Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Изготовление Nafion покрытием, снижение графена оксид/полианилин Chemiresistive датчик pH монитора в реальном времени во время микробной ферментации

7.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/58422

⸱

7 января 2019 г.

 , 
1Products and Processes for Biotechnology, Engineering and Technology Institute Groningen, Faculty of Science and Engineering, University of Groningen

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы приводим протокол для изготовления Nafion покрытием, полианилин функционализированных, электрохимически снижение графена оксид chemiresistive микро рН датчика. Этот датчик на основе chemiresistor, твердотельный микро рН может обнаружить изменения рН в реальном времени во время процесса ферментации Lactococcus lactis .

Аннотация

Здесь мы приводим инженерных твердотельный микро рН датчик на основе графена полианилин функционализированных, электрохимически снижается оксида (ERGO-PA). Электрохимически снижение графена оксид действует как проведение слоя и полианилин действует как уровень pH фактора. PH-зависит от проводимости полианилин происходит путем давать допинг отверстий во время протонирование и dedoping отверстия во время deprotonation. Мы обнаружили, что ERGO-PA твердого электрода не функциональные как таковой в процессах ферментации. Электрохимически активных видов, которые бактерии производить во время процесса ферментации вмешиваться с ответом электрода. Мы успешно применяется Nafion как Протон проведение слой над ERGO-PA. Электроды с покрытием Nafion (ERGO-PA-NA) показывают хорошую чувствительность 1.71 Ω/pH (pH 4-9) для chemiresistive датчика измерения. Мы протестировали ERGO-PA-NA электрод в режиме реального времени в процессе брожения Lactococcus lactis. Во время роста л lactis, рН среды изменено с рН 7,2 рН 4.8 и сопротивление ERGO-PA-NA твердого электрода изменен с 294.5 Ω на 288.6 Ω (5.9 Ω на 2.4 единицу рН). Реакции рН электрода ERGO-PA-NA, по сравнению с ответом обычных на стеклянной основе рН электрода показывает, что ссылки менее твердотельных микропроцессоров массивы успешно функционировать в микробиологические ферментации.

Введение

рН играет жизненно важную роль во многих химических и биологических процессах. Даже небольшие изменения в значение пэ-аша изменить этот процесс и отрицательно повлиять на исход этого процесса. Следовательно необходимо отслеживать и контролировать значения pH во время каждой стадии экспериментов. На стеклянной основе рН электрод успешно используется для мониторинга рН во многих химических и биологических процессах, хотя использование Стеклянный электрод создает несколько ограничений для измерения рН. На стеклянной основе рН электрод является относительно большой, хрупкая, и возможны небольшие утечки электролита в выборку. Кроме того, электрод и электроники являются относительно дорогими для приложений в 96-луночных Скрининг систем ферментации. Кроме того электрохимические датчики являются инвазивными и потребляют образца. Следовательно это более выгодно использовать неинвазивный, ссылка менее датчики.

В настоящее время миниатюрных реакции систем являются предпочтительными во многих химической инженерии и биотехнологии, как эти microsystems обеспечивают укрепление процесса управления, вместе с много других преимуществ над их макрос аналогов системы. Для мониторинга и контроля параметров в миниатюрных система является сложной задачей, как размеры датчика для измерения, например, pH и O2, необходимо также быть сведены к минимуму. Успешное производство микрореакторы для биологических систем требуют различных видов аналитических инструментов для мониторинга процесса. Таким образом развитие интеллектуальных микросенсоров играет значительную роль в проведении биологических процессов в микрореакторы.

Недавно было несколько попыток разработать умный рН датчиков с помощью chemiresistive зондирования материалы как углеродные нанотрубки и проведение полимеров1. Эти датчики chemiresistive требуют не электрод сравнения и легко интегрируется с электронных схем. Успешное chemiresistive датчики позволяют производить смарт-датчики, которые являются экономически эффективным и легко производить, требуют небольшой объем для тестирования и неинвазивные.

Здесь мы приводим метод для разработки электрода с полианилин функционализированных, электрохимически снижается графена оксид. Электрод chemiresistive действует как датчик pH во время брожения lactis л . L. lactis является бактерия производства молочной кислоты используются в консервант процессах пищевой и продовольственной ферментации. В процессе брожения производства молочной кислоты снижает рН и бактерии перестает расти на низкий рН2,3,4.

Средство ферментации является сложной химической среду, которая содержит пептиды, солей и redox молекулы, которые склонны вмешиваться с датчика поверхности5,6,,78,9. Это исследование показывает, что рН датчик на основе chemiresistive материала с надлежащей защиты поверхности слой может использоваться для измерения pH в такого рода сложных ферментации СМИ. В этом исследовании, мы успешно используем Nafion как защитный слой оксида полианилин покрытием, электрохимически снижается графена для измерения pH в реальном времени во время брожения lactis л .

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка оксида графита

Примечание: Оксида графита готовится согласно Хаммеры метод10,11.

