Engineering

डिस्पोजेबल विद्युत कागज Microfluidic पीएच सेंसर के रूप में इरिडियम ऑक्साइड कम graphene ऑक्साइड Nanohybrid पतला फिल्मी संशोधित स्क्रीन मुद्रित इलेक्ट्रोड्स

Published: November 22, 2016 doi: 10.3791/53339

Jiang Yang^1,2, Tae-Joon Kwak³, Xiaodong Zhang⁴, Robert McClain⁵, Woo-Jin Chang*^3,6, Sundaram Gunasekaran*¹

¹Department of Biological Systems Engineering, University of Wisconsin-Madison, ²Environment, Energy and Natural Resources Center, Department of Environmental Science and Engineering, Fudan University, ³Department of Mechanical Engineering, University of Wisconsin-Milwaukee, ⁴Department of Physics, School of Science, Tianjin University, ⁵Department of Chemistry, University of Wisconsin-Madison, ⁶School of Freshwater Sciences, University of Wisconsin-Milwaukee

* These authors contributed equally

Summary

अध्ययन एक नमूनों कागज fluidic मंच के साथ इरिडियम आक्साइड कम graphene ऑक्साइड की वृद्धि (Iro ₂ -RGO) nanohybrid एक हरे रंग की विद्युत संश्लेषण के माध्यम से अनियमित और किसी न किसी स्क्रीन मुद्रित कार्बन सब्सट्रेट पर पतली फिल्मों, और एक पीएच संवेदक के रूप में उनके कार्यान्वयन को दर्शाता है ।

Abstract

Iro ₂ -graphene nanohybrid पतली फिल्मों के एक सतही चलाया, सस्ती और हरे रंग की विद्युत संश्लेषण एक आसान करने के लिए उपयोग एकीकृत कागज microfluidic विद्युत पीएच संसाधन सीमित सेटिंग्स के लिए सेंसर बनाना करने के लिए विकसित की है। दोनों पीएच मीटर और स्ट्रिप्स से लाभ ले रहा है, पीएच संवेदन मंच हाइड्रोफोबिक बाधा नमूनों कागज micropad (μPAD) polydimethylsiloxane (PDMS) का उपयोग कर से बना है, स्क्रीन मुद्रित इलेक्ट्रोड (एसपीई) Iro ₂ -graphene फिल्मों के साथ संशोधित और ढाला acrylonitrile butadiene styrene (एबीएस) प्लास्टिक धारक। दोहराव कैथोडिक संभावित साइकिल चालन graphene ऑक्साइड (जाओ) में कमी है जो पूरी तरह से उत्कृष्ट स्थिरता और इलेक्ट्रॉनिक गुणों के साथ electrochemically अस्थिर ऑक्सीजन समूहों को एक 2 डी दोष मुक्त सजातीय graphene पतली फिल्म हटाने और उत्पन्न कर सकते हैं के लिए नियुक्त किया गया था। एक समान और nanoscale अनाज के आकार में चिकनी Iro ₂ फिल्म anodically graphene फिल्म पर electrodeposited है, बिना किसी भीनमूदार दरारें। जिसके परिणामस्वरूप Iro ₂ -RGO इलेक्ट्रोड BRITTON-रॉबिन्सन (बीआर) अच्छा linearity, छोटे हिस्टैरिसीस, कम प्रतिक्रिया समय और reproducibility अलग बफ़र्स में, साथ ही कम संवेदनशीलता अलग दखल के साथ बफ़र्स में पीएच 2-12 से थोड़ा सुपर Nernstian प्रतिक्रियाओं से पता चला ईओण प्रजातियों और भंग ऑक्सीजन। एक साधारण पोर्टेबल डिजिटल पीएच मीटर निर्मित है, जिसका संकेत एक मल्टीमीटर के साथ मापा जाता है, उच्च इनपुट प्रतिबाधा परिचालन एम्पलीफायर और उपभोक्ता बैटरी का उपयोग। पोर्टेबल विद्युत कागज microfluidic पीएच सेंसर के साथ मापा जाता पीएच मान एक गिलास इलेक्ट्रोड के साथ एक वाणिज्यिक प्रयोगशाला पीएच मीटर का उपयोग करके मापा उन लोगों के साथ संगत कर रहे थे।

Introduction

पीएच के निर्धारण के भोजन, शारीरिक, औषधीय और पर्यावरण अध्ययन में सर्वव्यापी है। पीएच का पता लगाने के लिए दो सबसे आम उपकरण पीएच स्ट्रिप्स और पीएच मीटर की दूरी पर हैं। कागज स्ट्रिप्स रंग बदलने पीएच सूचक अणुओं के साथ गर्भवती हैं लेकिन कभी कभी पढ़ने पीएच पर्वतमाला, व्यक्तिपरक और अर्द्ध मात्रात्मक कुछ विचलन के साथ में सीमित है। दूसरी ओर, एक पीएच पारंपरिक एक गिलास इलेक्ट्रोड के साथ सुसज्जित मीटर एक डिजिटल यूजर इंटरफेस से 0.01 के स्तर पर, और प्रदर्शन करने के लिए सही पीएच उपाय कर सकते हैं। प्रयोगशाला आधारित पीएच मीटर की दूरी पर ही नहीं, रखरखाव और अंशांकन में विशेष देखभाल की जरूरत है, लेकिन यह भी छोटा सा नमूना संस्करणों की दिशा में अच्छी तरह से काम नहीं करते हैं और अक्सर इस तरह के एक बीकर माप प्रदर्शन करने के लिए के रूप में एक साफ कंटेनर की आवश्यकता होती है। अपनी संवेदनशीलता, चयनात्मकता और स्थिरता के बावजूद, कांच इलेक्ट्रोड एसिड / क्षारीय त्रुटियों, उच्च प्रतिबाधा, तापमान अस्थिरता और यांत्रिक कमजोरी ¹ से ग्रस्त हैं। इसलिए यह एक पीएच माप प्रणाली है कि embod राशि के लिए फायदेमंद हैपीएच मीटर और पीएच स्ट्रिप्स की सादगी और लागत पहलुओं की सटीकता ies।

