Electrodes sérigraphiés oxyde d'iridium réduite graphène Oxyde nanohybrides Thin Film modifié comme papier jetable Electrochemical microfluidiques pH Capteurs

Résumé

L'étude démontre la croissance de l' oxyde réduit l' oxyde d' iridium de graphène (IRO ₂ -RGO) nanohybride films minces sur substrat irrégulière et rugueuse sérigraphie carbone grâce à une synthèse électrochimique verte, et leur mise en œuvre comme un capteur de pH avec une plate - forme de papier-fluidiques à motifs .

Résumé

Une synthèse électrochimique facile, contrôlable, peu coûteux et vert Iro ₂ -graphene nanohybrides films minces est développé pour fabriquer un capteur facile à utiliser du papier intégré microfluidique électrochimique pH pour les paramètres de ressources limitées. Profitant des deux pH - mètres et les bandes, la plate - forme pH de détection est composé de hydrophobe papier Micropad barrière à motifs (μPAD) en utilisant polydiméthylsiloxane (PDMS), électrode de sérigraphie (SPE) modifié avec Iro ₂ -graphene films et moulé acrylonitrile butadiène styrène (ABS) support en plastique. Répétitif vélo potentiel cathodique a été utilisé pour l'oxyde de graphène (GO) réduction qui peut complètement éliminer les groupes oxygénés électrochimiquement instables et générer un graphène homogène film mince sans défaut 2D avec une excellente stabilité et les propriétés électroniques. Un uniforme et lisse le film IrO ₂ à granulométrie nanométrique est anodique électrodéposition sur le film de graphène, sansfissures observables. L'IRO ₂ -RGO électrode résultante a montré des réponses légèrement super-nernstienne de pH 2-12 dans des tampons avec une bonne linéarité, faible hystérésis, faible temps de réponse et la reproductibilité dans différents tampons, ainsi que de faibles sensibilités aux différents INTERFÉRENTS Britton-Robinson (BR) les espèces ioniques et de l'oxygène dissous. Un simple pH-mètre numérique portable est fabriqué, dont le signal est mesurée à l'aide d'un multimètre, en utilisant un amplificateur opérationnel à haute impédance d'entrée et des batteries de consommation. Les valeurs de pH mesurées par les capteurs électrochimiques de pH du papier microfluidique portables étaient conformes à celles mesurées en utilisant un appareil de mesure de laboratoire commercial pH avec une électrode en verre.

Introduction

La détermination du pH est omniprésent dans les aliments, physiologiques, médicinales et les études environnementales. Deux outils les plus courants pour la détection de pH sont des bandes de pH et pH-mètres. bandes de papier sont imprégnés de pH molécules indicatrices de changement de couleur, mais la lecture est parfois limitée dans des gammes de pH, subjective et semi-quantitative avec quelques écarts. D'autre part, un pH-mètre classique muni d'une électrode de verre permet de mesurer avec précision le pH à 0,01 degré, et l'affichage par une interface numérique par l'utilisateur. base Lab-pH mètres non seulement besoin de soins spéciaux dans l'entretien et l'étalonnage, mais aussi ne fonctionnent pas bien à petits volumes d'échantillons et nécessitent souvent un récipient propre tel qu'un bécher pour effectuer des mesures. En dépit de sa sensibilité, de sélectivité et de stabilité, des électrodes de verre souffrent d'erreurs acide / alcaline, de haute impédance, l' instabilité de la température et de la fragilité mécanique ^1. Par conséquent, il est avantageux de disposer d'un système de mesure de pH qui embods la précision du pH-mètre et la simplicité et le coût des aspects de bandes de pH.

Il y a toujours un besoin non satisfait de ces outils dans des conditions de ressources limitées dans de nombreuses régions en développement où l'équipement à base de laboratoire coûteux ou laboratoires commerciaux sont inabordables. En outre, le rôle croissant des nouvelles plates-formes faciles à utiliser sur le site de détection est poussé par une telle demande pour la détection de point de soins. la détection électrochimique est simple, facile à miniaturiser et de manière satisfaisante sensible, comme le montrent les structures d'accueil à bas prix commercialisés et divers systèmes de surveillance de la glycémie sur le marché. En tant que matériau poreux léger, flexible et jetable, le papier peut également avoir différentes caractéristiques contrôlables, tels que les tailles de pores différentes, les groupes fonctionnels et le taux d'effet de mèche.

