תחמוצת-מופחת אירידיום גראפן אוקסיד Nanohybrid Thin Film אלקטרודות מסך מודפס שינויים, כפי שהם פנויים אלקטרוכימיות נייר Microfluidic pH חיישנים

Summary

המחקר מדגים את הצמיחה של תחמוצת גרפן-מופחת תחמוצת אירידיום (IRO ₂ -RGO) nanohybrid סרטים דקים על מצע פחמן מסך מודפס סדיר ומחוספס באמצעות סינתזה ירוקה אלקטרוכימיים, ויישומן כחיישן pH עם פלטפורמת נייר-fluidic בדוגמת .

Abstract

סינתזת אלקטרוכימי קלילה, לשליטה, זולה וירוקה של סרטי IRO ₂ -graphene nanohybrid הדקים מפותחת לפברק חיישן pH קל לשימוש משולב נייר microfluidic אלקטרוכימיים עבור הגדרות משאב מוגבל. אם ניקח יתרונות משני מטרים pH ורצועות, פלטפורמת חישה pH מורכב micropad נייר מחסום בדוגמת הידרופובי (μPAD) באמצעות polydimethylsiloxane (PDMS), אלקטרודה מודפס מסך (SPE) שונה עם IRO ₂ -graphene סרטים ועיצבו ניטריל גומי סינתטי בעל פלסטיק (ABS). רכיבה על אופניים פוטנציאל קתודית חוזרים הועסקו תחמוצת גרפן (GO) הפחתה אשר יכולה להסיר לחלוטין אלקטרוכימי קבוצות מחומצן יציבים וליצור שכבת דקת 2D ללא פגם הומוגנית גרפן עם יציבות מעולה מאפיינים אלקטרוניים. אחיד סרט חלקת IRO ₂ בגודל גרגר ננו הוא electrodeposited anodically על סרט גרפן, ללא כלסדקים נצפים. האלקטרודה IRO ₂ -RGO שהתקבלה הראתה מעט תגובות סופר-Nernstian מ pH 2-12 ב בריטון-רובינסון (BR) מאגרים עם ליניאריות טובים, היסטרזיס קטן, זמן תגובה נמוך שחזור מאגרים שונים, כמו גם רגישויות נמוכות כדי להתערב שונה מינים יוניים וחמצן מומס. מד pH דיגיטלי נייד פשוט הוא מפוברק, אות אשר נמדדת עם מודד, באמצעות מגבר מבצעי קלט עכבה גבוהה וסוללות צרכן. ערכי ה- pH נמדדו עם חיישני pH נייר-microfluidic אלקטרוכימיים הניידים היו עקביים עם אלו נמדדים באמצעות מד pH המעבדה מסחרי עם אלקטרודות זכוכית.

Introduction

קביעת pH הוא נמצא בכל מקום במזון, פיזיולוגיים, מרפא ולימודי סביבה. שני הכלים הנפוצים ביותר לגילוי pH הם רצועות pH ו pH מטר. רצועות נייר ספוגות מולקולות אינדיקטור pH צבע-שינוי אבל הקריאה לפעמים היא מוגבלת בתחומי pH, סובייקטיבי וכמותיות עם סטיות מסוימות. מצד שני, מד pH מאובזר כמקובל עם אלקטרודות זכוכית יכול למדוד pH במדויק אל 0.01 רמה, ולהציג על ידי ממשק דיגיטלי למשתמש. pH מטר מבוסס מעבדה לא רק צריך טיפול מיוחד באספקת כיול, אלא גם אינו פועל היטב לקראת כרכי מדגם קטנים ולעתים קרובות דורש במכל נקי כמו מבחנה לבצע מדידות. למרות הרגישות, סלקטיביות ויציבותה, אלקטרודות זכוכית סובלות שגיאות חומצה / אלקליין, עכבה גבוהה, חוסר יציבות טמפרטורת ¹ השבריריות מכאניות. לכן זה יתרון יש מערכת מדידת pH כי embodIES הדיוק של מד pH ואת היבטי פשטות ועלות של רצועות pH.

תמיד יש צורך בטיפולי כלים כאלה בתנאי משאבים מוגבלים באזורים רבים מתפתחים בן ציוד מבוסס מעבדה יקר או מעבדות מסחריות הם מעבר להישג יד. כמו כן, התפקיד הגדל וההולך של פלטפורמות חישה באתר קלות לשימוש חדשות נדחף על ידי דרישה כזו לגילוי נקודת הטיפול. זיהוי אלקטרוכימי הוא פשוט, קל miniaturize משביעים רצון רגיש, כפי שהוכח על ידי הנהלת ה בעלות הנמוכה הממוסחרת ומערכות ניטור הגלוקוז שונות קיימים בשוק. כתוצאת חומר נקבובי אור, גמישים חד פעמי, נייר יכול להיות גם שונה המאפיין לשליטה, כגון גודל נקבובי שונה, קבוצות פונקציונליות, ושיעורי פתילה.

