Summary
המחקר מדגים את הצמיחה של תחמוצת גרפן-מופחת תחמוצת אירידיום (IRO 2 -RGO) nanohybrid סרטים דקים על מצע פחמן מסך מודפס סדיר ומחוספס באמצעות סינתזה ירוקה אלקטרוכימיים, ויישומן כחיישן pH עם פלטפורמת נייר-fluidic בדוגמת .
Abstract
סינתזת אלקטרוכימי קלילה, לשליטה, זולה וירוקה של סרטי IRO 2 -graphene nanohybrid הדקים מפותחת לפברק חיישן pH קל לשימוש משולב נייר microfluidic אלקטרוכימיים עבור הגדרות משאב מוגבל. אם ניקח יתרונות משני מטרים pH ורצועות, פלטפורמת חישה pH מורכב micropad נייר מחסום בדוגמת הידרופובי (μPAD) באמצעות polydimethylsiloxane (PDMS), אלקטרודה מודפס מסך (SPE) שונה עם IRO 2 -graphene סרטים ועיצבו ניטריל גומי סינתטי בעל פלסטיק (ABS). רכיבה על אופניים פוטנציאל קתודית חוזרים הועסקו תחמוצת גרפן (GO) הפחתה אשר יכולה להסיר לחלוטין אלקטרוכימי קבוצות מחומצן יציבים וליצור שכבת דקת 2D ללא פגם הומוגנית גרפן עם יציבות מעולה מאפיינים אלקטרוניים. אחיד סרט חלקת IRO 2 בגודל גרגר ננו הוא electrodeposited anodically על סרט גרפן, ללא כלסדקים נצפים. האלקטרודה IRO 2 -RGO שהתקבלה הראתה מעט תגובות סופר-Nernstian מ pH 2-12 ב בריטון-רובינסון (BR) מאגרים עם ליניאריות טובים, היסטרזיס קטן, זמן תגובה נמוך שחזור מאגרים שונים, כמו גם רגישויות נמוכות כדי להתערב שונה מינים יוניים וחמצן מומס. מד pH דיגיטלי נייד פשוט הוא מפוברק, אות אשר נמדדת עם מודד, באמצעות מגבר מבצעי קלט עכבה גבוהה וסוללות צרכן. ערכי ה- pH נמדדו עם חיישני pH נייר-microfluidic אלקטרוכימיים הניידים היו עקביים עם אלו נמדדים באמצעות מד pH המעבדה מסחרי עם אלקטרודות זכוכית.
Introduction
קביעת pH הוא נמצא בכל מקום במזון, פיזיולוגיים, מרפא ולימודי סביבה. שני הכלים הנפוצים ביותר לגילוי pH הם רצועות pH ו pH מטר. רצועות נייר ספוגות מולקולות אינדיקטור pH צבע-שינוי אבל הקריאה לפעמים היא מוגבלת בתחומי pH, סובייקטיבי וכמותיות עם סטיות מסוימות. מצד שני, מד pH מאובזר כמקובל עם אלקטרודות זכוכית יכול למדוד pH במדויק אל 0.01 רמה, ולהציג על ידי ממשק דיגיטלי למשתמש. pH מטר מבוסס מעבדה לא רק צריך טיפול מיוחד באספקת כיול, אלא גם אינו פועל היטב לקראת כרכי מדגם קטנים ולעתים קרובות דורש במכל נקי כמו מבחנה לבצע מדידות. למרות הרגישות, סלקטיביות ויציבותה, אלקטרודות זכוכית סובלות שגיאות חומצה / אלקליין, עכבה גבוהה, חוסר יציבות טמפרטורת 1 השבריריות מכאניות. לכן זה יתרון יש מערכת מדידת pH כי embodIES הדיוק של מד pH ואת היבטי פשטות ועלות של רצועות pH.
תמיד יש צורך בטיפולי כלים כאלה בתנאי משאבים מוגבלים באזורים רבים מתפתחים בן ציוד מבוסס מעבדה יקר או מעבדות מסחריות הם מעבר להישג יד. כמו כן, התפקיד הגדל וההולך של פלטפורמות חישה באתר קלות לשימוש חדשות נדחף על ידי דרישה כזו לגילוי נקודת הטיפול. זיהוי אלקטרוכימי הוא פשוט, קל miniaturize משביעים רצון רגיש, כפי שהוכח על ידי הנהלת ה בעלות הנמוכה הממוסחרת ומערכות ניטור הגלוקוז שונות קיימים בשוק. כתוצאת חומר נקבובי אור, גמישים חד פעמי, נייר יכול להיות גם שונה המאפיין לשליטה, כגון גודל נקבובי שונה, קבוצות פונקציונליות, ושיעורי פתילה.
