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Bioengineering

एक Nafion-लेपित, कम ग्राफीन ऑक्साइड/Polyaniline Chemiresistive संवेदक के निर्माण के लिए एक माइक्रोबियल किण्वन के दौरान वास्तविक समय में पीएच की निगरानी

Published: January 7, 2019 doi: 10.3791/58422
Automatic Translation
1, 1
1Products and Processes for Biotechnology, Engineering and Technology Institute Groningen, Faculty of Science and Engineering, University of Groningen

Summary

यहां, हम एक Nafion-लेपित, polyaniline-कार्यात्मक, electrochemically कम ग्राफीन ऑक्साइड chemiresistive माइक्रो पीएच संवेदक के निर्माण के लिए प्रोटोकॉल की रिपोर्ट । इस chemiresistor आधारित, ठोस राज्य माइक्रो पीएच संवेदक एक Lactococcus लैकि्टस किण्वन प्रक्रिया के दौरान वास्तविक समय में पीएच परिवर्तन का पता लगा सकते हैं ।

Abstract

यहां, हम एक ठोस राज्य माइक्रो पीएच polyaniline-कार्यात्मक, electrochemically कम ग्राफीन ऑक्साइड (फलस्वरूप-फिलीस्तीनी अथॉरिटी) के आधार पर संवेदक की इंजीनियरिंग की रिपोर्ट । Electrochemically कम ग्राफीन ऑक्साइड कार्य के रूप में आयोजित परत और polyaniline एक पीएच के रूप में संवेदनशील परत कार्य करता है । polyaniline के पीएच-निर्भर चालकता प्रोटॉन के दौरान छेद के डोपिंग द्वारा और के दौरान छिद्र के डोपिंग से होता है । हमने पाया है कि एक फलस्वरूप-पीए ठोस राज्य इलेक्ट्रोड किण्वन प्रक्रियाओं में इस तरह के रूप में कार्यात्मक नहीं था । electrochemically सक्रिय प्रजातियों कि जीवाणु किण्वन प्रक्रिया के दौरान उत्पादन इलेक्ट्रोड प्रतिक्रिया के साथ हस्तक्षेप. हम सफलतापूर्वक एक प्रोटॉन के रूप में Nafion लागू फलस्वरूप-PA पर परत का आयोजन । Nafion-लेपित इलेक्ट्रोड (फलस्वरूप-पा-NA) chemiresistive सेंसर मापन के लिए १.७१ Ω/पीएच (ph 4-9) की एक अच्छी संवेदनशीलता दिखाते हैं । हम Lactococcus लैकि्टसके किण्वन में वास्तविक समय में फलस्वरूप-PA-एनए इलेक्ट्रोड का परीक्षण किया । एल लैकि्टस के विकास के दौरान, पीएच ७.२ से पीएच ४.८ और फलस्वरूप-PA-ना ठोस राज्य इलेक्ट्रोड से बदल २९४.५ ω के लिए परिवर्तित माध्यम का पीएच-२८८.६ ω (५.९ ω प्रति २.४ पीएच इकाई) । फलस्वरूप-पीए-ना इलेक्ट्रोड के पीएच प्रतिक्रिया एक पारंपरिक ग्लास की प्रतिक्रिया के साथ तुलना पीएच इलेक्ट्रोड आधारित है कि संदर्भ-कम ठोस राज्य microsensor arrays एक सूक्ष्मजीवविज्ञानी किण्वन में सफलतापूर्वक काम से पता चलता है ।

Introduction

पीएच कई रासायनिक और जैविक प्रक्रियाओं में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है । पीएच मान में भी छोटे परिवर्तन की प्रक्रिया को बदल और प्रतिकूल प्रक्रिया के परिणाम को प्रभावित । इसलिए, यह प्रयोग के हर चरण के दौरान पीएच मान पर नजर रखने और नियंत्रित करने के लिए आवश्यक है । कांच आधारित पीएच इलेक्ट्रोड सफलतापूर्वक कई रासायनिक और जैविक प्रक्रियाओं में पीएच की निगरानी करने के लिए इस्तेमाल किया गया है, हालांकि एक गिलास इलेक्ट्रोड का उपयोग पीएच को मापने के लिए कई सीमाएं बन गया है. कांच आधारित पीएच इलेक्ट्रोड अपेक्षाकृत बड़े, नाजुक है, और नमूने में इलेक्ट्रोलाइट के छोटे रिसाव संभव हो रहे हैं । इसके अलावा, इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रॉनिक्स ९६ में आवेदनों के लिए अपेक्षाकृत महंगे है-अच्छी तरह से स्क्रीनिंग किण्वन सिस्टम । इसके अलावा, विद्युत सेंसर आक्रामक होते हैं और नमूने का उपभोग करते हैं । इसलिए, यह गैर इनवेसिव, संदर्भ कम सेंसर का उपयोग करने के लिए अधिक लाभप्रद है.