כמו מצע נייר בקושי משפיע דיפוזיה אנליטי וזיהוי אלקטרוכימיים ^2-4, שילוב של תקני fluidic נייר וטכניקות electroanalytical יש recently קיבל אינטרסים נרחבים. יתרון ברור של שילובים כאלה הוא הכמות הזעירה של נפח דגימה המשמשת למדידה אשר באופן פוטנציאלי יכולה למנוע הפרעות מן רטט הסעה במהלך מדידות. לדוגמא, רפידות microfluidic בדוגמת יושמו פתיל ולספק דגימות נוזלות לאזור חישה של ישויות כאמורות לגילוי של יונים של מתכות כבדות וגלוקוז ^2,5. התקנים דומים באמצעות electrochemiluminescence נייר microfluidic הוקמו כדי להשיג NADH זיהוי ^4. לאחרונה, מכשירי microfluidic נייר אלקטרוכימי פשוט יכולים להיבנות על זכוכית שקופית עם אלקטרודות עיפרון ⁶ או שימוש בנייר אנזים SPEs ^3.

חומר סרט דק nanohybrid המורכב IRO ₂ ו RGO הוכן באמצעות גישת אלקטרוכימיים קלילה ויעילה. מצאנו כי על פני שטח פחמן graphitic SPE הסדירים ומחוספסים, electrodeposited anodically IRO ₂ סרט דק לא יכוללהיות חלק ויציב ללא סיוע של RGO. IRO ₂ וכתוצאה מכך -RGO SPE שולבה מכשיר microfluidic נייר אשר בדוגמת מחסומים הידרופובי עבור חישה pH. המכשיר התאסף הראה הופעות אנליטיים מצוינות חישת pH עם התנהגות סופר-Nernstian מעט. התוצאות הן להשוות מד pH מבוסס מעבדה קונבנציונלי עם אלקטרודות זכוכית. לבסוף, pH מטר מיניאטורי חסכוני נבנה על קרש חיתוך למדוד פתוח מעגל אות תוצר פוטנציאלי עם מודד דיגיטלי. המדידות של מד pH הנייד וקושרות היטב עם אלה של מטר pH המעבדה מסחרי.

Protocol

1. μPAD והכנה Apparatus

1. חריטת חריץ 500 מיקרומטר על בעל פלסטיק בתחתית לשכן SPE עם ABS או יריעת פלסטיק תואמת על ידי מכונת טחינה תלת ממדי (3D) ואת קצת טחינה אשר יש 1.6 מ"מ בקוטר. החזק SPE ו μPAD במקומו במהלך בדיקה עם הבעל (איור 1 א).
2. הפוך חותם ועטיפת ואקום להשתמש בטאבלט שרף סינטטי או יריעת פלסטיק בהתאמה לתבניות קמורות וקעורות, בהתאמה, על ידי מכונת טחינת 3D, כדי מחסומי PDMS הידרופובי דפוס על כריות נייר.
   1. הכן תערובת של PDMS מראש פולימר מקשר צלב על היחס של 10: 1 או כפי שהוצע על ידי יצרן, לערבב עם מרית ולהחיל כמות מתאימה על גבי המשטח הקמור של בול PDMS.
3. מניחים את החותמת על גבי כרית נייר סינון מראש לחתוך לגודל הרצוי ולאחר מכן את מכסה ואקום בצד השני של הבול על הנייר. החל vacuאממ עד 30 שניות על ידי משאבת ואקום המופעל באמצעות יד. הסר את רפידת נייר מהכיסוי החותם ואקום, ואופה בתנור הסעה במשך 10 דקות ב 80 ° C להקשיח את PDMS בדוגמת (איור 1B). כרית נייר הנובעות יש חישה באזור ² כ 0.2 ס"מ ו -1 ס"מ x 0.4 ס"מ הידרופילי מדגם באזור הפתילה.
   הערה: קח מזהיר מיוחד על כמות PDMS יישומית ואקום זמן כדי למנוע זיהום PDMS אפשרי באזור הידרופילי הפנימי של נייר המסנן שבו הדגימות הנוזלות מועברות.

