氧化铱还原氧化石墨烯纳米杂化薄膜修饰丝网印刷电极一次性电化学微流控纸pH传感器

摘要

这项研究表明铱-氧化还原的石墨烯氧化物的（的IrO ₂ -RGO）生长纳米杂化物通过一个绿色电化学合成不规则和粗丝网印刷碳基板上的薄膜，其作为pH传感器实现具有图案化纸流体平台。

摘要

₂的IrO -graphene纳米杂化薄膜的一种简便，可控，价格低廉，绿色电化学合成开发制造一个易于使用的集成微纸电化学pH值资源有限的环境传感器。以优势来自pH计和试纸，pH值检测平台由使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）疏水屏障图案纸micropad（μPAD）中，丝网印刷电极（SPE）改性的IrO ₂ -graphene薄膜和模塑丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）的塑料保持器。重复阴极电位自行车被用于氧化石墨烯（GO）减少其可以完全具有优良的稳定性和电子属性中删除电化学不稳定含氧组，并生成一个二维无缺陷的均匀的石墨烯薄膜。在纳米颗粒大小均匀，光滑的IrO ₂膜阳极电沉积石墨烯薄膜，没有任何观察的裂缝。所得的IrO ₂ -RGO电极中的BR（BR），具有良好的线性，迟滞小，低响应时间和再现在不同的缓冲器，以及低敏感性不同干涉缓冲器表明在pH 2-12略微超能斯特响应离子物质和溶解的氧。一个简单的便携式数字pH计是捏造，是用万用表测量其信号，使用高输入阻抗运算放大器和消费电池。与便携式电化学纸微流体pH传感器测得的pH值下分别为与使用商业实验室pH计用玻璃电极测定一致。

引言

pH值的测定是在食品，生理，药用和环境研究中无处不在。用于pH检测两种最常用的工具是pH值条和pH计。纸条浸渍有变色的pH指示剂分子，但读数在pH范围，主观和半定量的一些偏差，有时受到限制。另一方面，pH计通常配有玻璃电极可以通过数字用户界面准确到0.01的水平，并显示测量的pH值。基于实验室的pH计不仅需要特别注意维护和校准，也不用对小体积样品很好地工作，往往需要一个干净的容器，如执行测量烧杯中。尽管它的灵敏度，选择性和稳定性的，玻璃电极从酸/碱误差，高阻抗，温度不稳定和机械脆性¹受损。因此，这是有利的具有embod的pH测量系统IES pH计和pH条的简易性和成本方面的准确性。

总是有许多发展中地区，其中昂贵的实验室设备或商业实验室是负担不起的未满足的需要对有限资源的条件下，这样的工具。此外，新的易于使用，对现场检测平台的作用越来越被用于点护理检测这样的需求推动。电化学检测是简单，容易小型化和令人满意敏感，在市场上商业化的低成本SPE和各种血糖监测系统作为证明。作为光，灵活和一次性的多孔材料，纸也可具有各种可控的特征，如不同的孔尺寸，官能团，和芯吸速率。

作为纸基材几乎影响分析物扩散和电化学检测^2-4，纸流体装置和电分析技术的组合具有recentlŸ受到了广泛的利益。这样的组合的表观优点是样品体积的在其中可以潜在防止在测量过程中的振动和对流的干扰测量中使用的微小量。例如，图案化的微流体垫被施加到芯吸和提供液体样品到SPE的传感区域检测重金属离子和葡萄糖^2,5。建立使用纸微流体电化学发光类似的设备来完成检测NADH ^4。最近，简单的电化学纸微流体装置可在载玻片上建立与铅笔电极⁶或使用酶纸张与SPE ^3。

使用简便，高效的电化学方法制备的IrO ₂和RGO组成的纳米杂化薄膜材料。我们发现，不规则和粗SPE石墨碳表面上，阳极电沉积的IrO ₂薄膜不能平滑，稳定，没有RGO的帮助。所得的IrO ₂ -RGO SPE被整合到已图案化用于pH传感疏水屏障纸微流体装置。该组装的装置显示，pH值传感出色的分析性能有略微超能斯特行为。结果是可比的常规基于实验室的pH计用玻璃电极。最后，高性价比的小型化pH计是建立在面包板与数字万用表测量开路电位输出信号。便携式pH计的测定良好相关与这些商业实验室pH计的。

研究方案

1.μPAD和设备准备

1. 刻在底部塑料保持器500微米槽以容纳SPE与由三维（3D）铣床及具有直径为1.6mm铣削位的ABS或兼容塑料片材。与夹持器（ 图1A）在测试过程中保持在适当位置SPE和μPAD牢固。
2. 使印模和使用合成树脂片或相容的塑料片材与凹凸花纹，分别真空罩，由3D铣床，以在纸张上焊盘图案疏水PDMS障碍。
   1. 制备的PDMS预聚合物和交联剂的混合物中以10:1的比例，或通过制造商的建议，拌入抹刀和应用适当的量到的PDMS印模的凸面。
3. 放置印章上的滤纸垫预切割成所需要的尺寸，然后在整个纸张印模的相对侧上的真空盖的顶部。应用VACU嗯用于通过手工操作真空泵达30秒。除去从印模和真空罩的纸垫，并在80℃的对流烘箱中烘烤10分钟，以硬化图案化的PDMS（ 图1B）。所得纸垫具有约为0.2 cm ²的感测区和1个厘米×0.4厘米亲水样品芯吸区域。
   注:取上施加的PDMS和真空时间的量特别注意事项，以避免在液体样品转移滤纸的内部亲水区的任何可能的PDMS污染。