वहाँ हमेशा कई विकासशील क्षेत्रों में जहां महंगा प्रयोगशाला आधारित उपकरण या वाणिज्यिक प्रयोगशालाओं unaffordable हैं में सीमित संसाधनों की शर्तों के तहत इस तरह के उपकरणों के लिए एक unmet की आवश्यकता है। इसके अलावा, नए आसान करने के लिए उपयोग साइट पर संवेदन प्लेटफार्मों की बढ़ती भूमिका बिंदु का ख्याल पता लगाने के लिए इस तरह के एक मांग से धकेल दिया है। के रूप में commercialized कम लागत वाली SPEs और बाजार पर विभिन्न ग्लूकोज मॉनिटरिंग सिस्टम के द्वारा प्रदर्शन किया विद्युत का पता लगाने, सरल miniaturize के लिए आसान और संतोषजनक ढंग से संवेदनशील है। एक, प्रकाश लचीला और डिस्पोजेबल झरझरा सामग्री के रूप में, कागज भी इस तरह के अलग अलग ताकना आकार, कार्य समूहों, और बाती दरों के रूप में विभिन्न चलाया विशेषताओं, हो सकता है।

कागज सब्सट्रेट मुश्किल से analyte प्रसार और विद्युत का पता लगाने ^{में 2-4,} कागज fluidic उपकरणों और तकनीकों के संयोजन electroanalytical recentl है को प्रभावित करता हैY व्यापक हितों को प्राप्त किया। ऐसे संयोजनों की एक स्पष्ट लाभ माप है जो संभावित माप के दौरान कंपन और संवहन से हस्तक्षेप को रोका जा सकता में इस्तेमाल नमूना मात्रा की छोटी राशि है। उदाहरण के लिए, नमूनों microfluidic पैड बाती और भारी धातु आयनों का पता लगाने के लिए SPEs की संवेदन क्षेत्र के लिए तरल के नमूने देने और ^2,5 ग्लूकोज में लागू किया गया। कागज microfluidic electrochemiluminescence का उपयोग करते हुए इसी तरह के उपकरणों का पता लगाने NADH ⁴ पूरा करने के लिए स्थापित किए गए थे। हाल ही में, सरल विद्युत कागज microfluidic उपकरणों पेंसिल इलेक्ट्रोड ⁶ या एंजाइम कागज और SPEs ³ का उपयोग के साथ एक गिलास स्लाइड पर बनाया जा सकता है।

एक nanohybrid पतली फिल्म Iro ₂ और RGO की रचना की सामग्री एक सतही और कुशल विद्युत दृष्टिकोण का उपयोग कर तैयार किया गया था। हम अनियमित और किसी न किसी विशेष काले सीसे कार्बन सतह पर पाया कि, anodically electrodeposited Iro ₂ पतली फिल्म नहीं कर सकतेचिकनी और स्थिर RGO की सहायता के बिना हो। जिसके परिणामस्वरूप Iro ₂ -RGO एसपीई एक कागज microfluidic युक्ति है जो पीएच संवेदन के लिए हाइड्रोफोबिक बाधाओं नमूनों है में एकीकृत किया गया। इकट्ठे डिवाइस एक से थोड़ा सुपर Nernstian व्यवहार के साथ पीएच संवेदन में उत्कृष्ट प्रदर्शन के विश्लेषणात्मक दिखाया। परिणाम कांच इलेक्ट्रोड के साथ एक पारंपरिक प्रयोगशाला आधारित पीएच मीटर करने के लिए तुलना कर रहे हैं। अन्त में, लागत प्रभावी छोटी पीएच मीटर की दूरी पर एक डिजिटल मल्टीमीटर के साथ खुले सर्किट संभावित उत्पादन में संकेत को मापने के लिए एक breadboard पर बनाया गया था। पोर्टेबल पीएच मीटर की माप में अच्छी तरह से एक वाणिज्यिक प्रयोगशाला पीएच मीटर के लोगों के साथ संबद्ध।

