Summary
Die Studie zeigt , das Wachstum von Iridiumoxid-reduziertem Graphenoxid (IrO 2 -RGO) Nano - Hybrid - Dünnschichten auf unregelmäßige und grobe siebgedruckten Kohlenstoffsubstrat durch eine grüne elektrochemischen Synthese und deren Umsetzung als pH - Sensor mit einer gemusterten Papier-Fluidik - Plattform .
Abstract
Eine einfache, kontrollierbare, kostengünstige und grün elektrochemischen Synthese von IrO 2 -graphene Nano - Hybrid - Dünnfilme entwickelt eine einfach zu bedienende integrierte Papier mikrofluidischen elektrochemischen pH - Sensor für begrenzten Ressource-Einstellungen herzustellen. Unter Vorteile von beiden pH - Meter und Streifen, der pH - Messplattform von hydrophoben Barriere-gemustertes Papier microPad (μPAD) unter Verwendung von Polydimethylsiloxan (PDMS), Siebdruck-Elektrode (SPE) , modifiziert mit IrO 2 -graphene Folien und Form Acrylnitril - Butadien - Styrol besteht (ABS) Kunststoff-Halter. Repetitive kathodischen Potentialzyklus wurde für Graphenoxids (GO) Reduktion eingesetzt, die vollständig elektrochemisch instabil mit Sauerstoff angereicherten Gruppen entfernen und einen 2D-fehlerfreien homogenen Graphen-Dünnfilm mit ausgezeichneter Stabilität und elektronischen Eigenschaften erzeugen. Eine gleichmäßige und glatte IrO 2 Film in nanoskaligen Korngröße anodisch auf den Graphen - Film elektrolytisch, ohnebeobachtbaren Risse. Die sich ergebende IrO 2 -RGO Elektrode zeigte etwas super-Nernstschen Antworten von pH 2-12 in Britton-Robinson (BR) Puffer mit guter Linearität, geringe Hysterese, niedrige Reaktionszeit und Reproduzierbarkeit in verschiedenen Puffern sowie niedrige Empfindlichkeiten auf unterschiedliche interfering ionische Spezies und gelöstem Sauerstoff. Eine einfache tragbare digitale pH-Meter hergestellt wird, dessen Signal mit einem Multimeter gemessen wird, eine hohe Eingangsimpedanz-Operationsverstärker und Verbraucherbatterien verwenden. Die pH-Werte gemessen mit dem tragbaren elektrochemischen Papier-Mikrofluidik-pH-Sensoren waren konsistent mit jenen, gemessen mit einem kommerziellen Labor pH-Meter mit einer Glaselektrode.
Introduction
Die Bestimmung des pH-Wertes ist allgegenwärtig in der Nahrung, physiologische, medizinische und Umweltstudien. Zwei häufigsten Werkzeuge zur pH-Erkennung sind pH-Streifen und pH-Meter. Papierstreifen werden mit Farbe wechselnden pH-Indikator-Moleküle imprägniert, aber das Lesen manchmal in pH-Bereiche beschränkt ist, subjektiv und semi-quantitative mit einigen Abweichungen. Auf der anderen Seite, einem pH-Meter auf herkömmliche Weise mit einer Glaselektrode ausgestattet ist, kann pH genau auf die 0,01-Ebene zu messen, und die Anzeige durch einen Digital-Benutzeroberfläche. Lab-basierten pH-Meter muss nicht nur besondere Sorgfalt bei der Wartung und Kalibrierung, aber auch nicht gut auf kleine Probenvolumina und erfordern oft einen sauberen Behälter, wie ein Becherglas Messungen durchzuführen. Trotz ihrer Empfindlichkeit, Selektivität und Stabilität, leiden Glaselektroden aus Säure / Basen - Fehler, eine hohe Impedanz, Temperatur Instabilität und mechanischen Brüchigkeit 1. Daher ist es vorteilhaft, einen pH-Messsystem zu haben, das embodies die Genauigkeit der pH-Meter und die Einfachheit und Kostenaspekte der pH-Streifen.