כמו מצע נייר בקושי משפיע דיפוזיה אנליטי וזיהוי אלקטרוכימיים 2-4, שילוב של תקני fluidic נייר וטכניקות electroanalytical יש recently קיבל אינטרסים נרחבים. יתרון ברור של שילובים כאלה הוא הכמות הזעירה של נפח דגימה המשמשת למדידה אשר באופן פוטנציאלי יכולה למנוע הפרעות מן רטט הסעה במהלך מדידות. לדוגמא, רפידות microfluidic בדוגמת יושמו פתיל ולספק דגימות נוזלות לאזור חישה של ישויות כאמורות לגילוי של יונים של מתכות כבדות וגלוקוז 2,5. התקנים דומים באמצעות electrochemiluminescence נייר microfluidic הוקמו כדי להשיג NADH זיהוי 4. לאחרונה, מכשירי microfluidic נייר אלקטרוכימי פשוט יכולים להיבנות על זכוכית שקופית עם אלקטרודות עיפרון 6 או שימוש בנייר אנזים SPEs 3.
חומר סרט דק nanohybrid המורכב IRO 2 ו RGO הוכן באמצעות גישת אלקטרוכימיים קלילה ויעילה. מצאנו כי על פני שטח פחמן graphitic SPE הסדירים ומחוספסים, electrodeposited anodically IRO 2 סרט דק לא יכוללהיות חלק ויציב ללא סיוע של RGO. IRO 2 וכתוצאה מכך -RGO SPE שולבה מכשיר microfluidic נייר אשר בדוגמת מחסומים הידרופובי עבור חישה pH. המכשיר התאסף הראה הופעות אנליטיים מצוינות חישת pH עם התנהגות סופר-Nernstian מעט. התוצאות הן להשוות מד pH מבוסס מעבדה קונבנציונלי עם אלקטרודות זכוכית. לבסוף, pH מטר מיניאטורי חסכוני נבנה על קרש חיתוך למדוד פתוח מעגל אות תוצר פוטנציאלי עם מודד דיגיטלי. המדידות של מד pH הנייד וקושרות היטב עם אלה של מטר pH המעבדה מסחרי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. μPAD והכנה Apparatus
- חריטת חריץ 500 מיקרומטר על בעל פלסטיק בתחתית לשכן SPE עם ABS או יריעת פלסטיק תואמת על ידי מכונת טחינה תלת ממדי (3D) ואת קצת טחינה אשר יש 1.6 מ"מ בקוטר. החזק SPE ו μPAD במקומו במהלך בדיקה עם הבעל (איור 1 א).
- הפוך חותם ועטיפת ואקום להשתמש בטאבלט שרף סינטטי או יריעת פלסטיק בהתאמה לתבניות קמורות וקעורות, בהתאמה, על ידי מכונת טחינת 3D, כדי מחסומי PDMS הידרופובי דפוס על כריות נייר.
- הכן תערובת של PDMS מראש פולימר מקשר צלב על היחס של 10: 1 או כפי שהוצע על ידי יצרן, לערבב עם מרית ולהחיל כמות מתאימה על גבי המשטח הקמור של בול PDMS.
- מניחים את החותמת על גבי כרית נייר סינון מראש לחתוך לגודל הרצוי ולאחר מכן את מכסה ואקום בצד השני של הבול על הנייר. החל vacuאממ עד 30 שניות על ידי משאבת ואקום המופעל באמצעות יד. הסר את רפידת נייר מהכיסוי החותם ואקום, ואופה בתנור הסעה במשך 10 דקות ב 80 ° C להקשיח את PDMS בדוגמת (איור 1B). כרית נייר הנובעות יש חישה באזור 2 כ 0.2 ס"מ ו -1 ס"מ x 0.4 ס"מ הידרופילי מדגם באזור הפתילה.
הערה: קח מזהיר מיוחד על כמות PDMS יישומית ואקום זמן כדי למנוע זיהום PDMS אפשרי באזור הידרופילי הפנימי של נייר המסנן שבו הדגימות הנוזלות מועברות.