  1. Добавьте 3 g графита в 69 мл концентрированной H24 и перемешать раствор до графит полностью рассеяны. Добавить 1,5 г натрия нитрита и оставить на 1 час при помешивании. Затем поместите контейнер в ледяной бане.
  2. Добавить 9 g перманганата калия в дисперсии и удалить контейнер из ледяной бане. Дайте раствору для разогрева до комнатной температуры.
  3. Во-первых каплям добавьте 138 мл дистиллированной воды. Затем по-прежнему добавлять 420 мл дистиллированной воды. Поддержание температуры на 90 ° C в течение 15 мин, с использованием плитой. Добавьте 7,5 мл 30% перекиси водорода в дисперсии.
  4. Соберите продукт центрифугированием на 10000 x g 20 мин и надосадочную. Помыть лепешка 4 x с теплой двойной дистиллированной водой и 2 x 10% раствором HCl (v/v). Наконец, мыть его 2 x с этанолом и высушить при 50 ° C в духовке.

2. хранение GO электрода подготовка

  1. Разогнать 10 мг оксида графита в 10 мл воды и затем sonicate в ультразвуковой ванне на 6 ч.
  2. Удалить хлопья оксид unexfoliated графит центрифугированием на 30 мин в 2700 x g. выброса твердых частиц после центрифугирования и использовать супернатант для дальнейших экспериментов.
    Примечание: Мы использовали этот вспученного дисперсии хлопья GO как Стоковый раствор.
  3. Разбавьте GO Стоковый раствор два раза. Всегда готовить свежий раствор рабочих перейти от Стоковый раствор.
  4. 2 мкл рабочего раствора идти на вершине подвергаются штыревой золото электрода (рис. 1A и 2). После падения литья сухие электрода при комнатной температуре в течение 12 ч. Это GO-хранение электрода.

3. сокращение GO электрохимически снижение графена оксид

  1. Вставьте электрода в держатель электрода полидиметилсилоксан (PDMS) (Нижняя часть). Место в другой части держателя электрода, который служит решение водохранилище, на вершине электрода, как показано в рисунке 1A - 1 C. Соберите держатели, отсечения две части вместе, используя две скрепки. Убедитесь, что держатель PDMS не покрывать часть GO-хранение электрода.
  2. Накапайте 300 мкл 0,2 М фосфатного буфера (рН 7) в резервуаре. Затем место ссылки и Счетчик электрода в решении таким образом, что электроды расположены близко к поверхности по ходу фильма, как показано на рисунке 1 c. Эта настройка служит электрохимической ячейки для выполнения электрохимических сокращения GO и полианилин осаждения.
  3. Подключите электроды с потенцио, подключенного к компьютеру для сбора данных. Используйте циклической вольтамперометрии для электрохимических сокращения: выберите 0 -1,2 V как потенциальный диапазон и 50 м/с, а скорость сканирования. Цикл над электродом напряжения от 0 до -1,2 V 10 x (рис. 3).
  4. После эксперимента извлеките из держателя электрода и неоднократно промойте его с двойной дистиллированной водой. Затем сухие электрод в духовке на 101 ° C в течение 12 ч.
  5. Когда электрод является сухой, удалить электрода из духовки и дайте ему остыть до комнатной температуры. Затем измеряют проводимость электрода с мультиметром. Электрод теперь называется электрохимически снижение графена оксид (ERGO) электрода.

4. полианилин функционализация Эрго электрод

  1. Подготовиться полианилин функционализации анилин мономера 10 мм. Таким образом растворяют 5 мкл 10 мм анилина в 5 мл 1 М H24.
  2. Для полианилин функционализации добавьте 300 мкл анилин мономера в водохранилище решения. Место электрода на хранение ERGO в держатель электрода, как описано в процедуре сокращения GO.
  3. Использовать циклической вольтамперометрии для electropolymerization анилина functionalize ERGO в ERGA-полианилин (ERGO-PA): выберите 0-0,9 V как потенциальный диапазон и 50 м/с, а скорость сканирования. Цикл над электродом напряжения между 0 до 0,9 V 50 x (рис. 4).
  4. После осаждения полианилин удалите электрода и неоднократно промойте его с двойной дистиллированной водой. Затем сухие электрода при 80 ° C в духовке в течение 12 ч.
  5. Удалить электрода из духовки и дайте ему остыть до комнатной температуры перед началом измерения проводимости электрода с мультиметром.
  6. Подготовьте буферный раствор рН 5 путем добавления 0,2 М NaOH Бриттон-Робинсон буферного раствора до рН 5 (см. шаг 5.1). Держите электрод в буфере при рН 5 за 24 ч.
    1. Подготовить Бриттон-Робинсон универсальный буферный раствор, смесь 0,04 мол фосфорной кислоты, 0,04 мол уксусной кислоты и 0,04 mol борной кислоты в 0,8 Л ультрачистая вода. Добавление гидроксида натрия 0,2 М каплям буферного раствора до достижения желаемого pH4. Добавление ультрачистая вода до тех пор, пока окончательный объем составляет 1 л.