Es gibt immer einen ungedeckten Bedarf an solchen Werkzeugen unter begrenzten Ressourcen Bedingungen in vielen Entwicklungsregionen, wo teure Labor-basierte Geräte oder kommerzielle Labors unerschwinglich sind. Auch die zunehmende Bedeutung der neuen, leicht zu bedienende Vor-Ort-Messplattformen wird durch eine solche Nachfrage nach Point-of-Care-Erkennung geschoben. Die elektrochemische Detektion ist einfach, leicht zu miniaturisieren und zufriedenstellend empfindlich, wie sie durch die kommerzialisiert Low-Cost-SPEs und verschiedene Zuckermesssysteme auf dem Markt unter Beweis gestellt. Als leicht, flexibel und wegwerfbar porösem Material, Papier können auch verschiedene steuerbare Eigenschaften, wie beispielsweise unterschiedliche Porengrößen, funktionellen Gruppen und wicking Raten aufweisen.
Als Papiersubstrat wirkt sich kaum Analytdiffusion und elektrochemische Detektion 2-4, Kombination von Papier-Fluidikvorrichtungen und elektro Techniken hat recently erhalten umfangreiche Interessen. Ein offensichtlicher Vorteil solcher Kombinationen ist die kleine Menge des Probenvolumens in der Messung verwendet, die möglicherweise Störungen durch Schwingungen und Konvektion während der Messungen zu verhindern. Zum Beispiel, gemusterte mikrofluidischen Pads angewendet wurden und flüssigen Proben zum Nachweis von Schwermetallionen Erfassungsbereich von SPEs liefern Docht und 2,5 Glukose. Ähnliche Geräte Papier mikrofluidischen Elektrochemilumineszenz unter Verwendung etabliert NADH Erkennung 4 zu erreichen. In jüngerer Zeit können einfache elektrochemische Papier mikrofluidischen Vorrichtungen auf einem Glasträger mit Bleistift Elektroden 6 oder mit Enzympapier und SPEs 3 eingebaut werden.
Ein Nano - Hybrid Dünnschichtmaterial besteht aus IrO 2 und RGO wurde vorbereitet durch eine einfache und effiziente elektrochemischen Ansatz. Wir fanden heraus , dass auf die unregelmäßige und grobe SPE graphitischen Kohlenstoffoberfläche, anodisch elektrolytisch IrO 2 dünne Film nichtohne Hilfe von RGO glatt und stabil sein. Die resultierende IrO 2 -RGO SPE wurde in eine Papier Mikrofluidik - Vorrichtung integriert , die hydrophobe Barrieren für die pH - Mess gemustert hat. Die zusammengebaute Vorrichtung zeigte eine hervorragende analytische Leistungen in pH-Mess mit einem leicht Super-Nernst-Verhalten. Die Ergebnisse sind vergleichbar mit einem herkömmlichen Labor-basierten pH-Meter mit Glaselektroden. Schließlich kosteneffektive miniaturisierten pH-Meter wurden auf einem Steckbrett gebaut mit einem Digitalmultimeter Ruhepotential Ausgangssignal zu messen. Die Messungen des tragbaren pH-Meter korreliert gut mit denen eines kommerziellen Labor-pH-Meter.
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Protocol
1. μPAD und Geräte Vorbereitung
- Gravieren eine 500 & mgr; m Nut auf dem Boden Kunststoff-Halter SPE mit einem ABS oder einem kompatiblen Kunststofffolie durch dreidimensionale (3D) Fräsmaschine und Schaftfräser zu beherbergen, die 1,6 mm Durchmesser aufweist. Halten SPE und μPAD fest an ihrem Platz während der Prüfung mit dem Halter (1A).
- Machen Sie einen Stempel und eine Vakuumdeckel mit Kunstharz Tablette oder kompatible Plastikfolie mit konvexen und konkaven Mustern, die jeweils von der 3D-Fräsmaschine, um Muster hydrophoben PDMS Barrieren auf Papierauflagen.