שינוי 2. של ישויות כאמור עם 2 IRO -RGO Nanohybrid Thin Films
- זרוק יצוק 3 μl של הכנה כמו 1 מ"ג ∙ מ"ל -1 GO פתרון האלקטרודה עובד פחמן graphitic של SPE עם micropipette ולתת לו להתייבש בטמפרטורת החדר בצלחת פטרי. טהר חיץ pH 5.0 PBS עם N 2 למשך 20 דקות, טובלים את SPE ב -10 מ"ל deaerated חיץ PBS תוך שמירה N <sub> 2 זורם, והתנהגות 100 מחזורים של רכיבה פוטנציאל קתודית חוזרות בין 0.0 ל -1.5 V להפחית GO אלקטרוכימי לתוך RGO. שוטפים את SPE עם מים די בבקבוק שפריץ ויבש בטמפרטורת החדר.
הערה: גליונות הולך טוב-מודבק, על מנת לייצב את דחייה אלקטרוסטטית, הם מן אבקת גרפיט בשיטה של האמר שונה כפי שדווח במקומות אחרים 7. ההומוגניות של סרט RGO כמו-מסונתז חשובה, משום שהוא ממשמש את תמיכת פחמן להמשך צמיחה של סרטי IRO 2 דקים. - הפוך 100 מ"ל IRO 2 פתרון בתצהיר מורכב טטרא אירידיום 0.15 גרם (IrCl 4), 0.6 מ"ל 50% (w / w) מי חמצן (H 2 O 2) וחומצה אוקסלית 0.5 גרם מייבשים על ידי הוספת אותם במים DI. מוסיפים בהדרגה כמות קטנה של אשלגן פחמתי נטול מים תוך ערבוב עד pH הגיע 10.5, מאומת על ידי מד pH מבוססי מעבדה. לאחר מכן, הפתרון הפך צהבהב. הזדקנות הפתרון במשך 48 שעות ב חדר טמפרטורותמחדש, אז צבענו בסופו של דבר הוא הופך תכלת.
- שים את RGO-SPE בתמיסה בתצהיר לעיל להחיל פוטנציאל קבוע של 0.6 V למשך 5 דקות. העובי של IRO 2 שכבות דקות בדיוק יכול להיות נשלט על ידי הפוטנציאל בתצהיר והזמן.
- אשר את מבנה תחום החישה ידי SEM. לרכוש תמונות SEM בהתאם להוראות במרכז חומרים מדע באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, כפי שעשינו לפני 7.
3. בניית pH מטר דיגיטלי זול נייד
- לבנות מד pH זול מיניאטורי עם תצוגה דיגיטלית על ידי חיבור בין סדרה של שני מגברים ותפעוליים האחת LF356N (OpAmps) או INA111 אחד טרנזיסטור אפקט שדה במהירות גבוהה (FET) -input מגבר מכשור (עכבת קלט גבוהה> 10 12 Ω) על קרש חיתוך להשיג עכבה פנימית גבוהה מספיק למדידות יציבות.
הערה: כל החלקים נמצאים בקלות accessible מחנויות אלקטרוניות ניתן להרכיב בקלות. - השתמש 2 IRO -RGO-SPE כמו חללית pH ו OpAmps כמו למאגר רווח אחדות. חיבור שתי סוללות צרכן 9 V אלקליין מעוגן בסדרה לשלטון מד pH וחבר את החוטים לתוך קרש החיתוך המבוסס על פריסת הפינים של OpAmps.
- חבר הקתודה לבין האנודה סיכות 7 ו -4 גם לחבר את בדיקות חיוביות ושליליות של מודד דיגיטלי לפינים 6 ו -5 OpAmps בהתאמה למדוד את קריאות מתח ולהציג פלט. יעץ אלקטרודות העבודה של SPE מחוברים פינים 2 ו -3 בהתאמה. חיבורים מפורטים מוצגים באיור 1D.
4. מדידות pH
- כן 100 מאגרי המ"ל BR עם 0.04 חומצת M equimolar זרחתית, חומצה אצטית וחומצה בורה ומערבבים עם כרכים שונים (5, 25, 42, 60, 78 ו -98) של 0.2 M נתרן הידרוקסידי (NaOH) כדי להשיג PHS שונה 2- 12 לכיול.
