Tillverkning av en Nafion-belagd, minskad grafen oxid/Polyaniline Chemiresistive Sensor för att övervaka pH i realtid under mikrobiell fermentering

Denna teknik kan hjälpa oss att besvara nyckelfrågor inom ett område med bioprocessteknologi, såsom biomaskkonvertering, eller produktion av biogas från organiskt avfall. Den största fördelen med denna chemiresistive pH-avkänning är att elektroderna är små, är röret replikera i stort antal, och arbeta utan referenselektrod. Konsekvenserna av denna teknik sträcker sig till flera mikroreaktorer, eftersom pH är en viktig parameter.

Konventionella pH-elektroder är för dyra eller för stora för att kunna användas i en mikroreaktorscreeningplattform. Den här metoden kan ge insikt i flera permutation passerar i liten skala. Det kan också tillämpas i andra kemiska eller biologiska pass där pH-mätningar är viktiga.

Först, tillsätt tre gram grafit till 69 milliliter koncentrerad svavelsyra, och rör om lösningen tills grafiten har helt dispergerat. Tillsätt 1,5 gram natriumnittrit. Efter en timmes omrörning, placera behållaren i ett isbad.

Tillsätt nio gram kaliumpermanganat till spridningen, och ta bort behållaren från isbadet. Efter att lösningen kan värmas till rumstemperatur, tillsätt 138 milliliter Milli-Q vatten droppvis. Tillsätt sedan 420 milliliter Milli-Q-vatten och bibehåll temperaturen vid 90 grader Celsius i 15 minuter med hjälp av en värmeplatta.

Tillsätt 7,5 milliliter av 30%väteperoxid till den heta spridningen. Efter överföring av spridningen till ett centrifugrör, samla produkten genom centrifugering vid 10, 000 gånger G i 20 minuter. Efter att du kastat supernatanten, tvätta pelleten fyra gånger med varmt dubbeldestillerat vatten, och två gånger med 10%saltsyra.

Slutligen, tvätta pelleten två gånger med etanol och torka den i 50 grader Celsius i ugnen. Dispergera 10 milligram grafitoxid i 10 milliliter Milli-Q-vatten, och sedan sonikera spridningen i ett ultraljudsbad i sex timmar. Efter ultraljud, ta bort den unexfoliated grafit oxid flingor genom centrifugeringen i 30 minuter vid 2700 gånger G.After centrifugation, kassera de fasta partiklarna, och använda supernatant för ytterligare experiment.

För att bereda arbetslösningen, späd grafenoxidbeståndslösningen tvåfaldig med Milli-Q-vatten. Nu lägga till två microliters av grafen oxid arbetslösning på toppen av en exponerad interdigitated guld elektrod. Efter droppgjutning, torka grafenoxidelektroden i rumstemperatur i 12 timmar.

För in elektroden i en PDMS-elektrodhållare. Placera den andra delen av elektrodhållaren, som fungerar som en lösningsreservoar, ovanpå elektroden. Sätt ihop hållarna genom att klippa ihop de två delarna med hjälp av två gem.

Därefter pipettera 300 mikroliter av 2 molarfosfatbuffert i reservoaren. Placera sedan referens- och motelektroderna i lösningen på ett sådant sätt att de placeras nära grafenoxidfilmens yta. Anslut elektroderna med en potentiostat, ansluten till en dator för datainhämtning.

Använd cyklisk voltametri för den elektrokemiska reduktionen, och välj lämplig potentialintervall och skanningshastighet. Cykla spänningen över elektroden 10 gånger mellan noll till minus 1,2 volt. Efter experimentet, ta bort elektroden från hållaren, och tvätta den upprepade gånger med Milli-Q-vatten.

Torka sedan elektroden i en ugn vid 101 grader Celsius i 12 timmar. När elektroden är torr, ta bort den från ugnen och låt den svalna till rumstemperatur. Mät därefter ergo-elektrodens ledningsförmåga med en multimeter.

Förbered en 10 millimolar lösning av anilinmonomer för polyanilinfunktionaliseringen, genom att lösa upp fem mikroliter på 10 millimolaranilin i fem milliliter av en molar svavelsyra. Tillsätt 300 mikroliter av anilinmonomer till lösningsbehållaren. Placera sedan ergo-deponerade elektroden i elektrodhållaren som tidigare beskrivits.

Använd cyklisk voltametri för elektropolymerisering av anilin för att funktionalisera ErGO till ErGO-PA, och välj lämplig potentialintervall och skanningshastighet. Cykla spänningen över elektroden 50 gånger, mellan noll till 9 volt. Efter polyanilins avsättningen tar du bort elektroden och tvättar den upprepade gånger med Milli-Q-vatten.