- Bereiten eines Gemisches aus PDMS Vorpolymers und Vernetzungsmittel in einem Verhältnis von 10: 1 oder wie vom Hersteller vorgeschlagen, Mischung mit Spatel und anzuwenden geeigneten Menge auf die konvexe Oberfläche des PDMS-Stempels.
- Platzieren Sie den Stempel auf einer Filterpapierunterlage vorgeschnitten auf die gewünschte Größe und dann der Vakuumabdeckung an der gegenüberliegenden Seite des Stempels über das Papier. bewerben vacuum bis zu 30 sec durch eine Handvakuumpumpe. Entfernen Sie den Papierblock aus dem Stempel und Vakuumdeckel und backen in einem Umluftofen für 10 min bei 80 ° C , um die gemusterten PDMS (1B) zu härten. Das resultierende Papierblock hat eine etwa 0,2 cm 2 Erfassungsbereich und 1 cm x 0,4 cm hydrophile Probe Wicking Region.
Hinweis: Besondere Vorsichtsmaßnahmen auf die Menge der aufgebrachten PDMS und Vakuumzeit eine mögliche Kontamination PDMS in der inneren hydrophilen Bereich des Filterpapiers zu vermeiden, in denen die flüssigen Proben übertragen werden.
2. Änderung der SPEs mit IrO 2 -RGO Nanohybrid- Thin Films
- Tropfen gegossen 3 ul wie hergestellt 1 mg ∙ ml -1 GO Lösung auf dem Graphit - Kohlenstoff - Arbeitselektrode von SPE mit einer Mikropipette und lassen Sie es bei Raumtemperatur in einer Petrischale trocken. Spülen Sie einen pH - Wert 5,0 PBS - Puffer mit N 2 für 20 min, tauchen die SPE in den 10 ml entlüftetes PBS - Puffer unter Beibehaltung N <sub> 2 fließt, und 100 Zyklen von wiederholten kathodischen Potentialzyklen von 0,0 bis -1,5 V durchzuführen , um elektrochemisch in RGO GO reduzieren. Spülen Sie die SPE mit DI-Wasser in einer Spritzflasche und trocken bei Raumtemperatur.
Hinweis: Gut abgeblättert GO Blätter, durch elektrostatische Abstoßung stabilisiert, sind aus Graphitpulver modifizierten Hummer Verfahren wie anderswo 7 berichtet. Die Homogenität der so synthetisierten RGO Film ist wichtig, weil sie als Kohlenstoffträger für ein weiteres Wachstum von IrO 2 Dünnschichten dient. - Make 100 ml IrO 2 Abscheidungslösung , bestehend aus 0,15 g Iridiumtetrachlorid (IrCl 4), 0,6 ml 50% (w / w) Wasserstoffperoxid (H 2 O 2) und 0,5 g Oxalsäure dehydrieren , indem sie in DI Wasser zugegeben. Allmählich kleine Menge wasserfreies Kaliumcarbonat unter Rühren hinzu, bis der pH-Wert 10,5, die von einem Labor-basierten pH-Messgerät überprüft erreicht. Dann Lösung färbte sich gelblich. Altern der Lösung für 48 Stunden bei Raum temperatuseine Farbe wieder, dann wird schließlich blass blau.
- Legen Sie die RGO-SPE in der obigen Abscheidungslösung und gelten für 5 min ein konstantes Potential von +0,6 V. Die Dicke der IrO 2 dünne Filme können gerade durch die Abscheidungspotential und Zeit gesteuert werden.
- Bestätigen die Struktur des Erfassungsbereichs durch SEM. Erwerben Sie REM - Aufnahmen folgenden Anweisungen am Materials Science Center in der Universität von Wisconsin-Madison, wie wir vor dem 7. tat.