- Locאכול בדוגמת μPAD על החלק העליון של אזור החישה. 60 הר μl דגימות נוזל ישירות על ידי micropipette לאזור הידרופילי של μPAD עבור הפתילה. ΜPAD ניתן לקיים במקום עם או בלי כיסוי ABS, כאשר הוא רטוב.
- מדוד את אות המתח בין האלקטרודה עובד IRO 2 -RGO לבין אלקטרודה השוואתית Ag / AgCl לאורך זמן גם עם מנתח אלקטרוכימיים מבוססי מעבדה CHI 660D או מד pH דיגיטלי נייד, כאשר הפוטנציאלים המעגל הפתוח (OCP) לְהִתְיַצֵב (פוטנציאל וריאציות <5%).
- שמור באזור החישה הרטוב ידי טבילת כרית נייר בדגימות נוזלות להיבדק, אם יש צורך בכך, כדי להשיג מגע חשמלי טוב יותר כמו גם קריאות יציבות לשחזור ארוך טווח פעולה. ערכי OCP יציבים הקלטות משוקללים כל ערך pH לקבוע עקומת כיול.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
ההתקנה של מיקרופלואידיקה נייר בשילוב חיישן pH אלקטרוכימיים IRO 2 -RGO-SPE מוצג באיור 1 א. כרית מדוגם עם חסמי הידרופובי PDMS הושמה על החלק העליון של אזור החישה של IRO 2 -RGO-SPE אשר ממוקם על בעל פלסטיק ABS. אזור החישה של כרית נייר היה מתואם היטב עם משטח האלקטרודה. פתרון צבע כחול מימי מתילן שמש כדי לבדוק את רפידת נייר בדוגמת כפי שנצפה, דגימות פתיל לתוך האזורים הידרופילי (איור 1B) עם מסלול fluidic מוסדר על ידי המחסומים הידרופובי. תמונות SEM מראה במערך של סרט דק גרפן הומוגנית ללא פגם 2D ידי טכניקת הפחתת אלקטרוכימיים, וגם סינתזה של אחיד הסרט IRO 2 חלקה ללא שום סדקים הנצפה על ידי electrodeposition (איור 2A ו- C). האלקטרודה -RGO IRO 2 שהתקבלה הראתה מעט supאה-Nernstian תגובות של pH 2-12 ב בריטון-רובינסון (BR) מאגרים עם ליניאריות טובים בשני פתרון בתפזורת ונייר (איור 3 א), רוחב היסטרזיס קטן (איור 4B) ורגישויות נמוכות לחמצן מומס (איור 3 ב). ערכי ה- pH נמדדו עם חיישני pH הניידים אלקטרוכימיים נייר-microfluidic תאמו מטר pH המעבדה מסחרי באמצעות אלקטרודות זכוכית (איור 5 א).
איור 1: (א) תרשים סכמטי של ההתקנה חישה pH microfluidic נייר אלקטרוכימיים: (1) Iro 2 -RGO-SPE, (2) פנקס נייר microfluidic עבור הדגימה וזיהוי, (3) דיור בעל ABS פלסטיק SPE. (ב) צילום של פנקס נייר microfluidic רשעים ידי פתרון לצבוע: (1) אזור הדגימה הידרופילי עבור הפתילה (2) פאפאה ערוץ microfluidic למסירה המדגם (3) אזור חישה ישויות כאמור (4) מחסומי הידרופובי בדוגמת ידי PDMS (5) אזור להחזיק מכשיר. (C) שני מכשירי מדידת pH ניידים עם מעגלים שונים שנבנו על קרש חיתוך (מעגלים מפורטים מוצגים מידע משלים): (1) עובד האלקטרודה (2) אלקטרודה השוואתית (3) בדיקה חיובית (4) בדיקה שלילית של מודד (5) קטודה סוללה (6) האנודה (7) סוללה מקורקע (8) 10 MΩ נגד רווח (9) 10 MΩ נגד עומס (10) מוארק. (ד) דיאגרמות חיבור של חיישן pH fluidic נייר הנייד אלקטרוכימיים בנויים עם INA111 ו IRO 2 -RGO-SPE. (E) קריאות דיגיטלית אופיינית של פוטנציאלים פתוחים מעגל באמצעות מכשיר pH microfluidic נייר אלקטרוכימיים הנייד עם מעגלים משולבים LF365N בערכי pH שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של זהדמות.
