Исследование демонстрирует рост иридия оксида с пониженным содержанием оксида графена (МОБ 2 -RGO) наногибридный тонких пленок на нерегулярной и шероховатой сериграфированного углерода подложки через зеленый электрохимического синтеза, а также их реализацию в качестве датчика рН с узорной бумаги-жидкостный платформы ,
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Iridium Оксид со сниженным Графен Оксид наногибридный тонка пленка Модифицированные сериграфированного электроды как Одноразовая Электрохимический бумаги микрожидком рН Датчики
* These authors contributed equally
В этой статье
Краткое содержание
Аннотация
Снисходительный, управляемый, недорогой и зеленый электрохимический синтез IrO 2 -graphene наногибридный тонких пленок разработана для изготовления простой в использовании интегрированный бумаги микрожидкостных электрохимический датчик рН для условиях ограниченных ресурсов. Принимая преимущества от обоих рН - метры и полос, платформа датчиков рН состоит из гидрофобного барьерного узором бумаги micropad (μPAD) с использованием полидиметилсилоксана (PDMS), трафаретной печати электрод (SPE) , модифицированный Иро 2 -graphene пленок и формованных Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) пластиковый держатель. Серийное катодный потенциал задействуя был использован для оксида графена (GO) сокращения, которое может полностью удалить электрохимически нестабильные кислородсодержащих групп и генерировать 2D бездефектной однородное графена тонкую пленку с превосходной стабильностью и электронными свойствами. Однородная и гладкая IrO 2 пленка в наноразмерных размером зерна анодно электроосаждается на пленке графена, без каких - либонаблюдаемые трещины. Полученный IrO 2 -RGO электрод показал слегка супер-Нернста реакции от рН 2-12 в буферах с хорошей линейностью, малый гистерезис, низкое время отклика и воспроизводимостью в различных буферных растворах , а также низкой чувствительностью к различным мешая Britton-Robinson (BR) ионных частиц и растворенного кислорода. Простой портативный цифровой измеритель pH изготовлен, сигнал которого измеряется с помощью мультиметра, с помощью высокого входного импеданса операционного усилителя и потребительских батарей. Значения рН, измеренные с помощью переносных датчиков рН электрохимических бумажных Микрожидкостных согласуются с измеренными с использованием коммерческого метр лабораторный рН со стеклянным электродом.
Введение
Определение рН является повсеместным в пищевых продуктах, физиологических, медицинских и экологических исследований. Два наиболее распространенных инструментов для обнаружения рН являются полоски рН и рН-метры. Бумажные ленты пропитаны изменяющих цвет молекул индикатора рН, но показания иногда ограничены в диапазоне рН, субъективны и полуколичественный с некоторыми отклонениями. С другой стороны, рН-метр, обычно оборудован стеклянным электродом может измерять рН точно до 0,01 уровне, и дисплей с помощью цифрового интерфейса пользователя. рН-метры Lab на основе не только нуждаются в особом уходе в обслуживании и калибровке, но и не работают хорошо на малые объемы проб и часто требуют чистый контейнер, такой как стакан для выполнения измерений. Несмотря на свою чувствительность, селективность и стабильность, стеклянные электроды страдают от кислоты / щелочных ошибок, высокий импеданс, нестабильность температуры и механической хрупкости 1. Поэтому желательно иметь систему измерения рН, что embodе годы точность рН-метра и простотой и стоимостных аспектов полос рН.
Существует всегда неудовлетворенная потребность в таких инструментов в условиях ограниченных ресурсов во многих развивающихся регионах, где дорогая лаборатория на базе оборудования или коммерческих лабораторий по карману. Кроме того, повышение роли новых простых в использовании на месте зондирования платформ толкается таким требованием для обнаружения точки оказания медицинской помощи. Электрохимический обнаружение простой, легкий в миниатюризации и удовлетворительно чувствительны, как показали коммерциализированных КСН недорогих и различных систем мониторинга глюкозы на рынке. В качестве легкого, гибкого и одноразового использования пористого материала, бумаги может также иметь различные контролируемые характеристики, такие как различные размеры пор, функциональные группы, и впитыванию ставок.
В качестве подложки бумаги едва влияет аналита диффузию и электрохимическим детектированием 2-4, сочетание бумажных жидкостный устройств и электроаналитических методов имеет recentlу получил обширные интересы. Несомненным преимуществом таких комбинаций является небольшое количество объема образца, используемый в измерении, которое потенциально может предотвратить помехи от вибрации и конвекции в процессе измерений. Например, узорчатые микрофлюидальные колодки были применены к фитилю и доставить жидких проб для чувствительной области КСН для обнаружения ионов тяжелых металлов и глюкоза 2,5. Подобные устройства , использующие бумаги микрожидкостных электрохемилюминесценции были созданы для выполнения обнаружения NADH 4. Совсем недавно, простые электрохимическая бумажные микрофлюидальные устройства могут быть построены на предметном стекле с карандашных электродами 6 или с использованием фермента бумаги и КСН 3.