आजकल, लघुकृत प्रतिक्रिया प्रणाली कई रासायनिक इंजीनियरिंग में इष्ट और जैव प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों के रूप में इन माइक्रोसिस्टंस बढ़ाया प्रक्रिया नियंत्रण प्रदान करते हैं, उनके स्थूल प्रणाली के सादृश्य पर कई अंय लाभ के साथ साथ । मॉनिटर करने के लिए और एक लघुकृत प्रणाली में मापदंडों को नियंत्रित करने के लिए सेंसर के आकार के रूप में एक चुनौतीपूर्ण काम है मापने के लिए, उदाहरण के लिए, पीएच और ओ2, के रूप में अच्छी तरह से कम करने की आवश्यकता. जैविक प्रणालियों के लिए microreactors के सफल उत्पादन प्रक्रिया की निगरानी के लिए विश्लेषणात्मक उपकरण के विभिंन प्रकार की आवश्यकता है । इसलिए, स्मार्ट microsensors के विकास microreactors में जैविक प्रक्रियाओं को ले जाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है ।

हाल ही में, वहां कई के लिए स्मार्ट पीएच सेंसर कार्बन नैनोट्यूब की तरह chemiresistive संवेदन सामग्री का उपयोग कर और1पॉलिमर के आयोजन का विकास प्रयास किया गया है । इन chemiresistive सेंसर कोई संदर्भ इलेक्ट्रोड की आवश्यकता है और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के साथ एकीकृत करने के लिए आसान कर रहे हैं. सफल chemiresistive सेंसर यह स्मार्ट सेंसर कि लागत प्रभावी और निर्माण करने के लिए आसान कर रहे हैं का उत्पादन करने के लिए संभव बनाने के लिए, परीक्षण के लिए एक छोटी मात्रा की आवश्यकता होती है, और गैर इनवेसिव हैं.

यहां, हम polyaniline कार्यात्मक, electrochemically कम ग्राफीन ऑक्साइड के साथ एक इलेक्ट्रोड विकसित करने के लिए एक विधि की रिपोर्ट. chemiresistive इलेक्ट्रोड एक एल लैकि्टस किण्वन के दौरान एक पीएच संवेदक के रूप में चल रही है । एल लैकि्टस एक लैक्टिक-एसिड उत्पादन जीवाणु खाद्य किण्वन और खाद्य परिरक्षक प्रक्रियाओं में इस्तेमाल किया है । किण्वन के दौरान, लैक्टिक एसिड का उत्पादन पीएच कम करती है, और जीवाणु एक कम पीएच2,3,4से बढ़ बंद हो जाता है ।

एक किण्वन माध्यम एक जटिल रासायनिक वातावरण है कि पेप्टाइड्स, लवण, और redox अणुओं जो सेंसर सतह5,6,7,8,9के साथ हस्तक्षेप करते हैं होता है. इस अध्ययन से पता चलता है कि एक पीएच एक उचित सतह संरक्षण परत के साथ chemiresistive सामग्री पर आधारित संवेदक जटिल किण्वन मीडिया के इस प्रकार में पीएच उपाय किया जा सकता है । इस अध्ययन में, हम सफलतापूर्वक polyaniline-लेपित के लिए सुरक्षा परत के रूप में Nafion का उपयोग करें, electrochemically कम ग्राफीन ऑक्साइड एक एल लैकि्टस किण्वन के दौरान वास्तविक समय में पीएच को मापने के लिए ।