Comme substrat de papier affecte à peine la diffusion analyte et détection électrochimique ^2-4, combinaison de dispositifs de papier-fluidiques et techniques électroanalytiques a recently a reçu d'importants intérêts. Un avantage évident de ces combinaisons est la petite quantité de volume d'échantillon utilisé dans la mesure qui peut potentiellement empêcher les interférences de vibrations et de la convection pendant les mesures. Par exemple, des tampons microfluidiques motifs ont été appliqués à la mèche et de fournir des échantillons de liquide à la zone de détection des entités ad hoc pour la détection des ions de métaux lourds et de glucose ^2,5. Des dispositifs similaires en utilisant du papier électrochimiluminescence microfluidique ont été mis en place pour effectuer la détection de NADH ^4. Plus récemment, des dispositifs microfluidiques de papier électrochimique simples peuvent être construits sur une lame de verre avec des électrodes de crayon ⁶ ou en utilisant du papier enzymatique et SPE ^3.

Une mince matériau de film nanohybride composé de IrO ₂ et RGO a été préparé en utilisant une approche électrochimique facile et efficace. Nous avons constaté que sur la surface irrégulière et rugueuse SPE carbone graphitique, anodique électrodéposé IrO ₂ film mince ne peut pasêtre lisse et stable sans l'aide de RGO. L'IRO résultant ₂ -RGO SPE a été intégré dans un dispositif microfluidique de papier qui a modelé les barrières hydrophobes pour le pH de détection. Le dispositif assemblé a montré d'excellentes performances analytiques du pH de détection avec un comportement légèrement super-Nernst. Les résultats sont comparables à un pH-mètre en laboratoire conventionnel avec des électrodes en verre. Enfin, miniaturisés pH-mètres rentables ont été construits sur un breadboard pour mesurer le signal de sortie potentiel de circuit ouvert avec un multimètre numérique. Les mesures du pH-mètre portatif est bien corrélée avec celles d'un appareil de mesure du pH laboratoire commercial.

Protocole

1. μPAD et appareil Préparation

1. Graver une rainure de 500 pm sur le support en plastique inférieure pour loger la SPE avec un ABS ou d'une feuille en matière plastique compatible en trois dimensions (3D), la fraiseuse et le bit de fraisage qui présente un diamètre de 1,6 mm. Maintenez SPE et μPAD fermement en place au cours des essais avec le support (figure 1A).
2. Faire un timbre et un couvercle de vide à l'aide de la tablette résine synthétique ou une feuille en plastique compatible avec les modèles, respectivement convexes et concaves, par la machine de fraisage 3D, pour motif PDMS hydrophobes barrières sur blocs de papier.
   1. Préparer un mélange de PDMS pré-polymère et agent de réticulation au rapport de 10: 1 ou comme suggéré par le fabricant, mélanger avec une spatule et appliquer quantité appropriée sur la surface convexe du timbre PDMS.
3. Placez le tampon sur le dessus d'un tampon de papier filtre pré-coupé à la taille désirée, puis le couvercle de vide sur le côté opposé du timbre sur le papier. Appliquer vacuum jusqu'à 30 sec par une pompe à vide à commande manuelle. Retirez le bloc de papier de la couverture de timbre et de vide, et cuire dans un four à convection pendant 10 min à 80 ° C pour durcir les PDMS à motifs (figure 1B). Le bloc de papier résultant présente une zone ² de détection d' environ 0,2 cm et 1 cm x 0,4 cm échantillon hydrophile région de mèche.
   Note: Prendre les précautions particulières sur la quantité de PDMS appliquée et le temps de vide pour éviter toute contamination possible de PDMS dans la région hydrophile intérieure du papier filtre où les échantillons liquides sont transférés.

2. Modification des entités ad hoc avec IrO ₂ -RGO nanohybrides Thin Films

1. Goutte coulée 3 pi de tant préparés 1 mg ∙ ml ^-1 GO solution sur l'électrode de carbone graphitique de travail de SPE avec une micropipette et laissez - le sécher à la température ambiante dans une boîte de Pétri. Purger un tampon PBS pH 5,0 avec _N2 pendant 20 min, trempez la SPE dans les 10 ml désaéré tampon PBS tout en gardant N _{2 qui coule, et effectuer 100 cycles de répétitif vélo potentiel cathodique 0,0 à -1,5 V pour réduire électrochimiquement GO en RGO. Rincer la SPE avec de l'eau DI dans une bouteille d'injection et sec à la température ambiante.
   Remarque: Les feuilles de GO bien exfoliée, stabilisés par répulsion électrostatique, sont de la poudre de graphite en utilisant la méthode de Hummer modifié comme rapporté ailleurs ^7. L'homogénéité du film de RGO tel que synthétisé est importante, car elle sert de support de carbone pour la croissance de l' OIR 2 films minces.}
2. Faire 100 ml IrO ₂ Solution de dépôt composée de 0,15 g d' iridium tétrachlorure (IrCl _4), 0,6 ml de 50% (p / p) de peroxyde d'hydrogène (H ₂ O ₂₎ et 0,5 g d' acide oxalique déshydrater en les ajoutant dans de l' eau déminéralisée. Ajouter graduellement petite quantité de carbonate de potassium anhydre tout en remuant jusqu'à ce que le pH atteint 10,5, vérifié par un pH-mètre à base de laboratoire. Ensuite, la solution jaunâtre sous tension. Le vieillissement de la solution pendant 48 heures à la salle tempérare, sa couleur est finalement en train de bleu pâle.
3. Mettre le RGO-SPE dans la solution de dépôt ci-dessus et appliquer un potentiel constant de +0,6 V pendant 5 min. L'épaisseur de Iro ₂ films minces peut être contrôlée avec précision par le potentiel et le temps de dépôt.
4. Confirmer la structure de la zone de détection par SEM. Acquérir les images MEB en suivant les instructions du Centre de science des matériaux à l' Université de Wisconsin-Madison, comme nous l'avons fait avant ^7.