Наногибридный тонкопленочный материал , состоящий из IrO 2 и РГО был подготовлен с использованием легким и эффективным электрохимический подход. Мы обнаружили , что на неровной и шероховатой SPE графитовой поверхности углерода, анодно электроосаждается IrO 2 тонкая пленка не можетбыть гладкой и стабильной без помощи РГО. Полученный IrO 2 SPE -RGO был интегрирован в бумажный микрожидком устройство , которое узорной гидрофобные барьеры для зондирования рН. Собранное устройство показало отличные аналитические представления в зондировании рН с немного супер-Нернста поведения. Результаты сравнимы с обычным лабораторным на основе рН-метра со стеклянными электродами. И наконец, рентабельные м уменьшенных рН были построены на макете для измерения потенциала выходного сигнала холостого хода с помощью цифрового мультиметра. Измерения портативного рН-метра, хорошо коррелирует с результатами коммерческого метр лабораторный рН.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. μPAD и устройство подготовки
- Гравировка паз на нижней пластиковым держателем 500 мкм для размещения SPE с ABS или совместимого пластикового листа с помощью трехмерной (3D) фрезерного станка и фрезерного бит, который имеет 1,6 мм в диаметре. Удерживая SPE и μPAD твердо на месте во время тестирования с держателем (рис 1А).
- Сделайте штамп и вакуумный кожух с использованием синтетической смолы таблетки или совместимый пластиковый лист с выпуклыми и вогнутыми узорами, соответственно, на фрезерном станке 3D, для того, чтобы шаблон гидрофобные PDMS барьеров на блокнотов.
- Приготовить смесь из PDMS форполимера и сшивани в соотношении 10: 1, или как это было предложено производителем, смешать с лопаточкой и применить соответствующее количество на выпуклую поверхность штампа PDMS.
- Поместите штамп поверх фильтровальной бумаги площадку предварительно обрезать до нужного размера, а затем вакуумной крышкой на противоположной стороне штампа по бумаге. Применить Vācuгм до 30 с ручным приводом вакуумного насоса. Удалите бумажную прокладку из штампа и вакуумной крышкой и выпекать в конвекционной печи в течение 10 мин при 80 ° С , чтобы затвердеть узорчатую PDMS (рис 1б). Полученная бумага накладка имеет приблизительно 0,2 см область 2 кромкоправа и 1 см х 0,4 см гидрофильного образца затекания область.
Примечание: Следует принимать особые меры предосторожности на количество нанесенной PDMS и времени вакуума, чтобы избежать любого возможного загрязнения PDMS во внутреннем гидрофильной области фильтровальной бумаги, где жидкие образцы передаются.
2. Модификация КСН с IrO 2 -RGO наногибридный тонких пленок
- Капля отливать 3 мкл в подготовленных 1 мг ∙ мл -1 GO раствора на графитовом углерода рабочего электрода ДПО с микропипетки и дайте ему высохнуть при комнатной температуре в чашке Петри. Чистки рН 5,0 PBS буфера с N 2 в течение 20 мин, окунуть SPE в 10 мл деаэрированной PBS буфера, сохраняя при этом N <к югу> 2 течет, и проводят 100 циклов повторяющихся катодном циклирования потенциала от 0,0 до 1,5 В , чтобы уменьшить электрохимически GO в РГО. Ополосните SPE деионизированной водой в бутылке шприц и высушивают при комнатной температуре.
Примечание: Ну-расслоенные GO листов, стабилизированные электростатического отталкивания, взяты из графитового порошка с использованием модифицированного метода Хаммера, как сообщалось в другом месте 7. Однородность синтезированного РГО пленки имеет важное значение, так как он служит в качестве углеродного носителя для дальнейшего роста IrO 2 тонких пленок. - Сделать 100 мл раствора 2 УМС осаждения , состоящего из 0,15 г тетрахлорида иридия (IrCl 4), 0,6 мл 50% (вес / вес) пероксид водорода (H 2 O 2) и 0,5 г щавелевой кислоты обезвоживать, добавляя их в деионизированной воде. Постепенно добавить небольшое количество безводного карбоната калия при перемешивании до тех пор, пока рН не достигло 10,5, уточнена лабораторном на основе рН-метра. Затем раствор приобретал желтоватый. Старение раствора в течение 48 ч при комнатной temperatuповторно, то ее цвет, в конечном счете превращая бледно-голубым.
- Поместите RGO-SPE в указанном выше растворе осаждения и применяют постоянный потенциал +0,6 в течение 5 мин. Толщина УМС 2 тонких пленок можно точно контролировать потенциалом и времени осаждения.
- Подтверждение структуры чувствительной области с помощью СЭМ. Приобретать SEM изображения в соответствии с инструкциями в Научном центре материаловедения в Университете Висконсин-Мэдисон, как мы делали раньше 7.
3. Строительство недороги и портативный цифровой рН-метры
- Построить недорогой и миниатюрный рН - метр с цифровым дисплеем, подключив либо серии из двух операционных усилителей одного LF356N (Opamps) или одного INA111 высокоскоростного полевого транзистора (FET) -input измерительный усилитель (высокий входной импеданс> 10 12 Ω) на макете, чтобы достичь достаточно высокого внутреннего сопротивления для стабильных измерений.