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Protocol

1. ग्रेफाइट ऑक्साइड की तैयारी

नोट: ग्रेफाइट ऑक्साइड ' हथौड़ा विधि10,11के अनुसार तैयार है ।

  1. 3 जी में ग्रेफाइट का ६९ मिलीलीटर केंद्रित एच2तो4 और जब तक ग्रेफाइट पूरी तरह से फैलाया है समाधान हलचल में जोड़ें । सोडियम नाइट्राइट के १.५ ग्राम जोड़ें और इसे 1 ज के लिए छोड़ दें जबकि सरगर्मी । फिर, एक बर्फ स्नान में कंटेनर जगह है ।
  2. इसमें 9 ग्राम पोटेशियम परमैंगनेट के फैलाव में डालें और बर्फ के नहाने से कंटेनर को निकाल दें । कमरे के तापमान को गर्म करने के लिए समाधान की अनुमति दें ।
  3. सबसे पहले, आसुत जल dropwise के १३८ मिलीलीटर जोड़ें । फिर, आसुत जल के ४२० मिलीलीटर जोड़ने के लिए जारी है । एक चूल्हा का उपयोग कर 15 मिनट के लिए ९० डिग्री सेल्सियस पर तापमान बनाए रखें । फैलाव के लिए 30% हाइड्रोजन पेरोक्साइड की ७.५ मिलीलीटर जोड़ें ।
  4. 20 मिनट के लिए १०,००० x g पर केंद्रापसारक द्वारा उत्पाद ले लीजिए और supernatant समाधान त्यागें । एक 10% एचसीएल (वी/वी) समाधान के साथ गर्म डबल आसुत पानी और 2x के साथ गोली 4x धो लें । अंत में, यह इथेनॉल के साथ 2x धो और ओवन में ५० डिग्री सेल्सियस पर सूखी ।

2. GO-जमा इलेक्ट्रोड तैयारी

  1. फैलाने 10 पानी के 10 मिलीलीटर में ग्रेफाइट ऑक्साइड की मिलीग्राम और फिर यह 6 एच के लिए एक अल्ट्रासोनिक स्नान में sonicate ।
  2. २,७०० x g पर 30 मिनट के लिए केंद्रापसारक द्वारा छूटना ग्रेफाइट ऑक्साइड गुच्छे निकालें केंद्रापसारक के बाद ठोस कणों को त्यागें और आगे के प्रयोगों के लिए supernatant का उपयोग करें ।
    नोट: हम शेयर समाधान के रूप में इस छूटना जाना गुच्छे फैलाव इस्तेमाल किया ।
  3. जाओ स्टॉक समाधान दो गुना पतला । हमेशा शेयर समाधान से एक ताजा जाओ काम समाधान तैयार करते हैं ।
  4. एक उजागर interdigitated गोल्ड इलेक्ट्रोड के शीर्ष पर जाओ काम समाधान के 2 µ एल जोड़ें (आंकड़ा 1a और चित्रा 2) । ड्रॉप कास्टिंग के बाद, 12 ज के लिए कमरे के तापमान पर इलेक्ट्रोड सूखी । यह जाने-जमा इलेक्ट्रोड है.

3. Electrochemically कम ग्राफीन ऑक्साइड के लिए जाने की कमी

  1. polydimethylsiloxane (PDMS) इलेक्ट्रोड धारक (नीचे टुकड़ा) में इलेक्ट्रोड डालें. इलेक्ट्रोड धारक, जो एक समाधान जलाशय के रूप में कार्य करता है के अन्य भाग प्लेस, इलेक्ट्रोड के शीर्ष पर के रूप में चित्र 1a - 1Cके रूप में दिखाया गया. धारकों दो भागों कतरन एक साथ दो पेपर क्लिप का उपयोग करके इकट्ठा । सुनिश्चित करें कि PDMS धारक जाने-जमा इलेक्ट्रोड भाग को कवर नहीं करता है ।
  2. प्लास्टिक ३०० जलाशय में ०.२ मीटर फॉस्फेट बफर (पीएच 7) के µ एल । इसके बाद, संदर्भ और काउंटर इलेक्ट्रोड को इस तरह से हल में रखें कि इलेक्ट्रोड्स को गो फिल्म की सतह के करीब रखा जाए, जैसा कि चित्रा 1Cमें दिखाया गया है. इस सेट अप जाने के विद्युत कमी और polyaniline जमाव के लिए प्रदर्शन करने के लिए एक विद्युत सेल के रूप में कार्य करता है ।
  3. डेटा प्राप्ति के लिए किसी कंप्यूटर से कनेक्टेड potentiostat के साथ इलेक्ट्रोड कनेक्ट करें । विद्युत कमी के लिए चक्रीय voltammetry का प्रयोग करें: एक संभावित सीमा के रूप में 0 से-१.२ V का चयन करें और स्कैन दर के रूप में ५० एमवी/। 0 से-१.२ V 10x (चित्रा 3) के बीच इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज चक्र.
  4. प्रयोग करने के बाद, धारक से इलेक्ट्रोड को हटा दें और बार-बार उसे डबल-आसुत पानी से धो लें । फिर, इलेक्ट्रोड एक ओवन में १०१ डिग्री सेल्सियस पर 12 घंटे के लिए सूखी ।
  5. जब इलेक्ट्रोड सूखी है, इलेक्ट्रोड ओवन से निकालें और यह कमरे के तापमान के लिए शांत करने के लिए अनुमति देते हैं । फिर, एक मीटर के साथ इलेक्ट्रोड की चालकता को मापने. इलेक्ट्रोड अब एक electrochemically कम ग्राफीन ऑक्साइड (फलस्वरूप) इलेक्ट्रोड के रूप में संदर्भित किया जाता है ।