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Protocol

1. μPAD और उपकरण तैयारी

एक ABS या तीन आयामी (3 डी) मिलिंग मशीन और मिलिंग सा जो व्यास का 1.6 मिमी है द्वारा संगत प्लास्टिक शीट के साथ विशेष घर के नीचे प्लास्टिक धारक पर एक 500 माइक्रोन नाली खोदना। धारक (चित्रा 1 ए) के साथ परीक्षण के दौरान जगह में मजबूती से एसपीई और μPAD पकड़ो।
कागज पैड पर पैटर्न हाइड्रोफोबिक PDMS बाधाओं के क्रम में एक डाक टिकट और एक वैक्यूम सिंथेटिक राल गोली या उत्तल और अवतल पैटर्न, क्रमशः के साथ संगत प्लास्टिक शीट का उपयोग कर कवर, 3 डी मिलिंग मशीन द्वारा, बनाओ।
1. 10 के अनुपात में पूर्व बहुलक PDMS और पार लिंकर का एक मिश्रण तैयार: 1 या के रूप में निर्माता ने सुझाव दिया है, रंग के साथ मिश्रण और PDMS टिकट के उत्तल सतह पर उचित मात्रा में लागू होते हैं।
एक फिल्टर पेपर पैड वांछित आकार और फिर कागज भर में टिकट के विपरीत दिशा में वैक्यूम कवर करने के लिए पूर्व में कटौती के शीर्ष पर स्टांप रखें। VACU लागू करेंउम एक हाथ से संचालित वैक्यूम पंप से अप करने के लिए 30 सेकंड के लिए। स्टांप और वैक्यूम कवर से कागज पैड निकालें, और 80 डिग्री सेल्सियस पर 10 मिनट के लिए एक संवहन ओवन में सेंकना नमूनों PDMS (चित्रा 1 बी) कड़ा करने के लिए। जिसके परिणामस्वरूप कागज पैड एक लगभग 0.2 सेमी ² संवेदन क्षेत्र और 1 सेमी x 0.4 सेमी हाइड्रोफिलिक नमूना बाती क्षेत्र है।
नोट: फिल्टर पेपर जहां तरल नमूने स्थानांतरित कर रहे हैं के भीतरी हाइड्रोफिलिक क्षेत्र में किसी भी संभावित PDMS संक्रमण से बचने के एप्लाइड PDMS और वैक्यूम समय की राशि पर विशेष चेतावनी देते लो।

Iro ₂ -RGO Nanohybrid पतली फिल्मों के साथ SPEs 2. संशोधन

बूंद के रूप में तैयार 1 मिलीग्राम ∙ मिलीलीटर की 3 μl ^-1 एक micropipette के साथ विशेष के काले सीसे कार्बन काम कर इलेक्ट्रोड पर समाधान जाना है और यह एक पेट्री डिश में कमरे के तापमान पर दो सूखी डाली। 20 मिनट के लिए एन ₂ के साथ एक पीएच 5.0 पीबीएस बफर शुद्ध, 10 मिलीलीटर में विशेष डुबकी पीबीएस बफर deaerated एन <रखते हुएउप> 2 बह रही है, और 0.0 -1.5 वी से दोहराए कैथोडिक संभावित साइकिल के 100 चक्र का संचालन electrochemically RGO में जाना कम करने के लिए। एक धार बोतल में डि पानी के साथ विशेष कुल्ला और कमरे के तापमान पर सूखी।
नोट: ठीक-exfoliated जाओ चादरें, इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण द्वारा स्थिर, ग्रेफाइट पाउडर संशोधित हथौड़ा विधि का प्रयोग कर के रूप में कहीं ⁷ सूचना से हैं। के रूप में संश्लेषित RGO फिल्म की एकरूपता महत्वपूर्ण है क्योंकि यह Iro ₂ पतली फिल्मों के आगे के विकास के लिए कार्बन समर्थन के रूप में कार्य करता है।
(IrCl ₄₎ 0.15 छ इरीडियम टेट्राक्लोराइड की रचना की 100 मिलीलीटर Iro ₂ बयान समाधान, 0.6 मिलीग्राम 50% (डब्ल्यू डब्ल्यू /) हाइड्रोजन पेरोक्साइड (एच ₂ ओ ₂₎ और 0.5 ग्राम oxalic एसिड उन्हें डि पानी में जोड़कर निर्जलीकरण बनाओ। सरगर्मी जबकि जब तक पीएच 10.5 पर पहुंच गया, एक प्रयोगशाला आधारित पीएच मीटर द्वारा सत्यापित धीरे-धीरे निर्जल पोटेशियम कार्बोनेट की छोटी राशि जोड़ सकते हैं। फिर, समाधान पीले रंग बदल गया। कमरे temperatu पर 48 घंटे के लिए समाधान एजिंगफिर से, तो उसका रंग अंत में हल्के नीले रंग बदल रहा है।
ऊपर बयान समाधान में RGO-एसपीई रखो और 5 मिनट के लिए 0.6 वी के एक निरंतर संभावित लागू होते हैं। Iro ₂ पतली फिल्मों की मोटाई ठीक बयान क्षमता और समय के द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है।
SEM द्वारा संवेदन क्षेत्र की संरचना की पुष्टि करें। विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय में सामग्री विज्ञान केन्द्र में निर्देशों का पालन SEM छवियों का मोल, जैसा कि हम ⁷ से पहले किया था।