2. SPE的修改与₂的IrO -RGO纳米杂化薄膜

1. 降投3微升所制备的1毫克∙毫升^-1 GO SPE上的石墨碳工作电极溶液用微量并让它干燥在培养皿室温。吹扫用N ₂的pH 5.0的PBS缓冲液20分钟，浸在SPE中10毫升脱气PBS缓冲液，同时保持Ñ<子> 2流动，并从0.0到-1.5V时重复进行阴极电位循环100次，以减少电化学进入RGO。冲洗用DI水在SPE中一个喷射瓶并在室温下干燥。
   注:嗯剥离的GO表，通过静电排斥稳定，从采用改良悍马的方法，其他地方⁷日报道石墨粉。合成的RGO膜的均匀性是很重要的，因为它充当的IrO ₂的薄膜的进一步生长的碳载体。
2. 使（IrCl _4）0.15四氯化铱组成100毫升的IrO ₂沉积溶液，0.6毫升50％（W / W）过氧化氢（H ₂ O _2）和0.5g草酸通过在去离子水中添加它们脱水。逐渐添加无水碳酸钾少量，同时搅拌直到pH达到10.5，通过基于实验室的pH计进行验证。然后，溶液变成淡黄色。老龄化在室温temperatu 48小时解决再次，那么它的颜色是最终关闭的淡蓝色。
3. 把RGO-SPE在上述沉积溶液和适用+ 0.6V的恒定电位5分钟。的IrO ₂薄膜的厚度可以通过沉积电势和时间被精确地控制。
4. 确认通过SEM传感区域的结构。获得SEM照片下面的材料科学中心在威斯康星大学麦迪逊分校的指令，因为我们⁷以前那样。

3.价格低廉，便携数字pH计建设

1. 通过在任何一个系列的两个单LF356N运算放大器（运算放大器）或者一个INA111高速场效应晶体管（FET） -输入仪表放大器的堵塞建造廉价且小型化的pH计用数字显示（高输入阻抗> 10 ^12Ω）在面包板，以实现稳定的测量足够高的内部阻抗。
   注:所有的部件很容易交流从电子商店够到，并且可以容易地组装。
2. 使用税务条例₂ -RGO-SPE作为pH探头和运算放大器作为单位增益缓冲器。串联连接两个接地9 V碱性电池消费的pH计的电源插上电线插入基于运算放大器的引脚布局线路板。
3. 在阴极和阳极连接到销7和4.又一个数字万用表的正面和负面的探针分别连接到销6和运算放大器5来测量输出电压和显示读数。参考和SPE工作电极连接到引脚2和3水涨船高。详细的连接示于图1D。

4. pH测量

1. 制备100ml的BR缓冲液与0.04M的等摩尔磷酸，乙酸和硼酸和用0.2M氢氧化钠（NaOH）的不同体积（5，25，42，60，78和98），混合到由2-实现不同pH 12，用于校准。
2. 禄吃图案在传感区域的顶部μPAD。安装60微升液体样品直接通过微量吸入μPAD的芯吸的亲水区。该μPAD可以在使用或不ABS的盖进行，当它被浸湿。
3. 测量的IrO ₂ -RGO工作电极和随着时间的推移或者是基于实验室的CHI 660D电化学分析仪或便携式数字pH计，当开路电位（OCP）变得稳定的Ag / AgCl参考电极之间的电压信号（电位变型<5％）。
4. 保持浸渍液体样品在纸垫湿感测区域进行测试，如果需要的话，以达到更好的电接触，以及稳定和可重现的读数在长期操作。记录稳态OCP值是在各pH值平均，以确定校准曲线。

结果

电化学的IrO ₂ -RGO-SPE pH传感器结合纸微流控的设置显示在图1A。与PDMS疏水屏障的构图纸垫被放置在其上位于ABS塑料支架的IrO ₂ -RGO-SPE的敏感区域的顶部。纸垫的感应区进行了仔细的与电极表面对齐。水性亚甲蓝染料溶液用来测试图案化纸垫和所观察到的，将样品灯芯到亲水性区域（ 图1B）与由疏水屏障调节的流体路径。 SEM图像示出...

讨论

设备安装

pH传感器的工作原理，通过测量在工作电极和参考电极之间的OCP，因为它按比例改变到^的 H ⁺浓度的负对数。测量可以通过一个基于实验室的电位如CHI 660D和与通过万用表阅读面包板构造简单的pH计来实现两者。两个不同的便携式pH计类似地构建在使用两个9伏碱性电池，一个数字万用表，所合成的IrO ₂ -RGO-SPE和不同运算放大器，这?...

材料

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