5. ERGO-PA электрода тестирование на различных рН (Предсессионная калибровки до Nafion покрытие)

  1. После кондиционирования электрод в буферный раствор рН 5, измерить сопротивление электродов в решениях различных рН (от pH 4 до pH 9; см. Рисунок 5).
    1. Для этого измерения окунуть электрода непосредственно в буферный раствор и соедините с другой частью электрода потенцио управляемая компьютером для получения данных. Измените рН титрования с 0,2 М NaOH.
    2. Выберите хронопотенциометрии или amperometry i-t кривой из списка методов и применять 100 mV разность к электроду.
      Примечание: Потенцио измеряет ток против времени. Программное обеспечение, управление потенцио обеспечивает графическое представление текущего времени.
    3. Использовать закон Ома (сопротивление равно напряжения, разделенных тока) для вычисления значения сопротивления от измеренного напряжения текущих и прикладной.
  2. После измерения сухие электрода при комнатной температуре в течение 12 ч.

6. Подготовка электрода с покрытием Nafion Эрго PA

  1. 5 мкл 5 wt % Nafion поверх ERGO-PA электрода и сухой электрода при комнатной температуре в течение 12 ч.
  2. После покрытия Nafion, держите электрод в буферном растворе при рН 5 за 24 ч до рН измерения.
  3. После выдерживания в рН 5, удалите Nafion покрытием ERGO-PA электрода (ERGO-PA-NA) и измерить сопротивление электродов от рН 4 до pH 9, как указано в разделе 5.1 (рис. 6).

7. Подготовка л lactis питательной среды

  1. Добавление 9.3 g порошка M17 в 250 мл сверхчистой воды. Медленно агитируйте решения до тех пор, пока порошок растворяется полностью. Автоклав раствор при температуре 121 ° C 15 мин.
  2. Возьмите 250 мл стерилизованные колбу с баром магнитной мешалкой и добавить 50 мл стерилизовать среды M17 в колбу. Затем добавьте 8 мл раствора глюкозы газобетона 1 М. Прививать решение с 10 мкл л lactis культуры, ранее выращенных в той же среде культуры.
    Примечание: Бактериальный штамм был получен от Jan Кок, молекулярной генетики, Университет Гронингена.
  3. Поместите колбу с привитых питательной среды для 18 h на магнитной мешалкой пластину в духовке инкубации при 30 ° C во время перемешивания и контролировать pH.

8. Тестирование ERGO-PA-NA рН ответ в эксперименте ферментации lactis л

  1. Место ERGO-PA-NA электрода в л lactis культуру и закрыть его с вилкой хлопка. Затем место установки в термостат при 30 ° C расти lactis л.
  2. Применить 100 mV электродов и измерения тока против времени.
  3. Возьмите 0.5 мл пробы в разное время точках (см., например, рис. 7) off-line измерения оптической плотности на 600 Нм и с обычными Стеклянный электрод pH. Продолжайте измерения оптической плотности культуры становится постоянной, указав, что бактерии не растут больше.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Появление сильного сокращения пик -1,0 V (рис. 3) иллюстрирует сокращение GO до ERGO12,13,14,22. Интенсивность пика зависит от количества слоев идти на электроде. Толстый черный фильм полностью покрыт Золотой провода на электроде. В тот момент две изолированные Золотые электроды были проводящего, потому что идти подключены два прово...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Важно, что идти полностью слои покрытия золото электродами провода после осаждения GO. Если Золотые электроды покрыты не идти, полианилин будет не только депозит на ERGO, но также на видимых золотых электродов провода непосредственно. Осаждения полианилин на золото электродами провода могут иметь последствия для производительности электрода. После сокращения пойти ERGO электрод сушится при 100 ° C укрепить связь между слоем ERGO и золото электродами провода. Сопротивление каждого электрода зависит количество слоев GO, ко...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Авторы признают Университет Гронингена для финансовой поддержки.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Графитовые хлопьяСигма Олдрич
Серная кислота (H2SO4)Merck
(NaNO2)Сигма Олдрич
перманганат калия (KMnO4)Сигма Олдрич
30 % H2O2Сигма Олдрич
HCLMerck
АнилинSigma Aldrich
5wt % NafionSigma Aldrich
M17 порошокBD Difco
Фосфорная кислота (H3PO4)Sigma Aldrich
Борная кислота (HBO3)Merck
Уксусная кислотаMerck
Гидроксид натрияSigma Aldrich
Дигидрофосфат калияSigma Aldrich
Dipostassium гидрофосфатSigma Aldrich
Au Interdigitated electrodesBVT технология - CC1 W1
PotentiostatCH Instruments Inc (CH-600, CH-700)
Нитрит натрия

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Мониторинг pHпокрытие Nafionфункционализация полианилиномLactococcus lactisэлектрохимическое восстановлениециклическая вольтамперометрияизмерения в режиме реального времени
Изготовление Nafion покрытием, снижение графена оксид/полианилин Chemiresistive датчик pH монитора в реальном времени во время микробной ферментации
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.