3. Konstruktion von Kostengünstige und bewegliche Digital-pH-Meter
- Bauen Sie eine preiswerte und miniaturisierten pH - Messgerät mit digitaler Anzeige von aufstecken entweder eine Reihe von zwei Einzel LF356N Operationsverstärker (OpAmps) oder ein INA111 Hochgeschwindigkeits - Feldeffekttransistor (FET) -Eingang Instrumentenverstärker (hohe Eingangsimpedanz> 10 12 Ω) auf Versuchsaufbau ausreichend hohe innere Impedanz für stabile Messungen zu erzielen.
Hinweis: Alle Teile sind leicht acgänglich von elektronischen Geschäften und leicht zusammengebaut werden kann. - Verwenden Sie die IrO 2 -RGO-SPE als pH - Sonde und OpAmps als Unity - Gain - Buffer. Schließen Sie zwei geerdet 9 V Alkaline Verbraucherbatterien in Serie den pH-Messgerät mit Strom zu versorgen und stecken in den Drähten in die Steckbrett auf der Grundlage der Pin-Layout von OpAmps.
- Verbinden Sie die Kathode und die Anode an Pin 7 und 4. Verbinden Sie auch die positiven und negativen Sonden eines Digital-Multimeter an den Pins 6 und 5 von OpAmps jeweils die Ausgangsspannung und Anzeigewerte zu messen. Referenz- und Arbeitselektroden von SPE sind mit den Pins 2 und 3 entsprechend. Detaillierte Anschlüsse sind in Figur 1D gezeigt ist .
4. pH-Messungen
- Herstellung von 100 ml BR-Puffer mit 0,04 M äquimolaren Phosphorsäure, Essigsäure und Borsäure und mischen sich mit verschiedenen Volumina (5, 25, 42, 60, 78 und 98) von 0,2 M Natriumhydroxid (NaOH) verschiedenen pH-Werten von 2 bis erreichen 12 für die Kalibrierung.
- LocμPAD auf der Oberseite der Spürfläche ate gemustert. Berg 60 ul flüssige Proben direkt von einer Mikropipette in die hydrophile Bereich des μPAD für Feuchtigkeitsregulierung. Die μPAD kann mit oder ohne ABS-Abdeckung an ihrem Platz gehalten werden, wenn es benetzt wird.
- Messen Sie das Spannungssignal zwischen dem IrO 2 -RGO Arbeitselektrode und der Ag / AgCl - Referenzelektrode im Laufe der Zeit entweder mit einem Labor-basierten CHI 660D elektrochemischen Analysegerät oder dem tragbaren digitalen pH - Meter, wenn die offenen Kreispotentiale (OCP) stabilisiert sich (potenzielle Variationen <5%).
- Halten den Abtastbereich wet durch die Papierunterlage in flüssigen Proben Eintauchen getestet werden, falls erforderlich, einen besseren elektrischen Kontakt sowie stabile und reproduzierbare Messwerte in den Langzeitbetrieb zu erreichen. Aufgenommen im stationären Zustand OCP-Werte werden bei jedem pH-Wert gemittelt, um eine Kalibrierungskurve zu bestimmen.
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Representative Results
Der Aufbau der elektrochemischen IrO 2 -RGO-SPE pH - Sensor enthält Papier Mikrofluidik ist in 1A gezeigt. Die gemusterte Papierblock mit PDMS Hydrophobsperren wurde oben auf dem Gebiet der IrO Erkundung 2 platziert -RGO-SPE , die auf dem ABS - Kunststoff - Halter befindet. Die Erfassungszone Papierkissen wurde sorgfältig mit Elektrodenoberfläche ausgerichtet sind. Eine wässrige Methylenblau - Farbstoff - Lösung wurde verwendet , um die gemusterte Papierblock zu testen und so beobachtet, Proben Docht in den hydrophilen Bereichen (1B) mit dem fluidischen Weg durch die hydrophoben Barrieren geregelt. REM - Aufnahmen zeigt eine Bildung von 2D fehlerfreien homogenen Graphen - Dünnfilm durch die elektrochemische Reduktionstechnik, und auch eine Synthese von gleichmäßige und glatte IrO 2 Film ohne keine feststellbaren Risse durch galvanische Abscheidung (2A und C). Die resultierende IrO 2 -RGO Elektrode zeigte leicht super-Nernstschen Antworten von pH 2-12 in Britton-Robinson (BR) Puffer mit guter Linearität in beide Bulklösung und Papier (3A), kleine Hysteresebreiten (4B) und niedrigen Empfindlichkeiten zu gelöstem Sauerstoff (3B). Die pH - Werte , gemessen mit dem tragbaren elektrochemischen Papier mikrofluidischen pH Sensoren waren mit kommerziellen Labor pH - Meter mit einer Glaselektrode (5A) verwendet wird .