4. फलस्वरूप इलेक्ट्रोड के Polyaniline Functionalization

  1. polyaniline functionalization के लिए 10 एमएम एनिलिन मोनोमर तैयार करें । 1 M ज2सू4के 5 मिलीलीटर में 10 मिमी एनिलिन के 5 µ l को भंग ।
  2. polyaniline functionalization के लिए, एनिलिन मोनोमर के ३०० µ l को समाधान जलाशय में जोड़ें । फलस्वरूप-जमा इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोड धारक में जाने की कमी के लिए प्रक्रिया में वर्णित के रूप में रखें ।
  3. functionalize के लिए एनिलिन के electropolymerization के लिए चक्रीय voltammetry का प्रयोग करें फलस्वरूप ERGA में-polyaniline (फलस्वरूप-PA): 0 का चयन करने के लिए ०.९ V एक संभावित सीमा के रूप में और ५० एमवी/एस स्कैन दर के रूप में । 50x के लिए 0 से ०.९ वी के बीच इलेक्ट्रोड पर वोल्टेज चक्र (चित्रा 4).
  4. polyaniline जमाव के बाद, इलेक्ट्रोड को हटा दें और उसे डबल-आसुत पानी से बार-बार धोएं । फिर, ८० डिग्री सेल्सियस पर इलेक्ट्रोड 12 घंटे के लिए ओवन में सूखी ।
  5. ओवन से इलेक्ट्रोड निकालें और यह एक मीटर के साथ इलेक्ट्रोड की चालकता को मापने से पहले कमरे के तापमान को शांत करने के लिए अनुमति देते हैं.
  6. Britton-रॉबिंसन बफर समाधान के लिए ०.२ मीटर NaOH जोड़कर एक पीएच 5 बफर समाधान तैयार जब तक पीएच 5 (५.१ कदम देखें) । 24 घंटे के लिए पीएच 5 में इलेक्ट्रोड बफर में रखें ।
    1. एक Britton-रॉबिंसन यूनिवर्सल बफर समाधान तैयार करने के लिए, फास्फोरस एसिड के ०.०४ मॉल, एसिटिक एसिड के ०.०४ मॉल मिश्रण, और ultrapure पानी के ०.८ एल में बोरिक एसिड के ०.०४ मॉल । वांछित पीएच4तक पहुंच गया है जब तक बफर समाधान के लिए ०.२ मीटर सोडियम हीड्राकसीड dropwise जोड़ें । अंतिम मात्रा 1 L तक ultrapure पानी डालें ।

5. फलस्वरूप-पीए इलेक्ट्रोड अलग पीएच पर परीक्षण (पूर्व अंशांकन Nafion कोटिंग से पहले)

  1. एक पीएच 5 बफर समाधान में इलेक्ट्रोड कंडीशनिंग के बाद, एक अलग पीएच के समाधान में इलेक्ट्रोड के प्रतिरोध को मापने (पीएच 4 से पीएच 9 करने के लिए, चित्रा 5देखें).
    1. इस माप के लिए, सीधे बफर समाधान में इलेक्ट्रोड डुबकी और इलेक्ट्रोड के अन्य भाग से कनेक्ट करने के लिए डेटा प्राप्ति के लिए कंप्यूटर नियंत्रित potentiostat. ०.२ मीटर NaOH के साथ titrating द्वारा पीएच बदलें ।
    2. तकनीकों की सूची में से chronopotentiometry या amperometry i-t वक्र चुनें और इलेक्ट्रोड के लिए एक १०० एमवी संभावित अंतर लागू.
      नोट: potentiostat समय के खिलाफ वर्तमान उपाय । potentiostat को नियंत्रित करने सॉफ्टवेयर समय के खिलाफ वर्तमान के एक ग्राफिकल प्रतिनिधित्व प्रदान करता है ।
    3. का प्रयोग करें ओम कानून मापा वर्तमान और लागू वोल्टेज से प्रतिरोध मूल्य की गणना करने के लिए (प्रतिरोध वर्तमान से विभाजित वोल्टेज के बराबर है).
  2. माप के बाद, 12 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर इलेक्ट्रोड सूखी ।

