Grafene ossido nanoibrido film sottile elettrodi serigrafati Iridium ossido-riduzione modificato come usa e getta di carta elettrochimica microfluidici pH Sensori

Riepilogo

Lo studio dimostra la crescita di iridio ossido-riduzione di ossido di grafene (IRO ₂ -RGO) nanoibrido film sottili su substrato di carbonio serigrafato irregolare e ruvida, attraverso una sintesi elettrochimica verde, e la loro attuazione, come un sensore di pH con una piattaforma di carta-fluidica fantasia .

Abstract

Un facile, controllabile, poco costoso e verde sintesi elettrochimica di IRO ₂ film sottili -graphene nanoibridi è stato sviluppato per realizzare un documento integrato microfluidica sensore pH elettrochimico facile da usare per risorse limitate. Prendendo vantaggi da entrambi i misuratori di pH e strisce, la piattaforma di pH di rilevamento è composta da idrofoba MicroPad carta barriera-fantasia (μPAD) utilizzando polidimetilsilossano (PDMS), l'elettrodo serigrafata (SPE) modificato con Iro ₂ -graphene film e modellato acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) supporto di plastica. Ripetitivo potenziale ciclismo catodica è stato impiegato per l'ossido di grafene di riduzione (GO) che può rimuovere completamente i gruppi ossigenati elettrochimica instabili e generare un 2D grafene omogeneo a film sottile senza difetti con ottime proprietà elettroniche e stabilità. Un uniforme e liscio pellicola Iro ₂ a granulometria nanometrica è anodicamente elettrodeposizione sul film di grafene, senza alcunacrepe osservabili. IRO ₂ -RGO elettrodo risultante ha mostrato risposte leggermente super-Nernst da pH 2-12 in Britton-Robinson (BR) buffer con buona linearità, piccola isteresi, basso tempo di risposta e riproducibilità in diversi tamponi, nonché bassa sensibilità alle diverse interfering specie ioniche e ossigeno disciolto. Un semplice pH-metro digitale portatile è fabbricato, il cui segnale viene misurato con un multimetro, utilizzando ad alta impedenza di ingresso-amplificatore operazionale e le batterie di consumo. I valori di pH misurati con i sensori di pH carta-microfluidica elettrochimici portatili sono stati coerenti con quelli misurati utilizzando un misuratore di laboratorio pH commerciale con un elettrodo di vetro.

Introduzione

La determinazione del pH è onnipresente nei prodotti alimentari, fisiologici, medicinali e studi ambientali. Due strumenti più comuni per la rilevazione del pH sono strisce di pH e pH-metri. strisce di carta sono impregnati con indicatore di pH molecole di variazione cromatica, ma la lettura è a volte limitata a intervalli di pH, soggettivo e semi-quantitativa con alcune deviazioni. D'altra parte, un pHmetro convenzionalmente dotata di un elettrodo di vetro può misurare con precisione il pH a 0,01 livello e visualizzazione per un'interfaccia digitale-utente. LABORATORIO DI pH-metri non solo hanno bisogno di particolare cura nella manutenzione e taratura, ma anche non funzionano bene nei confronti delle piccole volume di campione e spesso richiedono un contenitore pulito, come un bicchiere di eseguire misurazioni. Nonostante la sua sensibilità, selettività e stabilità, elettrodi di vetro soffrono di errori acidi / alcalini, alta impedenza, instabilità della temperatura e fragilità meccanica ^1. Pertanto, è vantaggioso avere un sistema di misura di pH che embodiES la precisione del misuratore di pH e gli aspetti semplicità e costo di strisce di pH.

C'è sempre un bisogno insoddisfatto di tali strumenti in condizioni di risorse limitate in molte regioni in via di sviluppo dove costose apparecchiature di laboratorio-based o laboratori commerciali sono inaccessibili. Inoltre, il ruolo crescente di nuove piattaforme facili da usare in loco sensing è spinto da una tale domanda di rilevamento point-of-care. rilevazione elettrochimica è semplice, facile da miniaturizzare e soddisfacente sensibili, come dimostrato dalle SPE economici commercializzati e vari sistemi di monitoraggio del glucosio sul mercato. Come materiale poroso leggero, flessibile e getta, la carta può anche avere diverse caratteristiche controllabili, come differenti dimensioni dei pori, gruppi funzionali, e tassi di traspirazione.