Abbildung 1: (A) Schematische Darstellung der Einrichtung für elektrochemische Papier mikrofluidischen pH Sensing: (1) IrO 2 -RGO-SPE, (2) mikrofluidischen Papierblock für Probenahme und Nachweis, (3) ABS - Kunststoff Haltergehäuse der SPE. (B) Fotografie des mikrofluidischen Papierblock durch eine Farbstofflösung wicked: (1) hydrophilen Prüfbereich für Wicking (2) paper mikrofluidischen Kanal für Probenabgabe (3) Erfassungsbereich in SPEs (4) Hydrophobsperren von PDMS gemustert (5) Region zu halten Gerät. (C) Zwei tragbare pH - Messgeräte mit verschiedenen Schaltungen auf Versuchsaufbau gebaut (detaillierte Schaltungen werden in ergänzenden Informationen angezeigt): (1) Arbeitselektrode (2) Referenzelektrode (3) positive Sonde (4) negativ Sonde eines Multimeters (5) Batterie Kathode (6) Anode (7) Batterie geerdet (8) 10 MOhm Verstärkungswiderstand (9) 10 MOhm Lastwiderstand (10) geerdet. (D) Anschlusspläne des tragbaren elektrochemischen Papier fluidischen pH - Sensor mit INA111 gebaut und IrO 2 -RGO-SPE. (E) Typische digitale Messwerte der offenen Potentiale Schaltung des tragbaren elektrochemischen Papier mikrofluidischen pH - Gerät mit LF365N integrierten Schaltungen bei verschiedenen pH - Werten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version davon zu sehenZahl.
Abbildung 2: REM - Aufnahmen von (A) RGO (B) IrO 2 und (C) RGO-IrO 2 -modifizierte SPEs. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Fig . 3:. PH - Antworten von RGO-IrO 2 SPEs bei verschiedenen pH - Werten (A) in bulk Lösung von BR Puffer oder unter Verwendung von mikrofluidischen Papier (B) in BR - Puffer mit Luft gesättigt oder N 2 (C) in verschiedenen Puffersystemen Bitte klicken hier , um einGrößere Version der Figur.