Примечание: Все части легко переменного токаcessible из электронных магазинов и может быть легко собрана. - Используйте Иро 2 -RGO-SPE в качестве зонда рН и Opamps в качестве буфера усиления единства. Соединение двух заземленных 9 потребителей батареи V щелочные в серии для питания рН-метр и подключить провода в макете на основе стержневой компоновки Opamps.
- Подключите катод и анод к контактам 7 и 4. Подключите также положительные и отрицательные зонды цифрового мультиметра к контактам 6 и 5 соответственно Opamps для измерения показаний выходного напряжения и индикации. Справочные и рабочие электроды SPE подключены к контактам 2 и 3 соответственно. Подробные соединения показаны на рис 1D.
4. Измерения рН
- Приготовьте 100 мл BR буфера с 0,04 М эквимолярная фосфорной кислоты, уксусной кислоты и борной кислоты и смешивают с разными объемами (5, 25, 42, 60, 78 и 98) 0,2 М гидроксида натрия (NaOH) для достижения различных PHS из 2- 12 для калибровки.
- Locели с рисунком μPAD на верхней части чувствительной области. Крепление 60 мкл жидких образцов непосредственно микропипетки в гидрофильной области μPAD для впитывания. ΜPAD может удерживаться на месте с или без крышки ABS, когда он мочится.
- Измерьте сигнал напряжения между УМС 2 -RGO рабочего электрода и электрода сравнения Ag / AgCl в течение долгого времени с любой лаборатории на основе ХИ 660D электрохимического анализатора или портативного цифрового рН - метра, когда потенциалы разомкнутой цепи (OCP) , становятся устойчивым (потенциальный вариации <5%).
- Держите область зондирования мокрый путем погружения бумаги площадку в жидких образцов, подлежащих испытанию, если это необходимо, для достижения лучшего электрического контакта, а также стабильные и воспроизводимые результаты измерений в длительной эксплуатации. Регистрируемые значения установившихся OCP усредняются при каждом значении рН, чтобы определить, с калибровочной кривой.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Установка электрохимического IrO 2 -RGO-SPE датчик рН , включающего бумаги микрофлюидики показан на рисунке 1А. Узорчатую бумагу подушечка с PDMS гидрофобными барьерами был помещен на верхней части чувствительной области от IrO 2 -RGO-SPE , которая расположена на держателе АБС пластика. Чувствительный зона бумажной площадки была тщательно выровнена с поверхностью электрода. Раствор синего красителя водный метиленовый использовали для тестирования уз...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
Настройка устройства
Датчик рН работает путем измерения OCP между электродами рабочей и обращение, поскольку оно изменяется пропорционально отрицательный логарифм концентрации H +. Измерения могут быть достигнуты как с помощью лабораторной основе потенциостата, таких как CHI 660D и простого рН-метра, построенного на макете с чтением с помощью мультиметра. Два разных метра портативный рН были построены аналогично на макетах с использованием двух 9 В щелочные батаре...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторы не имеют конкурирующих финансовых интересов.
Благодарности
Эта работа была поддержана грантом от оборудования и политики (WEP) NSF Промышленность / университет Cooperative Research Center (I / UCRC) Вода. Авторы также благодарны Hjalmar Д. и Джанет В. Bruhn Объединении и Луи и Эльза Томсен Висконсин Отличаясь Graduate Fellowship предоставленного JY в UW-Madison
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Электроды с трафаретной печатью | Zensor | TE100 | 3-х электродные интегрированные |
| акрилонитрилбутадиенстирол (АБС) | |||
| Полидиметилсилоксан (PDMS) преполимер и смесь сшивающих агентов | Dow-Corning Co. | Sylgard 184 | 10:1 смесь с |
| фильтровальной бумагой Whatman No. 1 | Healthcare Co. | ||
| Система 3D-фрезерования | Roland DGA Co. | iModela IM-01 | |
| PDMS штамп и вакуумная крышка | Roland DGA Co. | Sanmodur | Таблетка синтетической смолы |
| Ручной вакуумный насос | Cole-Parmer Co. | ||
| Электрохимическая рабочая станция | CH Instruments | CHI 660D | |
| LF356N операционные усилители | Texas Instruments Inc. | ||
| INA111 быстродействующий инструментальный усилитель на полевых транзисторах (FET) и входе в аппаратуру | Burr-Brown Inc. | ||
| Цифровой мультиметр DMM914 | Компания Tektronix Inc. | 70979101 | |
| <сильный>От Фишера или Сигма: | |||
| тетрахлорид иридия (IrCl4)50 | |||
| % (w/w) перекись водорода (H2O2) | |||
| Дигидрат | |||
| Карбонат калия (K2CO3) | |||
| Фосфорная кислота | |||
| Уксусная кислота | |||
| Гидроксид натрия борной кислоты | |||
| (NaOH) | |||
| Na2HPO4 | |||
| 2HPO4 |
Ссылки
- 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).
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
