota: Todas as peças são facilmente accessible em lojas de eletrônicos e pode ser facilmente montado.
2. Use o _IrO2 -RGO-SPE como a sonda de pH e amplificadores operacionais como o buffer de ganho unitário. Conectar dois aterradas pilhas de consumo alcalina de 9 V em série para alimentar o medidor de pH e ligue os fios na placa de ensaio com base na disposição do pin opamps.
3. Ligue o cátodo eo ânodo de pinos 7 e 4. Ligue também as sondas positivos e negativos de um multímetro digital com os pinos 6 e 5 de opamps, respectivamente, para medir as leituras de tensão de saída e exibição. Referência e eletrodos de trabalho da SPE são conectados aos pinos 2 e 3 correspondente. Conexões detalhadas são mostrados na Figura 1D.

4. As medições de pH

1. Preparação de 100 ml de tampões BR com M de ácido fosfórico 0,04 equimolar, ácido acético e ácido bórico e misturar com diferentes volumes (5, 25, 42, 60, 78 e 98) de hidróxido de sódio 0,2 M (NaOH) para obter diferentes valores de pH a partir de 2- 12 para a calibração.
2. Loccomeu modelado μPAD no topo da área de detecção. Montagem de 60 ul As amostras líquidas directamente por uma micropipeta para a zona hidrófila do μPAD para wicking. O μPAD pode ser mantido no lugar com ou sem cobertura ABS, quando é molhado.
3. Medir o sinal de tensão entre o _IrO2 -RGO eletrodo de trabalho eo eletrodo de referência Ag / AgCl ao longo do tempo com qualquer um CHI 660D analisador eletroquímico baseado em laboratório ou o medidor de pH digital portátil, quando os potenciais circuito aberto (OCP) tornam-se estável (potencial variações <5%).
4. Manter a região de detecção molhados por imersão do bloco de papel, em amostras líquidas a ser testado, se necessário, para conseguir um melhor contacto eléctrico, bem como leituras estáveis ​​e reprodutíveis em operação a longo prazo. valores OCP steady-state gravados são em média de cada valor de pH para determinar uma curva de calibração.

Resultados

A configuração do eletroquímico _IrO2 -RGO-SPE sensor de pH incorporando microfluídica papel é mostrado na Figura 1A. A almofada de papel com padrão com barreiras hidrofóbicos PDMS foi colocado no topo da área de leitura de _IrO2 -RGO-SPE que localizado no suporte de plástico ABS. A zona de detecção de bloco de papel foi cuidadosamente alinhados com a superfície do eletrodo. Uma solução de corante azul de metileno aquosa foi usada para testar o bloco ...

Discussão

Configuração de dispositivo

O sensor de pH funciona por medição da OCP entre os eléctrodos de trabalho e de referência, uma vez que altera de forma proporcional ao logaritmo negativo da concentração de H ^+. As medições pode ser alcançado tanto por um potenciostato baseado em laboratório, como CHI 660D e medidor de pH simples construído em placa de ensaio com a leitura pelo multímetro. Dois medidores de pH portátil diferentes foram construídas de forma semelhante e...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Eletrodos serigrafados	Zensor	TE100	3-eletrodos integrados
Acrilonitrila butadieno estireno (ABS)
Mistura de pré-polímero e reticulante de polidimetilsiloxano (PDMS)	Dow-Corning Co.	Sylgard 184	10:1 mistura w/w
Whatman No. 1 papel de filtro	GE Healthcare Co.
Sistema de fresagem 3D	Roland DGA Co.	iModela IM-01
PDMS carimbo e tampa a vácuo	Roland DGA Co.	Sanmodur	Comprimido de resina sintética
Bomba de vácuo manual	Cole-Parmer Co.
Estação de trabalho eletroquímica	CH Instruments	CHI 660D
LF356N amplificadores operacionais	Texas Instruments Inc.
Amplificador de instrumentação de entrada de transistor de efeito de campo (FET) de alta velocidade INA111	Burr-Brown Inc.
Multímetro digital DMM914	Tektronix Inc.	70979101
De Fisher ou Sigma:
Tetracloreto de irídio (IrCl4)50
% (m/m) peróxido de hidrogênio (H2O2)
Ácido oxálico di-hidratado
Carbonato de potássio (K2CO3)
Ácido
Ácido acético
Ácido
Hidróxido de sódio (NaOH)
Na2HPO4
NaH2HPO4

fosfóricobórico