6. Nafion-लेपित फलस्वरूप-PA इलेक्ट्रोड की तैयारी

  1. फलस्वरूप-पीए इलेक्ट्रोड के शीर्ष पर 5 wt% Nafion के 5 µ एल जोड़ें और 12 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर इलेक्ट्रोड सूखी ।
  2. Nafion कोटिंग के बाद, पीएच माप से पहले 24 घंटे के लिए पीएच 5 में इलेक्ट्रोड बफर समाधान में रखें ।
  3. पीएच 5 में कंडीशनिंग के बाद, Nafion लेपित फलस्वरूप-पीए इलेक्ट्रोड (फलस्वरूप-pa-एनए) को हटाने और पीएच 4 से इलेक्ट्रोड के प्रतिरोध को मापने के रूप में ५.१ धारा (6 चित्रा) में उल्लेख किया ।

7. एल लैकि्टस कल्चर मीडियम की तैयारी

  1. M17 पाउडर के ९.३ ग्राम को ultrapure पानी के २५० मिलीलीटर में डालें । धीरे से समाधान आंदोलन जब तक पाउडर पूरी तरह से घुल । 15 मिनट के लिए १२१ ° c पर समाधान आटोक्लेव ।
  2. एक चुंबकीय सरगर्मी पट्टी के साथ एक २५० मिलीलीटर निष्फल कुप्पी ले लो और कुप्पी के लिए निष्फल M17 मध्यम के ५० मिलीलीटर जोड़ें । उसके बाद, 8 मिलीलीटर autoclaved 1 M ग्लूकोज समाधान जोड़ें । Inoculate एक एल लैकि्टस संस्कृति के 10 µ एल के साथ समाधान, पहले एक ही संस्कृति माध्यम में उगाया जाता है ।
    नोट: बैक्टीरियल तनाव जन Kok, आणविक आनुवंशिकी, ग्रोनिंगन विश्वविद्यालय से प्राप्त किया गया था ।
  3. के लिए inoculated संस्कृति माध्यम के साथ कुप्पी प्लेस 30 डिग्री सेल्सियस पर एक मशीन ओवन में एक चुंबकीय सरगर्मी प्लेट पर 18 एच के लिए सरगर्मी और पीएच निगरानी करते हुए ।

8. फलस्वरूप की जांच-PA-एनए एक एल लैकि्टस किण्वन प्रयोग में पीएच प्रतिक्रिया

  1. फलस्वरूप एल लैकि्टस संस्कृति में-PA-एनए इलेक्ट्रोड प्लेस और एक कपास प्लग के साथ बंद करो । फिर, सेट-अप करने के लिए 30 डिग्री सेल्सियस पर थर्मोस्टेट में एल लैकि्टसविकसित करने के लिए जगह है ।
  2. इलेक्ट्रोड के लिए १०० एमवी लागू करें और समय के खिलाफ वर्तमान उपाय.
  3. ले ०.५-अलग समय अंक पर एमएल नमूने (उदाहरण के लिए देखें, चित्रा 7) को मापने के लिए ऑफ लाइन ६०० एनएम में ऑप्टिकल घनत्व और एक पारंपरिक ग्लास इलेक्ट्रोड के साथ पीएच । जब तक संस्कृति के ऑप्टिकल घनत्व लगातार हो जाता है, यह दर्शाता है कि बैक्टीरिया अब और नहीं बढ़ रहे है माप जारी रखें ।

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Representative Results

एक मजबूत कटौती पीक के आसपास की उपस्थिति-१.० V (चित्रा 3) फलस्वरूप12,13,14,22को जाने की कमी सचित्र । चोटी की तीव्रता इलेक्ट्रोड पर जाने परतों की संख्या पर निर्भर करता है. एक मोटी काली फिल्म पूरी तरह से इलेक्ट्रोड पर सोने के तारों को कवर किया । उस समय, दो अछूता सोने इलेक्ट्रोड प्रवाहकीय थे क्योंकि जाने दो सोने इलेक्ट्रोड तारों से जुड़े. Electropolymerization एनिलिन केफलस्वरूप15,16,17,18,19,20,21, पर एक हरे रंग की फिल्म जमा 22. इस हरी रंग फलस्वरूप पर एक प्रवाहकीय polyaniline परत के गठन का एक संकेत है । फलस्वरूप इलेक्ट्रोड की चालकता (प्रतिरोध कमी) polyaniline functionalization के बाद वृद्धि हुई.