איור 2: SEM תמונות של (א) (RGO B) IRO 2 ו- (ג) RGO-IRO 2 -modified SPEs. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3:.. תגובות pH של RGO-IRO 2 ישויות כאמורות ב PHS השונה (א) בתמיסה עיקר BR חיץ או שימוש בנייר microfluidic (B) ב מאגרי BR רוויים אוויר או N 2 (ג) במערכות חיץ שונות אנא לחץ כאן לצפייהגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 4: (א) עקומות פוטנציאליות בזמן של RGO-IRO 2 ישויות כאמור ב- pH 4, 8 ו -10 במאגר BR. (ב) רוחב Hysteresis של RGO-IRO 2 ישויות כאמור מאגרים BR ב- pH שונים עם מחזורי לולאה של 2-12-2 ו 12-2-12. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 5: תגובות pH של RGO-IRO 2 ישויות כאמורות במאגר BR ב PHS השונה (א) קורלציה עם מד pH מסחרי סטנדרטי עם אלקטרודת זכוכית (B) השוואה של המדידות על ידי dev השונה.גלידות. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
התקנת מכשיר
חיישן pH עובד על ידי מדידת OCP בין האלקטרודות העבודה ועיון, שכן הוא משתנה באופן יחסי ללוגריתם השלילי של ריכוז H +. המדידות ניתן להשיג היא על ידי potentiostat מבוסס מעבדה כגון CHI 660D מטר pH פשוט בנוי על קרש חיתוך עם הקריאה ידי מודד. שני מטרים pH ניידים שונים נבנו באופן דומה על breadboards באמצעות שני 9 V סוללות אלקליין, מודד דיגיטלי, כמו-מסונתז IRO 2 -RGO-SPE ו OpAmps שונים, אשר שני LF356N סדרתי או INA111 אחד. עלות כל מטרים pH כזה הוא בדרך כלל נמוך מ -25 $ כולל בסביבות 1 $ ליחידה של pH הפנויה IRO 2 -RGO-ישויות כאמור עולה (העלות והזמן לנהל הכנה כימיים תצהירים אלקטרוכימיים אינם כלולים). תרשים 1C מציגה את מעגל דיאגרמות וקשרים עם שני LF356N או INA111 אחד. סכמטי של כלההתקן בהתאם סיכות חיבור של INA111 מוצג באיור 1D. שני 9 V סוללות שימשו כדי ליצור אספקה כפולה של +/- 9 V לשלטון את מגברי שרת על ידי חיבור הפינים של כניסת 2 ו 3. 1/4-W 4-band הנגד רווח (R G) של 10 MΩ (5% סובלנות) מחוברת בין פיני 1 ו 8, וכתוצאה מכך רווח רצוי (G) קרוב ל -1, כפי שנמדדת משוואה (1). בשל ההתנגדות הנמוכה יחסית הפנימית של המודד, בנגד עומס גדול מספיק מעוגן ומחובר בין פינים לקצר 5 ו -6, אשר נוספו לחבר את הבדיקות השליליות וחיוביות של multimeters לקריאת OCP יציבה. כתוצאה מכך, מתח המוצא אשר ניתן לחשב משוואה (2) שווה בדיוק להפרש פוטנציאל בין האלקטרודה עובד IRO 2 -RGO ו Ag / AgCl אלקטרודה השוואתית, המקביל ל pH של התמיסה.
כאשר G הוא גרםעין של INA111, V החוצה הוא פלט חיישן (V), ו- V + ב ו- V - ב מותאמים למתח בבית-היפוך ללא ותשומות היפוך של OpAmps, בהתאמה.