Figur 4: (A) Potential-Zeit - Kurven von RGO-IrO 2 SPEs auf pH 4, 8 und 10 in BR - Puffer. (B) Hysteresebreiten RGO-IrO 2 SPEs in BR - Puffer bei verschiedenen pH mit Schleifenzyklen von 2-12-2 und 12-2-12. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 5: pH - Antworten von RGO-IrO 2 SPEs in BR - Puffer bei verschiedenen pH - Werten (A) Korrelation mit einem handelsüblichen pH - Meter mit Glaselektrode (B) Vergleich der Messungen von verschiedenen dev.gefriert. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Geräte-Setup
Der pH - Sensor arbeitet , indem die OCP zwischen den Arbeits- und Referenzelektroden gemessen wird , da sie proportional zu dem negativen Logarithmus der H + -Konzentration ändert. Die Messungen können sowohl Potentiostaten von einem Labor-basierten erreicht werden wie CHI 660D und einfachen pH-Meter auf Versuchsaufbau konstruiert mit durch das Multimeter zu lesen. Zwei verschiedene tragbare pH - Meter wurden mit zwei 9 V Alkaline - Batterien in ähnlicher Weise auf Brettchen gebaut, ein Digital - Multimeter, wie synthetisiert IrO 2 -RGO-SPE und andere OpAmps, die zwei serielle LF356N oder ein INA111. Die gesamten Kosten für solche pH - Meter ist in der Regel unter $ 25, um $ 1 pro Stück von Einweg pH IrO 2 -RGO-SPEs Kalkulation (Kosten- und Zeit chemische Herstellung und elektrochemische Abscheidungen zu führen sind nicht enthalten). 1C zeigt die Schaltpläne und Verbindungen mit zwei LF356N oder ein INA111. Schematische Darstellung des gesamtenVorrichtung gemäß den Anschlusspins INA111 ist in Figur 1D dargestellt ist . Zwei 9 - V - Batterien wurden verwendet , um eine Doppelversorgung von +/- 9 V zu erstellen , um die Operationsverstärker an die Macht durch den Anschluss an den Eingangs - Pins 2 und 3 A 1/4-W 4-Band - Verstärkungswiderstand (R G) von 10 M & Omega; (5% Toleranz) zwischen den Pins 1 und 8, was zu einer gewünschten Verstärkung (G) nahe 1, wie aus Gleichung (1) berechnet. Aufgrund der vergleichsweise geringen Innenwiderstand des Multimeters, wird eine ausreichend große Belastungswiderstand zwischen den kurzgeschlossenen Stiften 5 und 6, die weiterhin verbinden die negativen und positiven Sonden Multimeters für stabile OCP Ablesungen geerdet und angeschlossen. Als Ergebnis wird die Ausgangsspannung aus Gleichung berechnet werden kann (2) ist genau gleich der Potentialdifferenz zwischen IrO 2 -RGO Arbeitselektrode und Ag / AgCl - Referenzelektrode, entsprechend der Lösung , pH - Wert.
Wobei G die gain von INA111, V out Sensorausgang (V) und V + und V in - in Spannung an dem nicht invertierenden und invertierenden Eingängen des OpAmps sind, respectively.
Oberflächenmorphologie
2A Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bild zeigt die Oberflächenmorphologie des intermittierenden RGO Film mit einer typischen faltig Textur gebildet , bestehend aus einem flexiblen und ultradünne Graphenschichten Ausbreiten durch das grobe siebgedruckten Kohlenstoff - Elektrodenoberfläche. Die GO - Reduktion tritt bei Potentialen negativer als -0,65 V und ist schnell, irreversibel und kontrollierbar ohne 7 Reagenzien zu reduzieren. Nach IrO 2 -Abscheidung, wandte sich der schwarze RGO Film visuell und vor allem dunkel lila, das charakteristische Merkmal elektrochromen von anodisch elektrolytisch IrO 2 zeigt. IrO 2 -RGO Nano - Hybrid - Dünnfilm (2C) in & mgr; m-Bereich thickness mit homogen dispergierten nanoskaligen Kristallite auf der gesamten Oberfläche beobachtet. Der Film erscheint ohne erkennbare Risse oder Schlamm Strukturen