जब हम, 4 और 9 के बीच एक पीएच के साथ एक समाधान में फलस्वरूप पीए इलेक्ट्रोड डाल वर्तमान मूल्य में वृद्धि हुई (चित्रा 5) डोपिंग के कारण और इस में प्रोटॉन/फलस्वरूप-फिलीस्तीनी अथॉरिटी में (चित्रा 2)22की प्रक्रिया के दौरान छेद के डोपिंग । फलस्वरूप-PA इलेक्ट्रोड के वर्तमान मूल्य की माप के लिए वांछित पीएच मान ०.२ M NaOH के साथ Britton-रॉबिंसन बफर समाधान titrating द्वारा प्राप्त किया गया था । इसलिए, ०.२ मीटर NaOH के हर अतिरिक्त के लिए, इलेक्ट्रोड के वर्तमान मूल्य में वृद्धि हुई (चित्रा 5 और चित्रा 6). इलेक्ट्रोड की प्रतिक्रिया तुरंत स्थिर था जब ०.२ मीटर NaOH के अलावा एक विशेष पीएच पर बंद कर दिया ।

प्रोटॉन की एक पतली फिल्म-प्रवाहकीय Nafion विलायक कमरे के तापमान पर काफूर के बाद गठित । इलेक्ट्रोड की चालकता ज्यादा प्रभावित नहीं था, लेकिन प्रतिरोध मूल्य में अंतर के कुछ ohms हुई और फलस्वरूप-पीए इलेक्ट्रोड के आधार वर्तमान मूल्य बदल गया. फलस्वरूप-pa इलेक्ट्रोड के समान, फलस्वरूप-पा-ना इलेक्ट्रोड का प्रतिरोध बदल गया जब पीएच बफ़र समाधान के 4 से 9 तक बदल गया, जैसा चित्र 618में दिखाया गया है ।

फलस्वरूप एल लैकि्टस संस्कृति के अंदर-PA-एनए इलेक्ट्रोड रखने के बाद, वर्तमान में शुरू में कमी आई है और फिर कुछ समय के लिए एक स्थिर मूल्य तक पहुंचने लगा । एक बार एल लैकि्टस की वृद्धि शुरू हो गई, फलस्वरूप-पा-ना के वर्तमान में धीरे-धीरे कमी आई. वर्तमान में कमी लैकि्टस के घातीय वृद्धि के चरण के दौरान त्वरित और वृद्धि के अंत में एक स्थिर मूल्य तक पहुंच (7 चित्रा)18। वर्तमान (या प्रतिरोध) के अंतिम मूल्य फलस्वरूप-पीए-ना इलेक्ट्रोड बफर समाधान (पीएच 4-7) में परीक्षण के वर्तमान मूल्य के बराबर है, जैसा कि चित्रा 7के इनसेट में दिखाया गया है ।

Figure 1
चित्रा 1: नीचे की छवियाँ (बाएँ) और शीर्ष (दाएँ) PDMS इलेक्ट्रोड धारक का हिस्सा. (A) इकट्ठे किए गए कक्ष के साथ (B) संदर्भ और (C) काउंटर इलेक्ट्रोड. (घ) सेंटीमीटर में स्केल बार के साथ interdigitated गोल्ड इलेक्ट्रोड । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्रा 2: फलस्वरूप की योजनाबद्ध-pa-फलस्वरूप और फिलीस्तीनी अथॉरिटी गठन के एक ग्राफिकल प्रतिनिधित्व के साथ interdigitated गोल्ड इलेक्ट्रोड जमा । छवि भी छिद्र से पता चलता है फलस्वरूप-फिलीस्तीनी अथॉरिटी पर प्रोटॉन के दौरान । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3:५० एमवी की एक स्कैन दर पर विभिन्न जाने सांद्रता के साथ जाने की कमी के चक्रीय voltammetry/ कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4:५० एमवी की एक स्कैन दर पर polyaniline जमाव के चक्रीय voltammetry/ ५० के कुल से पहले 10 स्कैन दिखाए जाते हैं । अनुलंब तीर स्कैन के दौरान वर्तमान वृद्धि की प्रवृत्ति को चिह्नित करता है, और क्षैतिज तीर वोल्टेज स्कैन की दिशा चिह्नित करता है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्रा 5: फलस्वरूप-पीए इलेक्ट्रोड के खिलाफ पीएच 4 से 9 के प्रतिरोध मूल्य । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 6
चित्रा 6: फलस्वरूप-पीए-ना इलेक्ट्रोड के खिलाफ पीएच 4 से 9 के प्रतिरोध मूल्य । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 7
चित्रा 7: फलस्वरूप के वास्तविक समय निरंतर पीएच परिवर्तन-PA-एनए के दौरान एल लैकि्टस किण्वन । इनसेट की उंमीद प्रतिरोध मूल्य से पता चलता है-PA-pH 4-7 के लिए Britton-रॉबिंसन बफर समाधान में मापा के लिए एनए । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