מורפולוגיה Surface
איור 2 א סריקה במיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) תמונה מראה את המורפולוגיה פני השטח של סרט RGO לסירוגין הקים עם מרקם מקומט טיפוסי מורכב יריעות גרפן גמישות ultrathin הפושה פני האלקטרודה פחמן מסך מודפס המחוספסת. הפחתת GO מתרחשת פוטנציאלים שליליים יותר מאשר -0.65 V והוא מהיר, בלתי הפיך לשליטה מבלי להקטין ריאגנטים 7. לאחר 2 בתצהיר IRO, הסרט RGO השחור חזותי בעיקר גוון סגול כהה, שהצגת תכונת electrochromic האופיינית electrodeposited anodically IRO 2. IRO 2 -RGO סרט דק nanohybrid (איור 2 ג) ב-טווח מיקרומטר הickness הוא ציין עם crystallites ננו התפזרו בצורה הומוגנית על פני השטח כולו. הסרט נראה אחיד וחלק, בלי שום סדקים מורגשים או מבני בץ. יתר על כן, ממצא מעניין במחקר הנוכחי הוא שסרטי IRO 2 לא יכולים להיוצר על מצעי פחמן graphitic מודפס מסך ללא סיוע של RGO תחת אותם התנאים (איור 2 ב). כמו כן הסרט הטוב להרכיב יכולת של גרפן הוא הגה את המרכיב המרכזי בתהליך סרט בתצהיר הדק. Oxalates בתמיסה בתצהיר יכול לעורר היווצרות מורכבת ולמנוע משקעי אירידיום במדיום אלקליין. בתצהיר מושג על ידי חמצון anodic של תרכובות oxalated העיר (IV) עם שחרור CO 2 במקביל העיר (IV) היווצרות תחמוצת בפני שטח האנודה, כפי שתואר על ידי יאמאנאקה 8,9
[עיר (COO) 2 (OH) 4] 2- ⇔ IRO 2 + 2CO 2 + 2H 2 O + 2e ̵1;
ביצועי מדידת pH
מנגנון כללי של תחמוצות מתכת ב חישת pH כבר הצביע על ידי הערפל ובאק יקושרו עם תהליכי חילוף יונים בתוך שטח קבוצת נושאות OH 10. IRO השונה 2 מבוסס אלקטרודות קיים בטבע בשל ההבדלים במנגנוני הסינתזה שלהם. מספר המנגנונים האפשריים מוצע מעורב שיווי משקל עיבור חיזור pH התלוי בין שתי מדינות חמצון של תחמוצות העיר 11. כמו במקרה של תחמוצות עיר-מסונתזות אלקטרוכימי, המצב המוביל הוא הצורה hydrated 8 אשר מספקת תשובות סופר-Nernstian עם רגישות מעולה מזו של צורות נטולות מים ב 59 mV / pH. המנגנון יכול להיות מוסבר באמצעות המשוואה הבאה 8,9:
2 [IRO 2 (OH) 2 · 2H 2 O)] 2 + 3H + + 2e - ⇔ 2 [IRO2 (OH) 2 · 2H 2 O)] 2 + 3H 2 O
כפי שניתן לראות בתרשים 3 א (שחור), האלקטרודה IRO 2 -RGO הראתה מאפיין ליניארית מוגדר היטב על פני טווח ה- pH רחב בין 2 ל -12, עם שיפוע הסופר-Nernstian מעט -61.71 mV / pH שדומה יותר anodically electrodeposited IRO 2 סרטים עם התגובות כמעט Nerstian 11,12 ולא את אלה עם סופר Nernstian 13,14. אולי זה קורה בגלל תנאי electrodeposition השונים המצעים בכל מקרה. יתכן כי תערובת של סרט IRO 2 נטול מי התייבשות נוצרה על גרפן במהלך electrodeposition anodic. ההבדל הזניח של pH נמדד בין מכשיר microfluidic מדוגם (איור 3 א, אדום) ואת הפתרון בתפזורת מציין את מטריקס נייר תאי הסיבי לא לעכב דיפוזיה של יוני מימן לכל תואר מורגש. לְהִתְמוֹסֵסחמצן אטמוספרי ד מקיים בכל מקום בגוף בדגימות לפעמים יכול להשפיע קריאות פוטנציאל מאוד בשל תהליכי החיזור שלה, במיוחד במערכות ביולוגיות 12. כאשר האלקטרודה מושם N 2 - או פתרון חיץ רווי-אוויר, יש רק הבדלים קלים (איור 3 ב). בינתיים, מאז העוצמות ויצירות היוניות שונות בהתאם מאגרים, מספר מאגרי pH נבדק כולל חיץ כיול pH המסחרי, חיץ BR, בופר פוספט (PBS) ו NaOH / HCl מותאם מים די (איור 3 ג). הרגישויות (mV לכל pH היחיד) הוא כמעט זהות בכל המאגרים. עם זאת, להיסחף פוטנציאל ניכר נצפה חיץ PBS אשר מציע מגוון pH יחסית צר. זה ניתן לייחס פוטנציאלי תקן מותנים שונים (מונח 'E 0 ב שיווי משקל נרנסט המשוואה) של האלקטרודה IRO 2 -RGO pH ב PBS.