3. सस्ता और पोर्टेबल डिजिटल पीएच मीटर का निर्माण

या तो दो एकल LF356N परिचालन एम्पलीफायरों (opamps) या एक INA111 उच्च गति क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर (FET) -Input उपकरण एम्पलीफायर की एक श्रृंखला में plugging द्वारा डिजिटल डिस्प्ले के साथ एक सस्ती और छोटी पीएच मीटर निर्माण (उच्च इनपुट प्रतिबाधा> 10 से ¹² Ω) breadboard पर स्थिर माप के लिए पर्याप्त रूप से उच्च आंतरिक प्रतिबाधा प्राप्त करने के लिए।
नोट: सभी भागों को आसानी से एसी हैंइलेक्ट्रॉनिक स्टोर से cessible और आसानी से इकट्ठा किया जा सकता है।
पीएच जांच और एकता लाभ बफर के रूप में opamps के रूप में Iro ₂ -RGO-विशेष का प्रयोग करें। पीएच मीटर सत्ता और breadboard opamps की पिन लेआउट पर आधारित में तारों में प्लग करने के लिए श्रृंखला में दो आधारित 9 वी क्षारीय उपभोक्ता बैटरी कनेक्ट करें।
पिन से 7 कैथोड और एनोड कनेक्ट और 4. भी क्रमश: 6 और पिन opamps के 5 के लिए एक डिजिटल मल्टीमीटर के सकारात्मक और नकारात्मक जांच कनेक्ट उत्पादन में वोल्टेज और प्रदर्शन रीडिंग को मापने के लिए। संदर्भ और विशेष के लिए काम कर इलेक्ट्रोड पिन 2 और 3 तदनुसार से जुड़े हैं। विस्तृत कनेक्शन चित्रा -1 में दिखाया जाता है।

4. पीएच माप

0.04 एम equimolar फॉस्फोरिक एसिड, एसिटिक एसिड और बोरिक एसिड के साथ 100 मिलीलीटर बीआर बफ़र्स तैयार है और 2 से अलग PHS प्राप्त करने के लिए 0.2 एम सोडियम हाइड्रोक्साइड (NaOH) के विभिन्न संस्करणों (5, 25, 42, 60, 78 और 98) के साथ मिश्रण जांच के लिए 12।
नियंत्रण रेखासंवेदन क्षेत्र के शीर्ष पर μPAD नमूनों खा लिया। माउंट 60 μl तरल नमूने सीधे बाती के लिए μPAD की हाइड्रोफिलिक क्षेत्र में एक micropipette द्वारा। μPAD, के साथ या एबीएस कवर के बिना जगह में आयोजित किया जा सकता है जब यह गीला है।
Iro ₂ -RGO काम कर इलेक्ट्रोड और या तो एक प्रयोगशाला आधारित ची 660D विद्युत विश्लेषक या पोर्टेबल डिजिटल पीएच मीटर, जब खुले सर्किट क्षमता (ओसीपी) स्थिर हो जाते हैं के साथ समय पर एजी / AgCl संदर्भ इलेक्ट्रोड के बीच वोल्टेज संकेत (क्षमता को मापने बदलाव के 5% <)।
संवेदन क्षेत्र तरल नमूनों में कागज पैड डुबो कर रखें गीला परीक्षण किया जाना है, अगर जरूरत है, लंबी अवधि के संचालन में बेहतर बिजली के संपर्क के रूप में अच्छी तरह से स्थिर है और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य रीडिंग प्राप्त करने के लिए। रिकॉर्डेड स्थिर राज्य ओसीपी मूल्यों प्रत्येक पीएच मान पर औसत रहे हैं एक अंशांकन वक्र निर्धारित करने के लिए।

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Representative Results

विद्युत Iro ₂ -RGO-एसपीई पीएच संवेदक को शामिल कागज microfluidics की स्थापना चित्रा 1 ए में दिखाया गया है। PDMS हाइड्रोफोबिक बाधाओं के साथ नमूनों कागज पैड Iro ₂ -RGO-विशेष की संवेदन क्षेत्र है जो एबीएस प्लास्टिक धारक पर स्थित के शीर्ष पर रखा गया था। कागज पैड की संवेदन क्षेत्र सावधानी इलेक्ट्रोड सतह के साथ गठबंधन किया था। एक जलीय methylene नीले डाई समाधान नमूनों कागज पैड परीक्षण करने के लिए इस्तेमाल किया गया था और के रूप में मनाया, नमूने हाइड्रोफोबिक बाधाओं द्वारा विनियमित fluidic मार्ग के साथ हाइड्रोफिलिक क्षेत्रों (चित्रा 1 बी) में बाती। SEM छवियों विद्युत कमी तकनीक द्वारा 2 डी दोष मुक्त सजातीय graphene पतली फिल्म के एक गठन, और भी electrodeposition द्वारा कोई नमूदार दरारें बिना वर्दी और चिकनी Iro ₂ फिल्म के एक संश्लेषण (2A चित्रा और सी) से पता चलता है। जिसके परिणामस्वरूप Iro ₂ -RGO इलेक्ट्रोड थोड़ा समर्थन से पता चलाBRITTON-रॉबिन्सन (बीआर) थोक समाधान और कागज (चित्रा 3 ए) के दोनों में अच्छा linearity के साथ बफ़र्स में पीएच 2-12 से एर-Nernstian प्रतिक्रियाओं, छोटे हिस्टैरिसीस चौड़ाई (चित्रा 4 बी) और भंग ऑक्सीजन (चित्रा 3 बी) के लिए कम संवेदनशीलता। पोर्टेबल विद्युत कागज microfluidic पीएच सेंसर के साथ मापा जाता पीएच मान एक गिलास इलेक्ट्रोड (चित्रा 5 ए) का उपयोग वाणिज्यिक प्रयोगशाला पीएच मीटर के साथ संगत कर रहे थे।