Come supporto cartaceo colpisce malapena diffusione analiti e la rilevazione elettrochimica ^2-4, combinazione di dispositivi di carta-fluidici e tecniche elettroanalitiche ha recently ricevuto vasti interessi. Un apparente vantaggio di tali combinazioni è la piccola quantità di volume del campione utilizzato nella misurazione che può potenzialmente prevenire interferenze da vibrazioni e convezione durante le misurazioni. Per esempio, i rilievi microfluidica fantasia sono stati applicati per favorire e fornire campioni liquidi per area di rilevamento di SPE per il rilevamento di ioni di metalli pesanti e di glucosio ^2,5. Dispositivi simili utilizzando carta ElettroChemiLuminescenza microfluidica sono stati stabiliti per raggiungere il rilevamento NADH ^4. Più di recente, semplici dispositivi microfluidici carta elettrochimica può essere costruito su un vetrino con elettrodi matita ⁶ o utilizzando carta enzima e SPE ^3.

Un sottile materiale del film nanoibrido composto da iro ₂ e RGO è stato preparato utilizzando un approccio elettrochimico facile ed efficiente. Abbiamo scoperto che sulla superficie di carbonio SPE grafite irregolare e ruvida, anodicamente elettrodepositato IRO ₂ film sottile non si puòessere liscia e stabile senza l'ausilio di RGO. La risultante Iro ₂ -RGO SPE è stato integrato in un dispositivo microfluidica carta che ha modellato le barriere idrofobiche per il rilevamento del pH. Il dispositivo assemblato mostrato ottime prestazioni analitiche di rilevamento del pH con un comportamento un po 'super-Nernst. I risultati sono paragonabili ad un convenzionale laboratorio basato pHmetro con elettrodi di vetro. Infine, costo-efficacia dei misuratori di pH miniaturizzati sono stati costruiti su un tagliere per misurare il potenziale segnale di uscita a circuito aperto con un multimetro digitale. Le misurazioni del pH-metro portatile correla bene con quelli di un misuratore di laboratorio pH commerciale.

Protocollo

1. μPAD ed apparato Preparation

1. Incidere una scanalatura 500 micron sul supporto in plastica inferiore per alloggiare SPE con ABS o foglio di plastica compatibile dalla tridimensionale (3D) fresatrice e bit di fresatura, che ha 1,6 mm di diametro. Tenere SPE e μPAD saldamente in posizione durante il test con il supporto (Figura 1A).
2. Effettuare un timbro e un coperchio vuoto con tavoletta resina sintetica o foglio di plastica compatibile con i modelli convesse e concave, rispettivamente, dalla fresatrice 3D, per modello PDMS idrofobi ostacoli sulla carta pad.
   1. Preparare una miscela di PDMS pre-polimero e reticolante nel rapporto di 10: 1 o come suggerito dal produttore, mescolare con spatola e applicare quantità appropriata sulla superficie convessa del timbro PDMS.
3. Posizionare il timbro sulla cima di un pad carta filtro pre-tagliare alla misura desiderata e poi il coperchio vuoto sul lato opposto del timbro sulla carta. applicare vacuum fino a 30 sec da una pompa a vuoto ad azionamento manuale. Rimuovere il tampone di carta dal coperchio timbro e vuoto, e cuocere in forno ventilato per 10 min a 80 ° C per indurire il PDMS fantasia (Figura 1B). Il pad di carta risultante ha un circa 0,2 cm regione ² di rilevamento e 1 cm x 0,4 cm campione idrofilo regione traspirazione.
   Nota: prendere precauzioni speciali sulla quantità di PDMS applicati e tempo di vuoto per evitare ogni possibile contaminazione PDMS nella regione idrofila interna della carta da filtro in cui sono trasferiti i campioni liquidi.

2. Modifica delle SPE con iro ₂ -RGO nanoibrido Film Sottili

1. Goccia gettato 3 ml di come preparati 1 mg ∙ ml ^-1 GO soluzione sul grafitica carbonio elettrodo di lavoro di SPE con una micropipetta e lasciare asciugare a temperatura ambiente in una capsula di Petri. Eliminare un tampone PBS pH 5.0 con N ₂ per 20 minuti, immergere la SPE nei 10 ml disaerato tampone PBS, mantenendo N _{2 che scorre, e condurre 100 cicli di ripetitivi potenziale ciclismo catodico da 0,0 a -1,5 V per ridurre elettrochimicamente andare in RGO. Risciacquare la SPE con acqua deionizzata in una bottiglia spruzzo e asciugare a temperatura ambiente.
   Nota: fogli vanno bene-espansa, stabilizzate da repulsione elettrostatica, sono da polvere di grafite usando modificato il metodo di Hummer come riportato altrove ^7. L'omogeneità della pellicola RGO as-sintesi è importante, perché serve come supporto di carbonio per un'ulteriore crescita di IRO 2 film sottili.}
2. Rendere 100 ml IRO soluzione ₂ deposizione composto di 0,15 g di iridio tetracloruro (IrCl _4), 0,6 ml di 50% (w / w) di perossido di idrogeno (H ₂ O ₂₎ e acido ossalico 0,5 g disidratare aggiungendoli in acqua deionizzata. Gradualmente aggiungere piccole quantità di carbonato di potassio anidro sotto agitazione fino a quando il pH raggiunge 10,5 certificato un pHmetro lab-based. Poi, soluzione si giallastro. L'invecchiamento la soluzione per 48 ore a camera tempere, poi il suo colore è finalmente diventando blu pallido.
3. Mettere il RGO-SPE nella soluzione di deposizione sopra e applicare un potenziale costante di +0,6 V per 5 min. Lo spessore di IRO ₂ pellicole sottili può essere controllata con precisione dal potenziale e tempo di deposizione.
4. Confermano la struttura della zona monitorata mediante SEM. Acquisire le immagini SEM seguendo le istruzioni presso il Materials Science Center presso l'Università del Wisconsin-Madison, come abbiamo fatto prima del ^7.