זמן תגובה, על f מפתחשחקן בכל יישום חישה, בדרך כלל מוגדר הזמן הנדרש להגיע לאחוזים מסוימים של OCP שיווי המשקל. זמן תגובה אופייני הוא פחות מ -250 שניות תחת כל pH אבל יכול להיות מאוד pH תלוי 11. Hysteresis, או אפקט זיכרון שנקרא, היא תופעה ידועה עם אלקטרודות pH זכוכית ומתכת תחמוצת במהלך שימושים חוזרים מאותו האלקטרודה. תופעה זו של אלקטרודות מימן סלקטיבית יון נחשב כתוצאה של תגובות בפיגור על שינוי pH. אלקטרודה pH IRO 2 -RGO נבדקה תמיסות בופר מנמוכה לגבוה, ו בתור מגבוה לנמוך. מחזורי לולאה זו של pH 2-12-2 ו 12-2-12 הוערכו על ידי מדידת OCP ברציפות של תמיסות בופר שונים מחזורים (איור 4B). רוחבי היסטרזיס מחושב להיות סביב 13 mV במחזורי שניהם, אשר מקובלים ומדויקים במדידות pH שיגרתיות, במיוחד לגבי טווח ה- pH הרחב לומד כאן.
כדי va נוסףlidate חיישן pH סרט דק IRO 2 -RGO nanohybrid, הביצועים נבדק במקביל עם אלקטרודה זכוכית רגילה עם pH / mV / יון / מד מוליכות (איור 5 א). התוצאות לתאם גם זה לזה, דבר המצביע על דיוק גבוהה וביצועים אמינים של חיישן pH שפותח. כדי להשיג באמת שבאתר מדידות pH המציגות את מכשיר microfluidic נייר הנייד אלקטרוכימיים, שני מטרי pH הדיגיטלית פשוטים נבנו עם תצורות שונות במקצת. pH נמדד באמצעות שני המטרים היה ומתואם היטב עם המנתח אלקטרוכימיים מבוסס המעבדה. שחזור נבדק מספר פעמים עם אותה אלקטרודה מאגרי BR pH שונים, וגם עם אלקטרודות שונות. סטיית תקן היחסי (RSD) הערכים היו בדרך כלל כל <15%.
לסיכום, שיטה אלקטרוכימית מהירה, לשליטה וירוקה מפותחת לסינתזה של אחיד IRO החלק 2 -RGO סרטים דקים nanohybrid on מחוספס שטח SPE, בסיוע היכולות מייצרות קרום והתמיכה הטובה של RGO. האלקטרודה מצב מוצק וכתוצאה מכך הציג תשובה סופר-Nernstian מעט עם רגישות גבוהה של -62 mV / pH עם ליניאריות טוב במגוון רחב של pH בין 2 ל 12. אלקטרודות גם היסטרזיס קטן, זמן תגובה מהיר, שחזור והסכמים טובים עם מד pH מבוסס מעבדה מצוידת אלקטרודת זכוכית מסחרית. כרית microfluidic נייר מיניאטורי הייתה מפוברקת על ידי דפוסי מחסום הידרופובי PDMS. מד pH פשוט היה מפוברק באמצעות שני 9 V סוללות אלקליין, מודד דיגיטלי, ואת OpAmps. תוצאות pH נמדד מחיישן בקורלציה גם עם אלה שהושגו באמצעות טכניקות מבוססות במעבדה. לפיכך החיישן המשלב יתרונות של שני מטרי pH ורצועות pH היא פלטפורמה מבטיחה בעתיד שבאתר או נקודה-של-טיפול מדידות pH, במיוחד תחת מצב משאבים מוגבלים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
יש המחברים שום אינטרסים כלכליים מתחרים.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי מענק מטעם ציוד מים ומדיניות (WEP) NSF תעשיה / אוניברסיטת שיתופית מרכז המחקר (I / UCRC). המחברים הם גם אסיר תודה על היילמאר ד וג'נט וו Bruhn אחוות ולואי ואלזה תומסן ויסקונסין נכבדים בוגרת מלגת הניתן JY ב UW-Madison
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 |
References
- 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).