आकृति 1
चित्रा 1: (ए) विद्युत कागज microfluidic पीएच संवेदन के लिए स्थापना के योजनाबद्ध आरेख: (1) Iro ₂ -RGO-एसपीई, (2) नमूना और पता लगाने के लिए microfluidic कागज पैड, (3) एबीएस प्लास्टिक धारक आवास एसपीई। (बी) microfluidic कागज पैड एक डाई समाधान से दुष्ट के फोटो: बाती (2) पीएपी के लिए (1) हाइड्रोफिलिक नमूने क्षेत्रएर नमूना वितरण (3) SPEs में संवेदन क्षेत्र के लिए microfluidic चैनल (4) डिवाइस धारण करने के लिए हाइड्रोफोबिक PDMS द्वारा नमूनों (5) क्षेत्र बाधाओं। (सी) अलग breadboard पर बनाया सर्किट के साथ दो पोर्टेबल पीएच उपकरणों को मापने (विस्तृत सर्किट अनुपूरक जानकारी में दिखाया जाता है): (1) काम कर इलेक्ट्रोड (2) संदर्भ इलेक्ट्रोड (3) सकारात्मक जांच (4) एक मल्टीमीटर के नकारात्मक जांच (5) बैटरी कैथोड (6) एनोड (7) बैटरी आधारित (8) 10 MΩ लाभ अवरोध (9) 10 MΩ लोड रोकनेवाला (10) पर आधारित। (डी) INA111 और Iro ₂ -RGO-विशेष के साथ बनाया गया पोर्टेबल विद्युत कागज fluidic पीएच सेंसर के कनेक्शन आरेख। (ई) अलग पीएच मान पर LF365N एकीकृत सर्किट के साथ पोर्टेबल विद्युत कागज microfluidic पीएच डिवाइस का उपयोग खुले सर्किट क्षमता के ठेठ डिजिटल रीडिंग। इस का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करेंचित्रा।

चित्र 2
चित्रा 2: के SEM छवियों (ए) RGO (बी) Iro ₂ और (सी) RGO-Iro ₂ -modified SPEs। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3:।। बीआर बफर के थोक समाधान में या हवा या एन ₂ (सी) के विभिन्न बफर सिस्टम में साथ संतृप्त बीआर बफ़र्स में microfluidic कागज (बी) का उपयोग RGO-Iro अलग PHS में ₂ SPEs का पीएच प्रतिक्रियाओं (ए) पर क्लिक करें यहाँ एक देखने के लिएयह आंकड़ा का बड़ा संस्करण।

चित्रा 4: (ए) 4 पीएच, 8 और बीआर बफर में 10 पर RGO-Iro ₂ SPEs के संभावित समय घटता। (बी) RGO-Iro के हिस्टैरिसीस चौड़ाई 2-12-2 और 12-2-12 के पाश चक्र के साथ अलग अलग पीएच पर बीआर बफ़र्स में ₂ SPEs। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5: RGO-Iro अलग PHS पर बीआर बफर में ₂ SPEs का पीएच प्रतिक्रियाओं (ए) ग्लास इलेक्ट्रोड (बी) के साथ एक मानक वाणिज्यिक पीएच मीटर के साथ संबंध अलग देव द्वारा माप की तुलना।ices। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

उपकरण सेटप

पीएच सेंसर, काम और संदर्भ इलेक्ट्रोड के बीच ओसीपी को मापने के द्वारा काम करता है के बाद से यह एच ⁺ एकाग्रता के नकारात्मक लघुगणक को आनुपातिक रूप बदल जाता है। माप ऐसे ची 660D और सरल पीएच मीटर मल्टीमीटर द्वारा पढ़ने के साथ breadboard पर निर्माण के रूप में एक प्रयोगशाला आधारित potentiostat द्वारा दोनों को हासिल किया जा सकता है। दो अलग अलग पोर्टेबल पीएच मीटर की दूरी पर दो 9 वी क्षारीय बैटरी, एक डिजिटल मल्टीमीटर का उपयोग, के रूप में संश्लेषित Iro ₂ -RGO-विशेष और अलग opamps, जो दो धारावाहिक LF356N या एक INA111 है breadboards पर इसी तरह से बनाया गया था। ऐसे पीएच मीटर की पूरी लागत सहित $ 1 डिस्पोजेबल पीएच iro की शांति के लगभग ₂ -RGO-SPEs (लागत और रासायनिक तैयारी और विद्युत बयानों का संचालन करने के लिए समय शामिल नहीं हैं) की लागत से $ 25 के तहत आम तौर पर है। चित्रा 1C सर्किट चित्र और कनेक्शन के साथ चलता दो LF356N या एक INA111। पूरे योजनाबद्धINA111 के कनेक्शन पिन के अनुसार डिवाइस चित्रा -1 में दिखाया गया है। दो 9 वी बैटरी 10 MΩ के इनपुट पिन 2 और 3 के एक 1/4-W 4-बैंड लाभ अवरोध (आर _जी) को जोड़ने के द्वारा सेशन amps बिजली के लिए +/- 9 वी की एक दोहरी आपूर्ति बनाने के लिए इस्तेमाल किया गया (5% सहिष्णुता), पिन 1 और 8 के बीच जुड़ा हुआ है एक वांछित लाभ (G) 1 के करीब है, जिसके परिणामस्वरूप, समीकरण से गणना के रूप में (1)। मल्टीमीटर की अपेक्षाकृत कम आंतरिक विरोध के कारण, एक पर्याप्त बड़ी लोड अवरोध जमीन और shorted पिन 5 और 6 है, जो आगे स्थिर ओसीपी रीडिंग के लिए multimeters के नकारात्मक और सकारात्मक जांच कनेक्ट बीच जुड़ा हुआ है। नतीजतन, उत्पादन में वोल्टेज Eq से गणना की जा सकती है, जो (2) बिल्कुल Iro ₂ -RGO काम कर इलेक्ट्रोड और एजी / AgCl संदर्भ इलेक्ट्रोड के बीच संभावित अंतर के बराबर है, समाधान पीएच के लिए इसी है।