einheitlich und glatt, zu sein. Darüber hinaus ist ein interessantes Ergebnis in der vorliegenden Studie ist , dass IrO 2 Filme nicht auf die siebgedruckten graphitischen Kohlenstoffsubstrate ohne Zuhilfenahme von RGO unter den gleichen Bedingungen (2B) bilden können. Auch die gute Film Fähigkeit von Graphen bildet, ist die Schlüsselkomponente in der Dünnschicht-Abscheidungsprozess konzipiert. Die Oxalate in der Abscheidungslösung kann Komplexbildung auslösen und Iridium Fällung in alkalischen Medium zu verhindern. Die Abscheidung wird durch anodische Oxidation von oxalierten Ir (IV) -Verbindungen mit CO 2 -Freisetzung und begleitende Ir (IV) Oxidbildung an der Anodenoberfläche erreicht, wie von Yamanaka beschrieben 8,9
[Ir (COO) 2 (OH) 4] 2- ⇔ IrO 2 + 2CO 2 + 2H 2 O + 2e ̵1;
pH - Messleistung
Ein allgemeiner Mechanismus der Metalloxide in pH Erfassungs durch Nebel und Buck werden , die mit den Ionenaustauschprozesse in der OH - Gruppe tragenden Oberfläche 10 angegeben. Verschiedene IrO 2 -Basis Elektroden in der Natur existieren aufgrund der Unterschiede in ihren Synthesemechanismen. Eine Anzahl von möglichen Mechanismen sind pH-abhängige redox Interkalation Gleichgewicht zwischen zwei Oxidationsstufen von Ir Oxide 11 vorgeschlagen beteiligt sind . Wie im Fall der elektrochemisch synthetisierte Ir Oxide, ist der vorherrschende Zustand der hydratisierten Form 8 , die bei 59 mV / pH als die wasserfreien Formen superior mit einer Empfindlichkeit super-Nernstschen Antworten liefert. Der Mechanismus kann erklärt werden unter Verwendung der folgenden Gleichung 8,9:
2 [IrO 2 (OH) 2 · 2H 2 O)] 2- + 3H + + 2e - ⇔ 2 [IrO2 (OH) 2 · 2H 2 O)] 2- + 3H 2 O
Wie in 3A (schwarz) gezeigt, zeigte die IrO 2 -RGO Elektrode eine wohldefinierte lineare Kennlinie über einen breiten pH - Bereich von 2 bis 12, mit einem leicht super-Nernstschen Steigung von -61,71 mV / pH , die näher an anodisch elektrolytisch IrO 2 Filme mit nahezu Nerstian Antworten 11,12 eher als solche mit Super - Nernst 13,14. Dies geschieht möglicherweise aufgrund der verschiedenen Elektroabscheidungsbedingungen und Substrate, die in jedem Fall. Es ist möglich , dass ein Gemisch von wasserfreien und hydratisierten IrO 2 -Schicht auf Graphen während des anodischen galvani gebildet wird. Die vernachlässigbaren Unterschied der gemessenen pH zwischen gemustertem Papier mikrofluidischen Vorrichtung (3A, rot) und Bulk - Lösung ergibt das faserige Cellulosepapier - Matrix nicht die Diffusion von Wasserstoffionen zu einer merklichen Ausmaß nicht behindert. Sich auflösend Luftsauerstoff vorhanden ist ubiquitär in Proben kann manchmal stark Potential Messungen beeinflussen aufgrund ihrer Redox - Prozesse, insbesondere in biologischen Systemen 12. Wenn die Elektrode in N 2 angeordnet ist - oder luftgesättigtem Pufferlösung gibt es nur geringe Unterschiede (Abbildung 3B). Da indessen die Ionenstärke und Zusammensetzung unterschiedlich sind in Abhängigkeit von Puffern eine Anzahl pH - Puffer wurden einschließlich der kommerziellen pH Kalibrierungspuffer getestet, BR - Puffer, Phosphat - gepufferter Salzlösung (PBS) und NaOH / HCl eingestellt DI Wasser (3C). Die Empfindlichkeiten (mV pro Einheit pH-Wert) sind in allen Puffern nahezu identisch. Jedoch eine nennenswerte Potentialdrift wurde in PBS-Puffer beobachtet, die einen relativ engeren pH-Bereich hat. Dies kann auf verschiedene bedingte Standardpotentiale (E 0 'Begriff im Gleichgewicht Nernst - Gleichung) zugeschrieben werden von IrO 2 -RGO pH - Elektrode in PBS.