3. Costruzione di poco costoso e portatili pH-metri digitali

1. Costruire un pH-metro poco costoso e miniaturizzato con display digitale inserendo sia in una serie di due amplificatori singolo LF356N operativi (amplificatori operazionali) o un transistor ad effetto di campo ad alta velocità INA111 (FET) -input amplificatore di strumentazione (ad alta impedenza di ingresso> 10 ¹² Ω) sul tagliere di raggiungere sufficientemente elevata impedenza interna per misurazioni stabili.
   Nota: Tutte le parti sono facilmente accessibili da negozi di elettronica e può essere montato facilmente.
2. Utilizzare l'iro ₂ -RGO-SPE come la sonda pH e amplificatori operazionali come buffer guadagno unitario. Collegare due batterie alcaline di consumo V a terra 9 in serie per alimentare il pH-metro e collegare i cavi nella basetta in base alla disposizione dei pin di amplificatori operazionali.
3. Collegare il catodo e l'anodo al pin 7 e 4. collegare anche le sonde positivi e negativi di un multimetro digitale al pin 6 e 5 di amplificatori operazionali, rispettivamente per misurare le letture di tensione di uscita e di visualizzazione. Elettrodi di riferimento e di lavoro dei SPE sono collegati ai pin 2 e 3 di conseguenza. Connessioni dettagliate sono illustrati nella Figura 1D.

4. Misure di pH

1. Preparare 100 ml buffer BR con 0,04 M di acido equimolare fosforico, acido acetico e acido borico e mescolare con diversi volumi (5, 25, 42, 60, 78 e 98) di 0,2 M di idrossido di sodio (NaOH) per ottenere diversi pH da 2- 12 per la calibrazione.
2. Locate modellato μPAD sopra l'area di rilevamento. Mount 60 ml campioni liquidi direttamente da una micropipetta nella zona idrofila del μPAD per traspirazione. La μPAD può essere tenuto in posizione con o senza coperchio in ABS, quando è bagnata.
3. Misurare il segnale di tensione tra la IRO ₂ -RGO elettrodo di lavoro e l'elettrodo di riferimento Ag / AgCl nel tempo sia con CHI 660D analizzatore elettrochimico lab-based o il pHmetro digitale portatile, quando i potenziali circuito aperto (OCP) diventano costante (potenziale variazioni <5%).
4. Mantenere la regione sensibile bagnato immergendo il blocco di carta in campioni liquidi da testare, se necessario, per ottenere una migliore contatto elettrico così come letture stabili e riproducibili in funzionamento a lungo termine. I valori OCP steady-state registrate sono in media ad ogni valore di pH per determinare una curva di calibrazione.

Risultati

L'impostazione del elettrochimico iro ₂ -RGO-SPE sensore pH incorporando microfluidica carta è mostrato nella Figura 1A. Il pad carta modellata con barriere idrofobiche PDMS è stato posto sulla parte superiore della zona di rilevamento di IRO ₂ -RGO-SPE che si trova sul supporto in plastica ABS. La zona di rilevamento del blocco di carta è stato accuratamente allineato con superficie dell'elettrodo. Una soluzione colorante blu di metilene...

Discussione

Device Setup

Il sensore pH funziona misurando la OCP tra gli elettrodi di lavoro e di riferimento, poiché varia proporzionalmente al logaritmo negativo della concentrazione di H ^+. Le misure possono essere raggiunte sia da un potenziostato laboratorio-based come CHI 660D e semplice pH-metro costruito sul tagliere con la lettura dal multimetro. Due diversi pH-metri portatili sono stati costruiti in modo simile a breadboards con due 9 V batterie alcaline, un multim...

Materiali

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