1 समीकरण

जहां जी जीINA111 के ऐन, _बाहर वी सेंसर निर्गम _(वी), और ^वी और वी है ^- _में गैर inverting पर वोल्टेज और opamps के inverting आदानों, क्रमशः रहे हैं।

भूतल आकृति विज्ञान

चित्रा 2A स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) छवि लचीला और ultrathin graphene चादरें किसी न किसी स्क्रीन मुद्रित कार्बन इलेक्ट्रोड सतह के माध्यम से फैल से बना एक ठेठ झुर्रियों बनावट के साथ बनाई रुक-रुक कर RGO फिल्म की सतह आकृति विज्ञान से पता चलता है। जाओ कमी -0.65 वी की तुलना में अधिक नकारात्मक क्षमता पर होता है और तेजी से, अपरिवर्तनीय और अभिकर्मकों ⁷ कम करने के बिना चलाया हुआ है। बाद Iro ₂ बयान, काला RGO फिल्म नेत्रहीन और विशेष रूप से गहरे बैंगनी कर दिया, anodically electrodeposited Iro ₂ की विशेषता electrochromic सुविधा दिखा। Iro ₂ -RGO nanohybrid पतली फिल्म (चित्रा -2) माइक्रोन रेंज में वेंickness पूरी सतह पर समान रूप से छितरी हुई nanoscale crystallites के साथ मनाया जाता है। फिल्म किसी भी ध्यान देने योग्य दरारें या मिट्टी संरचनाओं के बिना, वर्दी और चिकनी प्रतीत होता है। इसके अलावा, वर्तमान अध्ययन में एक दिलचस्प पहलू यह है कि Iro ₂ फिल्मों में एक ही शर्तों (चित्रा 2 बी) के तहत RGO की सहायता के बिना स्क्रीन मुद्रित काले सीसे कार्बन substrates पर फार्म नहीं कर सकते है। इसके अलावा अच्छा graphene की क्षमता के गठन फिल्म पतली फिल्म बयान प्रक्रिया में महत्वपूर्ण घटक कल्पना की है। बयान समाधान में oxalates जटिल गठन को ट्रिगर और क्षारीय माध्यम में इरीडियम वर्षा रोका जा सकता है। के रूप में यामानाका ^8,9 द्वारा वर्णित बयान, oxalated आईआर (चतुर्थ) एनोड की सतह पर सीओ ₂ रिलीज और सहवर्ती आईआर (चतुर्थ) ऑक्साइड गठन के साथ यौगिकों के anodic ऑक्सीकरण द्वारा हासिल की है

[आईआर (सीओओ) ₂ (OH) _4] ^2- ⇔ Iro ₂ + ₂ + 2CO 2H ₂ ओ + 2 ई ^̵1;

पीएच मापन प्रदर्शन

पीएच संवेदन में धातु आक्साइड का एक सामान्य तंत्र द्वारा कोहरे और बक ओह समूह असर सतह के भीतर ¹⁰ आयन एक्सचेंज प्रक्रियाओं के साथ जुड़े होने का संकेत दिया गया है। विभिन्न Iro ₂ आधारित इलेक्ट्रोड उनके संश्लेषण तंत्र में मतभेद के कारण प्रकृति में मौजूद हैं। संभव तंत्र के एक नंबर आईआर आक्साइड ¹¹ के दो राज्यों के बीच ऑक्सीकरण पीएच निर्भर redox मध्यनिवेश संतुलन से जुड़े प्रस्ताव है। Electrochemically संश्लेषित आईआर आक्साइड के मामले में, प्रमुख राज्य हाइड्रेटेड फार्म ⁸ जो 59 एम वी / पीएच पर निर्जल रूपों की तुलना में बेहतर संवेदनशीलता के साथ सुपर Nernstian प्रतिक्रियाओं बचाता है। तंत्र निम्न समीकरण ^8,9 का उपयोग कर समझाया जा सकता है:

2 [Iro ₂ (ओएच) ₂ · 2H ₂ ओ)] ² + 3 एच ⁺ 2 ई ^- ⇔ 2 [Iro₂ (ओएच) ₂ · 2H ₂ ओ)] ² + 3 एच ₂ ओ

जैसा कि चित्र 3 ए (काला) में दिखाया गया है, Iro ₂ -RGO इलेक्ट्रोड 2 से 12 करने के लिए एक विस्तृत पीएच रेंज पर एक अच्छी तरह से परिभाषित रेखीय विशेषता दिखाया, -61.71 एम वी / पीएच के एक से थोड़ा सुपर Nernstian ढलान जो करने के लिए करीब anodically है साथ पास-Nerstian प्रतिक्रियाओं ^11,12 नहीं बल्कि सुपर Nernstian ^13,14 के साथ उन लोगों की तुलना में साथ Iro electrodeposited ₂ फिल्मों। संभवतः यह अलग electrodeposition की स्थिति और प्रत्येक मामले में substrates के कारण होता है। यह संभव है कि निर्जल और हाइड्रेटेड Iro ₂ फिल्म का एक मिश्रण anodic electrodeposition के दौरान graphene पर बनाई है। नमूनों कागज microfluidic युक्ति (चित्रा 3 ए, लाल) और थोक समाधान के बीच मापा पीएच की नगण्य अंतर को इंगित करता है रेशेदार सेलुलोज कागज मैट्रिक्स किसी भी ध्यान देने की डिग्री करने के लिए हाइड्रोजन आयनों के प्रसार में बाधा नहीं है। भंगडी वायुमंडलीय ऑक्सीजन अपनी redox प्रक्रियाओं के कारण नमूने कभी कभी बहुत संभावित रीडिंग प्रभावित कर सकते हैं में सर्वत्र मौजूद है, विशेष रूप से जैविक प्रणालियों ¹² में। जब इलेक्ट्रोड एन ₂ में रखा गया है - हवा संतृप्त बफर समाधान या, वहाँ केवल मामूली अंतर (चित्रा 3 बी) कर रहे हैं। इस बीच, के बाद से आयनिक शक्तियों और रचनाओं बफ़र्स के आधार पर अलग-अलग हैं, पीएच बफ़र्स के एक नंबर वाणिज्यिक पीएच अंशांकन बफर, बीआर बफर, फॉस्फेट बफर खारा (पीबीएस) और NaOH / एचसीएल समायोजित डि पानी (चित्रा 3 सी) सहित परीक्षण किया गया। संवेदनशीलता (इकाई पीएच प्रति एम वी) सभी बफ़र्स में लगभग समान हैं। हालांकि, एक प्रशंसनीय संभावित बहाव पीबीएस बफर जो एक अपेक्षाकृत संकरा पीएच रेंज है में मनाया गया। यह अलग सशर्त मानक क्षमता (समीकरण नेर्न्स्ट संतुलन में ई ^{0 'शब्द)} पीबीएस में Iro ₂ -RGO पीएच इलेक्ट्रोड के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।

प्रतिक्रिया समय, एक प्रमुख एफकिसी भी संवेदन आवेदन में अभिनेता, आमतौर पर समय संतुलन ओसीपी के कुछ प्रतिशत तक पहुंच गया आवश्यकता के रूप में परिभाषित किया गया है। ठेठ प्रतिक्रिया समय सभी पीएच के तहत कम से कम 250 सेकंड है, लेकिन दृढ़ता से पीएच-निर्भर ¹¹ हो सकता है। हिस्टैरिसीस, या तथाकथित स्मृति प्रभाव, एक ही इलेक्ट्रोड के दोहराव का उपयोग करता है के दौरान कांच और धातु ऑक्साइड पीएच इलेक्ट्रोड के साथ एक प्रसिद्ध घटना है। हाइड्रोजन आयन चयनात्मक इलेक्ट्रोड की यह घटना पीएच परिवर्तन के लिए विलंबित प्रतिक्रिया के परिणाम के रूप में माना जाता है। Iro ₂ -RGO पीएच इलेक्ट्रोड बदले में उच्च से कम करने के लिए उच्च करने के लिए कम से पीएच बफ़र्स में परीक्षण किया गया था, और। पीएच 2-12-2 और 12-2-12 के इस पाश चक्र क्रमिक चक्र (चित्रा 4 बी) में अलग पीएच बफ़र्स के ओसीपी को मापने के द्वारा मूल्यांकन किया गया। हिस्टैरिसीस चौड़ाई विशेष रूप से व्यापक पीएच रेंज यहां अध्ययन के बारे में, दोनों चक्र है, जो स्वीकार्य है और दिनचर्या पीएच माप में सही कर रहे हैं में लगभग 13 एम वी होना करने के लिए गणना कर रहे हैं।