3. Construction de pH-mètres numériques bon marché et portables

1. Construire un pH - mètre bon marché et miniaturisé avec affichage numérique en branchant soit une série de deux amplificateurs unique de LF356N opérationnels (opamps) ou un transistor à effet de champ INA111 haute vitesse (FET) -input amplificateur d'instrumentation (de haute impédance d'entrée> 10 ¹² Ω) sur breadboard pour atteindre impédance interne suffisamment élevée pour que des mesures stables.
   Note: Toutes les pièces sont facilement accessible dans les magasins électroniques et peut être facilement assemblé.
2. Utilisez le IrO ₂ -RGO-SPE que la sonde de pH et OpAmps comme tampon de gain unitaire. Branchez deux mises à la terre 9 piles grand V alcalines en série pour alimenter le pH-mètre et brancher les fils dans la maquette en fonction de la disposition des broches de OpAmps.
3. Connectez la cathode et l'anode aux broches 7 et 4. relient également les sondes positives et négatives d'un multimètre numérique aux broches 6 et 5 de OpAmps respectivement pour mesurer la tension de sortie et d'affichage des lectures. Référence et des électrodes de travail de SPE sont connectés aux broches 2 et 3 en conséquence. Connexions détaillées sont présentées dans la figure 1D.

4. Les mesures de pH

1. Préparer 100 tampons ml BR avec 0,04 M d'acide phosphorique équimolaire, de l'acide acétique et de l'acide borique et les mélanger avec des volumes différents (5, 25, 42, 60, 78 et 98) de 0,2 M d'hydroxyde de sodium (NaOH) pour obtenir différentes valeurs de pH à partir de 2- 12 pour l'étalonnage.
2. Locmangé à motifs μPAD au-dessus de la zone de détection. Monter 60 ul échantillons liquides directement par une micropipette dans la zone hydrophile du μPAD pour effet de mèche. Le μPAD peut être maintenu en place avec ou sans couvercle ABS, quand il est mouillé.
3. Mesurer le signal de tension entre l'IRO ₂ -RGO électrode de travail et l'électrode de référence Ag / AgCl dans le temps soit avec un CHI 660D analyseur électrochimique à base de laboratoire ou le pH - mètre numérique portable, lorsque les potentiels de circuit ouvert (OCP) deviennent stables (potentiel variation <5%).
4. Gardez la région de détection humide par immersion du bloc de papier dans des échantillons liquides à tester, si nécessaire, pour obtenir un meilleur contact électrique ainsi que des lectures stables et reproductibles en fonctionnement à long terme. Les valeurs de l'OCP à l'état stable enregistrées sont en moyenne à chaque valeur de pH pour déterminer une courbe d'étalonnage.

Résultats

La configuration de l'électrochimique IrO ₂ capteur de pH -RGO-SPE incorporant le papier microfluidique est représenté sur la figure 1A. Le tampon de papier à motifs avec des barrières hydrophobes PDMS a été placée au - dessus de la zone de détection de l' OIR ₂ -RGO-SPE qui est situé sur le support en plastique ABS. La zone de détection du bloc de papier a été soigneusement alignée avec la surface de l'électrode. Une solu...

Discussion

Configuration de l'appareil

Le capteur de pH fonctionne en mesurant l'OCP entre les électrodes de travail et de référence, car elle varie proportionnellement au logarithme négatif de la concentration en H ^+. Les mesures peuvent être réalisées à la fois par un potentiostat en laboratoire, tels que CHI et 660D pH-mètre sur la plaque d'essais simples construit avec une lecture par multimètre. Deux différents pH - mètres portables ont été con...

matériels

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