यह जाओ परतों पूरी तरह से जाने के जमाव के बाद सोने इलेक्ट्रोड तारों को कवर कि आवश्यक है. यदि सोने इलेक्ट्रोड जाने के साथ कवर नहीं कर रहे हैं, polyaniline केवल फलस्वरूप पर भी दिखाई सोने इलेक्ट्रोड तारों पर सीधे जमा नहीं होगा । गोल्ड इलेक्ट्रोड तारों पर polyaniline के जमाव इलेक्ट्रोड के प्रदर्शन पर निहितार्थ हो सकता है. फलस्वरूप करने के लिए जाने की कमी के बाद, इलेक्ट्रोड १०० ° c पर सूख जाता है फलस्वरूप परत और सोने इलेक्ट्रोड तारों के बीच संबंध को मजबूत करने के लिए. प्रत्येक इलेक्ट्रोड के प्रतिरोध सोने इलेक्ट्रोड पर जमा कर रहे हैं कि जाने परतों की संख्या के आधार पर बदलता है. इसलिए, यह प्रत्येक इलेक्ट्रोड के लिए जाना की एक ही एकाग्रता है करने के लिए महत्वपूर्ण है, और यह मापने सर्किट के साथ संगत है कि एक पूर्वनिर्धारित निर्दिष्ट रेंज में एक प्रतिरोध के साथ इलेक्ट्रोड निर्माण करने के लिए मुश्किल है. यह इलेक्ट्रोड के आसान बड़े पैमाने पर उत्पादन को सीमित करता है ।

कम ग्राफीन ऑक्साइड/polyaniline की तैयारी एक विद्युत विधि द्वारा अंय रिपोर्ट की तैयारी के तरीकों पर कुछ लाभ है । विद्युत विधि यहां प्रस्तुत मजबूत कम करने और ऑक्सीकरण एजेंटों (जैसे, hydrazine और अमोनियम persulfate)23,26की आवश्यकता नहीं है । इसके अलावा, सामग्री सीधे इलेक्ट्रोड पर जमा है और कोई आगे प्रसंस्करण की आवश्यकता है, निर्माण प्रक्रिया तेजी से और आसान बना रही है. के रूप में जाना सीटू मेंelectrochemically कम है, सोने और ग्राफीन के बीच एक अच्छा संबंध हासिल की है, पीएच इलेक्ट्रोड और अधिक मजबूत बना रही है ।

Equilibrating इस फलस्वरूप-PA इलेक्ट्रोड में 3 और 9 के बीच एक पीएच के साथ Nafion लागू करने से पहले इलेक्ट्रोड की संवेदनशीलता में सुधार (डेटा नहीं दिखाया गया है). इस चरण को छोड़ रहा है एक भिगोने की आवश्यकता है फलस्वरूप-PA-एनए इलेक्ट्रोड में एक बफ़र pH 5 से अधिक 24 h उपयोग करने से पहले ।

इसके अलावा, फलस्वरूप-PA इलेक्ट्रोड Nafion लागू करने से पहले शुष्क होना चाहिए । एक गीला फलस्वरूप-pa इलेक्ट्रोड फलस्वरूप-pa और Nafion के बीच एक जलीय परत के परिणामस्वरूप और पीएच सेंसर की प्रतिक्रिया समय में वृद्धि हुई. प्रतिरोध या फलस्वरूप की वर्तमान मापा-PA-एक अलग पीएच इलेक्ट्रोड के बीच विभिंन के साथ समाधान में ना । प्रतिरोध या प्रत्येक इलेक्ट्रोड के लिए वर्तमान में यह भिन्नता है, सबसे अधिक संभावना है, जाने की संख्या में अंतर की वजह से सोने इलेक्ट्रोड तारों पर जमा परतों. बस अंय पीएच इलेक्ट्रोड के साथ की तरह, फलस्वरूप-PA-एनए इलेक्ट्रोड के उचित अंशांकन के लिए विश्वसनीय पीएच मान प्राप्त करने के लिए आवश्यक है ।

