Iridium-Oxid-reduziertem Graphenoxid Nanohybrid- Thin Film Modified Siebdruck Elektroden als Einweg-Elektro Papier Mikrofluidik pH-Sensoren

Zusammenfassung

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 .

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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.

Protokoll

1. μPAD und Geräte Vorbereitung

1. 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).
2. 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.
   1. 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.
3. 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

1. 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 _{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.}
2. 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.
3. 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.
4. 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

1. 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.
2. 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.
3. 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

1. 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.
2. 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.
3. 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%).
4. 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.

Ergebnisse

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 gemuste...

Diskussion

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 ?...

Materialien

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