Torka sedan elektroden vid 80 grader Celsius i ugnen i 12 timmar. När elektroden är torr, ta bort den från ugnen och låt den svalna till rumstemperatur innan elektrodens ledningsförmåga med en multimeter mäts. Därefter tillsätt 2 molar natriumhydroxid till Britton-Robinson buffertlösning, tills pH är fem.

För att förbereda en Britton-Robinson universell buffertlösning, blanda 04 mol av fosforsyra, 04 mol av ättiksyra och 04 mol av borsyra, i 8 liter Milli-Q vatten. Tillsätt sedan Milli-Q-vatten tills den slutliga volymen är en liter. Efter konditionering elektroden i pH fem buffertlösning, mäta dess motstånd i lösningar av olika pH, genom att först doppa den direkt i buffertlösningen.

Anslut sedan den andra delen av elektroden till en datorstyrd potentiostat för datainhämtning. Välj amperometri ström kontra tidskurva från listan över tekniker, och tillämpa en 100 millivolt potentiell skillnad på elektroden. Efter mätningarna torkar du elektroden i rumstemperatur i 12 timmar.

Tillsätt fem mikroliter av fem viktprocent nafion ovanpå ErGO-PA-elektroden, och torka elektroden vid rumstemperatur i 12 timmar. Efter nafionsbeläggningen, värm elektroden i buffertlösningen vid pH fem i 24 timmar före pH-mätningar. Efter konditionering i pH fem buffertlösningen, avlägsna den nafion-belagda ErGO-PA-elektroden och mät elektrodens resistans från pH fyra till nio, som tidigare beskrivits.

Tillsätt 9,3 gram M17-pulver till 250 milliliter demineraliserat vatten. Agitera långsamt lösningen tills pulvret löser sig helt. Sedan autoklavera lösningen vid 121 grader Celsius i 15 minuter.

Därefter lägger du till 50 milliliter av det steriliserade M17-mediumet i en 250 millilitersteriliserad kolv med en magnetisk omrörningsstång. Tillsätt 8 milliliter autoklaverad 1 molarglukoslösning till mediet. Sedan, inokulera lösningen med 10 mikroliter av L.lactis kultur, tidigare odlas i samma odlingsmedium.

Placera kolven med det inokulerade odlingsmediet på en magnetisk omrörningsplatta i en inkubationsugn vid 30 grader Celsius i 18 timmar under omrörning. Övervaka pH-värdet under inkubationen. Placera ErGO-PA-NA-elektroden i L.lactis-kulturen och stäng den med en bomullsplugg.

Placera sedan uppsättningen upp i en termostat på 30 grader Celsius för att växa L.lactis. Efter detta, tillämpa 100 millivolt på elektroden och mäta strömmen mot tiden. Ta 5 milliliterprover vid olika tidpunkter för att mäta offline den optiska densiteten vid 600 nanometer, och pH-värdet med en konventionell glaselektrod.

Fortsätt mätningarna tills kulturens optiska densitet blir konstant, vilket indikerar att bakterierna inte växer längre. Utseendet på en stark minskning topp runt minus 1,0 volt illustrerade minskningen av grafenoxid till ErGO. Toppens intensitet beror på antalet grafenoxidskikt på elektroden.

När ErGO-PA-elektroden placerades i pH fyra till nio buffertlösningar, ökade strömmen med ökande pH på grund av dopning och de-doping av hål under protonation deprotonation processen. Elektrodens respons var omedelbart stabil när tillsats av natriumhydroxid stannade vid ett visst pH- värde. Elektrodens ledningsförmåga påverkades inte mycket av nafionbeläggningen.

Men några ohms skillnad i resistansvärdet inträffade, och ändrade basströmsvärdet på ErGO-PA-elektroden. I likhet med ErGO-PA-elektroden förändrades resistensen hos ErGO-PA-NA-elektroden när buffertlösningens pH-värde ändrades från fyra till nio. När tillväxten av L.lactis började, den nuvarande av ErGO-PA-NA elektroden minskade gradvis, och sedan accelererade under den exponentiella tillväxtfasen, nå ett stabilt värde i slutet av tillväxten.

Det slutliga värdet av strömmen är jämförbart med det aktuella värdet av den ErGO-PA-NA-elektrod som testats i buffertlösning. Samtidigt som man försöker detta förfarande, är det viktigt att komma ihåg att helt täcka guld elektroderna med grafen oxid. Denna teknik banade väg för forskare inom området för processkontroll, att tillverka och använda små pH-elektroder för biologiska och kemiska system.

Glöm inte att arbeta med koncentrerad svavelsyra, kaliumpermanganat, och väteperoxid kan vara extremt farligt. Denna procedur måste utföras i en rökhuva.