Reaktionszeit, eine Taste fSchauspieler in jedem Erfassungs Anwendung wird normalerweise als die Zeit definiert, bestimmte Prozentsätze des Gleichgewichts erforderlich OCP erreicht wird. Typische Reaktionszeit beträgt weniger als 250 sec unter allen pH - Wert könnte aber sein , stark pH-abhängig 11. Hysteresis oder die sogenannte Memory-Effekt ist ein bekanntes Phänomen, das mit Glas und Metalloxid-pH-Elektroden während wiederholter Verwendungen derselben Elektrode. Dieses Phänomen der wasserstoffionenselektiven Elektroden wird als Ergebnis der verzögerten Reaktion auf die pH-Änderung betrachtet. Die IRO 2 -RGO pH - Elektrode wurde in pH - Puffer von niedrig bis hoch, und wiederum von hohen zu niedrigen getestet. Diese Schleife Zyklen der pH 2-12-2 und 12-2-12 wurden durch sukzessives Messen OCP verschiedener pH - Puffer in den Zyklen (4B) beurteilt. Die Hysteresebreiten berechnet etwa 13 mV in beiden Zyklen zu sein, die in der Routine pH-Messungen akzeptabel und genau sind, insbesondere die weiten pH-Bereich untersucht hier Bezug.
Zur weiteren validate IRO 2 -RGO Nano - Hybrid - Dünnfilm - pH - Sensor wurde die Leistung parallel zu einer Standard - Glaselektrode mit einem pH / mV / Ion / Leitfähigkeitsmessgerät (5A) getestet. Die Ergebnisse korrelieren gut miteinander, was auf die hohe Genauigkeit und zuverlässige Leistung des entwickelten pH-Sensor. Um das zu erreichen wirklich vor Ort pH-Messungen mit den tragbaren elektrochemischen Papier Mikrofluidik-Vorrichtung, zwei einfache digitale pH-Meter wurden mit leicht unterschiedlichen Konfigurationen aufgebaut. Gemessen pH beide Meter unter Verwendung war mit dem Labor-basierten elektrochemischen Analyse sehr konsistent. Die Reproduzierbarkeit wurde mehrmals mit der gleichen Elektrode in verschiedenen pH BR Puffer und auch mit unterschiedlichen Elektroden getestet. Die relative Standardabweichung (RSD) Werte waren typischerweise alle <15%.
Abschließend eine schnelle, kontrollierbare und grün elektrochemischen Verfahren zur Synthese von gleichmäßige und glatte IrO 2 -RGO Nano - Hybrid - Dünnfilme entwickelt on grobe SPE Oberfläche, unterstützt durch die gute filmbildende und unterstützende Fähigkeiten von RGO. Der resultierende Festkörperelektrode eine etwas super-Nernst-Antwort mit einer hohen Empfindlichkeit von -62 mV / pH und mit guter Linearität in einem weiten Bereich von pH 2 bis 12. Die Elektroden haben auch kleine Hysterese, schnelle Reaktionszeit zeigte, Reproduzierbarkeit und gute Vereinbarungen mit kommerziellen Glaselektrode ausgestattetes Labor-basierten pH-Meter. Ein miniaturisiertes Papier Mikrofluidik-Pad wurde von PDMS hydrophobe Barriere Musterung hergestellt. Eine einfache pH-Meter wurde mit zwei 9 V Alkaline-Batterien hergestellt, ein Digital-Multimeter, und OpAmps. Gemessene pH-Wert ergibt sich aus dem Sensor mit denen korrelierte gut Labor-basierten Techniken erhalten werden. Damit der Sensor die Vorteile beider pH-Meter und pH-Streifen kombiniert ist eine vielversprechende Plattform für zukünftige Vor-Ort oder Point-of-Care-pH-Messungen, insbesondere unter beschränkter Ressourcen-Status.
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Disclosures
Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen.
Acknowledgments
Diese Arbeit wurde durch einen Zuschuss aus dem Wasser Ausrüstungen und Politik (WEP) NSF Industrie / Universität Cooperative Research Center (I / UCRC) unterstützt. Die Autoren sind auch dankbar, dass die Hjalmar D. und Janet W. Bruhn Fellowship und Louis und Elsa Thomsen Wisconsin Distinguished Graduate Fellowship JY an der UW-Madison bereitgestellt
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
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