आगे VA के लिएIro ₂ -RGO nanohybrid पतली फिल्म पीएच सेंसर lidate, प्रदर्शन एक पीएच / एम वी / आयन / चालकता मीटर (चित्रा 5 ए) के साथ एक मानक ग्लास इलेक्ट्रोड के साथ समानांतर में परीक्षण किया गया था। परिणाम में अच्छी तरह से एक दूसरे को सहसंबंधी, उच्च सटीकता और विकसित पीएच सेंसर के विश्वसनीय प्रदर्शन का सुझाव दे। वास्तव में लक्ष्य को हासिल करने के लिए पोर्टेबल विद्युत कागज microfluidic युक्ति की विशेषता पीएच माप, दो साधारण डिजिटल पीएच मीटर से थोड़ा अलग विन्यास के साथ बनाया गया था। मापा दोनों मीटर का उपयोग कर पीएच प्रयोगशाला आधारित विद्युत विश्लेषक के साथ अत्यधिक अनुरूप था। Reproducibility अलग इलेक्ट्रोड के साथ अलग पीएच बीआर बफ़र्स में एक ही इलेक्ट्रोड के साथ कई बार परीक्षण किया गया था, और भी। रिश्तेदार मानक विचलन (आरएसडी) मूल्यों आम तौर पर सभी <15% थे।

अंत में, एक तेजी से चलाया हुआ और हरे रंग की विद्युत विधि ₂ -RGO nanohybrid पतली फिल्मों ओ चिकनी Iro वर्दी के संश्लेषण के लिए विकसित की है औरकिसी न किसी विशेष सतह, RGO की अच्छी फिल्म बनाने और समर्थन क्षमताओं द्वारा सहायता प्रदान की। जिसके परिणामस्वरूप राज्य के ठोस इलेक्ट्रोड से 2 12. करने के लिए इलेक्ट्रोड पीएच की एक विस्तृत श्रृंखला में -62 एम वी / पीएच की और अच्छा linearity के साथ एक उच्च संवेदनशीलता के साथ एक थोड़ा सुपर Nernstian प्रतिक्रिया का प्रदर्शन भी छोटे हिस्टैरिसीस है, तेजी से प्रतिक्रिया समय, reproducibility और वाणिज्यिक ग्लास इलेक्ट्रोड सुसज्जित प्रयोगशाला आधारित पीएच मीटर के साथ अच्छा समझौतों। एक छोटी कागज microfluidic पैड PDMS हाइड्रोफोबिक बाधा patterning द्वारा निर्मित किया गया था। एक साधारण पीएच मीटर दो 9 वी क्षारीय बैटरी, एक डिजिटल मल्टीमीटर, और opamps का उपयोग कर निर्मित किया गया था। सेंसर प्रयोगशाला आधारित तकनीक का उपयोग कर प्राप्त उन लोगों के साथ अच्छी तरह से सहसंबद्ध से मापा पीएच का परिणाम है। इस प्रकार सेंसर जो दोनों पीएच मीटर और पीएच स्ट्रिप्स के लाभों को जोड़ती है, विशेष रूप से सीमित संसाधनों स्थिति के अंतर्गत, साइट पर या बिंदु का ख्याल पीएच माप भविष्य के लिए एक होनहार मंच है।

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Disclosures

लेखकों कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है।

Acknowledgments

यह काम जल उपकरण और नीति (WEP) NSF उद्योग / विश्वविद्यालय सहकारी अनुसंधान केंद्र (आई / UCRC) से अनुदान द्वारा समर्थित किया गया। लेखकों को भी Hjalmar डी और जेनेट डब्ल्यू Bruhn फैलोशिप और लुई और एल्सा Thomsen विस्कॉन्सिन गणमान्य ग्रेजुएट फैलोशिप UW-Madison में जे के लिए प्रदान करने के लिए आभारी हैं

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Screen-printed electrodes	Zensor	TE100	3-electrode integrated
Acrylonitrile butadiene styrene (ABS)
Polydimethylsiloxane (PDMS) prepolymer and cross linker mixture	Dow-Corning Co.	Sylgard 184	10:1 mixture w/w
Whatman No. 1 filter paper	GE Healthcare Co.
3D milling system	Roland DGA Co.	iModela IM-01
PDMS stamp and vacuum cover	Roland DGA Co.	Sanmodur	Synthetic resin tablet
Hand-operated vacuum pump	Cole-Parmer Co.
Electrochemical workstation	CH Instruments	CHI 660D
LF356N operational amplifiers	Texas Instruments Inc.
INA111 high speed field-effect transistor (FET)-input instrumentation amplifier	Burr-Brown Inc.
DMM914 digital multimeter	Tektronix Inc.	70979101
From Fisher or Sigma:
Iridium tetrachloride (IrCl₄)
50% (w/w) hydrogen peroxide (H₂O₂)
Oxalic acid dihydrate
Potassium carbonate (K₂CO₃)
Phosphoric acid
Acetic acid
Boric acid
Sodium hydroxide (NaOH)
Na₂HPO₄
NaH₂HPO₄

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References

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डिस्पोजेबल विद्युत कागज Microfluidic पीएच सेंसर के रूप में इरिडियम ऑक्साइड कम graphene ऑक्साइड Nanohybrid पतला फिल्मी संशोधित स्क्रीन मुद्रित इलेक्ट्रोड्स

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Yang, J., Kwak, T. J., Zhang, X., McClain, R., Chang, W. J., Gunasekaran, S. Iridium Oxide-reduced Graphene Oxide Nanohybrid Thin Film Modified Screen-printed Electrodes as Disposable Electrochemical Paper Microfluidic pH Sensors. J. Vis. Exp. (117), e53339, doi:10.3791/53339 (2016).

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