एल लैकि्टस संस्कृति के अंदर इलेक्ट्रोड रखने के बाद, एक प्रारंभिक स्थिरीकरण समय एक निरंतर वर्तमान प्राप्त करने के लिए आवश्यक है. एल लैकि्टस किण्वन में, प्रारंभिक पीएच ७.२ है । एल लैकि्टसके विकास के दौरान, ग्लूकोज बायोमास में और लैक्टिक एसिड कि acidifies किण्वन तरल में बदल जाता है । वृद्धि बंद हो जाता है जब किण्वन माध्यम का पीएच भी उचित विकास का समर्थन करने के लिए कम हो जाता है या जब कोई ग्लूकोज छोड़ दिया है । वर्तमान (या प्रतिरोध) के मूल्य फलस्वरूप-pa-एनए के पहले और बाद में विकास वर्तमान (या प्रतिरोध) के बराबर मूल्य है फलस्वरूप-पीए-ना पहले अलग बफर समाधान में तुले हुए हैं. एल लैकि्टस किण्वन माध्यम के प्रारंभिक पीएच और अंत पीएच एक पारंपरिक ग्लास पीएच इलेक्ट्रोड का उपयोग कर की पुष्टि की थी ।

पीएच सेंसर आसानी से घर में निर्मित किया जा सकता है सस्ते रसायनों का उपयोग । कम निर्माण लागत शोधकर्ताओं अनुप्रयोगों में इस इलेक्ट्रोड का उपयोग करने की अनुमति पीएच इलेक्ट्रोड की एक बड़ी संख्या में आवश्यक हैं (जैसे, एक जीवाणु किण्वन स्क्रीनिंग मंच में). पीएच इलेक्ट्रोड का एक और आवेदन परिस्थितियों में जहां एक पारंपरिक गिलास पीएच इलेक्ट्रोड से KCl के प्रसार को मापने के समाधान में नहीं चाहता है कल्पना की है । इस प्रोटोकॉल के पीएच इलेक्ट्रोड नमूना में फैलाना कर सकते हैं कि कोई आंतरिक तरल पदार्थ है.

वर्तमान में उपलब्ध वायरलेस इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के साथ chemiresistive संवेदक के संगतता1,27 यह आसानी से वायरलेस पीएच सेंसर का उपयोग कर अनुप्रयोगों को विकसित करने के लिए संभव बनाता है.

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक वित्तीय सहायता के लिए ग्रोनिंगन विश्वविद्यालय को स्वीकार करते हैं ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Graphite flakes Sigma Aldrich
Sulfuric acid (H2SO4) Merck
Sodium nitrite (NaNO2) Sigma Aldrich
Potassium permanganate (KMnO4) Sigma Aldrich
30 % H2O2 Sigma Aldrich
HCL Merck
Aniline Sigma Aldrich
5wt % Nafion Sigma Aldrich
M17 powder BD Difco
Phosphoric acid (H3PO4) Sigma Aldrich
Boric acid (HBO3) Merck
Acetic acid Merck
Sodium Hydroxide Sigma Aldrich
Potassium dihydrogen phosphate Sigma Aldrich
Dipostassium hydrogen phosphate Sigma Aldrich
Au Interdigitated electrodes BVT technology - CC1 W1
Potentiostat CH Instruments Inc (CH-600, CH-700)

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References

  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).

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इंजीनियरिंग १४३ अंक कम ग्राफीन ऑक्साइड polyaniline chemiresistor potentiometric पीएच संवेदक microsensor बैक्टीरियल किण्वन
एक Nafion-लेपित, कम ग्राफीन ऑक्साइड/Polyaniline Chemiresistive संवेदक के निर्माण के लिए एक माइक्रोबियल किण्वन के दौरान वास्तविक समय में पीएच की निगरानी
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Chinnathambi, S., Euverink, G. J. Manufacturing of a Nafion-coated, Reduced Graphene Oxide/Polyaniline Chemiresistive Sensor to Monitor pH in Real-time During Microbial Fermentation. J. Vis. Exp. (143), e58422, doi:10.3791/58422 (2019).

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