שינוי 2. של ישויות כאמור עם ₂ IRO -RGO Nanohybrid Thin Films

1. זרוק יצוק 3 μl של הכנה כמו 1 מ"ג ∙ מ"ל ^-1 GO פתרון האלקטרודה עובד פחמן graphitic של SPE עם micropipette ולתת לו להתייבש בטמפרטורת החדר בצלחת פטרי. טהר חיץ pH 5.0 PBS עם N ₂ למשך 20 דקות, טובלים את SPE ב -10 מ"ל deaerated חיץ PBS תוך שמירה N _{2 זורם, והתנהגות 100 מחזורים של רכיבה פוטנציאל קתודית חוזרות בין 0.0 ל -1.5 V להפחית GO אלקטרוכימי לתוך RGO. שוטפים את SPE עם מים די בבקבוק שפריץ ויבש בטמפרטורת החדר.
   הערה: גליונות הולך טוב-מודבק, על מנת לייצב את דחייה אלקטרוסטטית, הם מן אבקת גרפיט בשיטה של האמר שונה כפי שדווח במקומות אחרים ^7. ההומוגניות של סרט RGO כמו-מסונתז חשובה, משום שהוא ממשמש את תמיכת פחמן להמשך צמיחה של סרטי IRO 2 דקים.}
2. הפוך 100 מ"ל IRO ₂ פתרון בתצהיר מורכב טטרא אירידיום 0.15 גרם (IrCl _4), 0.6 מ"ל 50% (w / w) מי חמצן (H ₂ O ₂₎ וחומצה אוקסלית 0.5 גרם מייבשים על ידי הוספת אותם במים DI. מוסיפים בהדרגה כמות קטנה של אשלגן פחמתי נטול מים תוך ערבוב עד pH הגיע 10.5, מאומת על ידי מד pH מבוססי מעבדה. לאחר מכן, הפתרון הפך צהבהב. הזדקנות הפתרון במשך 48 שעות ב חדר טמפרטורותמחדש, אז צבענו בסופו של דבר הוא הופך תכלת.
3. שים את RGO-SPE בתמיסה בתצהיר לעיל להחיל פוטנציאל קבוע של 0.6 V למשך 5 דקות. העובי של IRO ₂ שכבות דקות בדיוק יכול להיות נשלט על ידי הפוטנציאל בתצהיר והזמן.
4. אשר את מבנה תחום החישה ידי SEM. לרכוש תמונות SEM בהתאם להוראות במרכז חומרים מדע באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, כפי שעשינו לפני ^7.

3. בניית pH מטר דיגיטלי זול נייד

1. לבנות מד pH זול מיניאטורי עם תצוגה דיגיטלית על ידי חיבור בין סדרה של שני מגברים ותפעוליים האחת LF356N (OpAmps) או INA111 אחד טרנזיסטור אפקט שדה במהירות גבוהה (FET) -input מגבר מכשור (עכבת קלט גבוהה> 10 ¹² Ω) על קרש חיתוך להשיג עכבה פנימית גבוהה מספיק למדידות יציבות.
   הערה: כל החלקים נמצאים בקלות accessible מחנויות אלקטרוניות ניתן להרכיב בקלות.
2. השתמש ₂ IRO -RGO-SPE כמו חללית pH ו OpAmps כמו למאגר רווח אחדות. חיבור שתי סוללות צרכן 9 V אלקליין מעוגן בסדרה לשלטון מד pH וחבר את החוטים לתוך קרש החיתוך המבוסס על פריסת הפינים של OpAmps.
3. חבר הקתודה לבין האנודה סיכות 7 ו -4 גם לחבר את בדיקות חיוביות ושליליות של מודד דיגיטלי לפינים 6 ו -5 OpAmps בהתאמה למדוד את קריאות מתח ולהציג פלט. יעץ אלקטרודות העבודה של SPE מחוברים פינים 2 ו -3 בהתאמה. חיבורים מפורטים מוצגים באיור 1D.

4. מדידות pH

1. כן 100 מאגרי המ"ל BR עם 0.04 חומצת M equimolar זרחתית, חומצה אצטית וחומצה בורה ומערבבים עם כרכים שונים (5, 25, 42, 60, 78 ו -98) של 0.2 M נתרן הידרוקסידי (NaOH) כדי להשיג PHS שונה 2- 12 לכיול.
2. Locאכול בדוגמת μPAD על החלק העליון של אזור החישה. 60 הר μl דגימות נוזל ישירות על ידי micropipette לאזור הידרופילי של μPAD עבור הפתילה. ΜPAD ניתן לקיים במקום עם או בלי כיסוי ABS, כאשר הוא רטוב.
3. מדוד את אות המתח בין האלקטרודה עובד IRO ₂ -RGO לבין אלקטרודה השוואתית Ag / AgCl לאורך זמן גם עם מנתח אלקטרוכימיים מבוססי מעבדה CHI 660D או מד pH דיגיטלי נייד, כאשר הפוטנציאלים המעגל הפתוח (OCP) לְהִתְיַצֵב (פוטנציאל וריאציות <5%).
4. שמור באזור החישה הרטוב ידי טבילת כרית נייר בדגימות נוזלות להיבדק, אם יש צורך בכך, כדי להשיג מגע חשמלי טוב יותר כמו גם קריאות יציבות לשחזור ארוך טווח פעולה. ערכי OCP יציבים הקלטות משוקללים כל ערך pH לקבוע עקומת כיול.

תוצאות

ההתקנה של מיקרופלואידיקה נייר בשילוב חיישן pH אלקטרוכימיים IRO ₂ -RGO-SPE מוצג באיור 1 א. כרית מדוגם עם חסמי הידרופובי PDMS הושמה על החלק העליון של אזור החישה של IRO ₂ -RGO-SPE אשר ממוקם על בעל פלסטיק ABS. אזור החישה של כרית נייר היה מתואם היטב עם ...

Discussion

התקנת מכשיר

חיישן pH עובד על ידי מדידת OCP בין האלקטרודות העבודה ועיון, שכן הוא משתנה באופן יחסי ללוגריתם השלילי של ריכוז H ^+. המדידות ניתן להשיג היא על ידי potentiostat מבוסס מעבדה כגון CHI 660D מטר pH פשוט בנוי על קרש חיתוך עם הק...

Materials

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