Grafeno Oxide Nanohybrid Thin Film eléctrodos modificados serigrafado reduzida de óxido de irídio como papel Electrochemical descartável microfluídicos pH Sensores

Resumo

O estudo demonstra o crescimento de óxido de grafeno reduzido de óxido de irídio (IRO ₂ -RGO) nanohybrid filmes finos sobre substrato de carbono impresso irregular e áspera através de uma síntese eletroquímica verde, e sua implementação como um sensor de pH com uma plataforma para papel-fluídica padronizada .

Resumo

A síntese eletroquímica facile, controlável, barato e verde da IrO ₂ -graphene nanohybrid filmes finos é desenvolvido para fabricar um sensor de pH easy-to-use papel integrado microfluídicos eletroquímico para contextos de recursos limitados. Levando vantagens de ambos os medidores e tiras de pH, a plataforma de detecção de pH é composto por hidrofóbico micropad papel decorado-barreira (μPAD), utilizando o polidimetilsiloxano (PDMS), eletrodo serigrafado (SPE) modificado com Iro ₂ -graphene filmes e moldados de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) suporte de plástico. Repetitivo ciclismo potencial catódico foi empregada para a redução de óxido de grafeno (GO), que pode remover completamente os grupos oxigenados eletroquimicamente instáveis ​​e gerar uma fina camada de grafeno homogênea livre de defeitos 2D com excelente estabilidade e propriedades eletrônicas. Um bom filme _IrO2 uniforme e em tamanho nanoescala grão é anodicamente eletrodepositados para o filme de grafeno, sem qualquerrachaduras observável. O _IrO2 -RGO eletrodo resultante mostrou respostas ligeiramente super-Nernstiana de pH 2-12, em tampões com boa linearidade, pequena histerese, tempo de resposta baixo e reprodutibilidade em diferentes tampões, bem como baixas sensibilidades de interferir diferente Britton-Robinson (BR) espécies iônicas e oxigênio dissolvido. Um medidor de pH digital portátil simples é fabricada, cujo sinal é medido com um multímetro, usando amplificador operacional de entrada de alta impedância e pilhas de consumo. Os valores de pH medidos com os sensores de pH de papel-microfluidos electroquímicos portáteis eram consistentes com aqueles medidos usando um medidor de pH laboratório comercial com um eléctrodo de vidro.

Introdução

A determinação do pH é onipresente em alimentos, fisiológica, medicinal e estudos ambientais. Duas ferramentas mais comuns para detecção de pH são tiras de pH e medidores de pH. As tiras de papel são impregnados com as moléculas indicadoras de pH que mudam de cor, mas a leitura é por vezes limitada em gamas de pH, subjectiva e semi-quantitativa com alguns desvios. Por outro lado, um medidor de pH convencionalmente equipado com um eléctrodo de vidro de pH pode medir com precisão ao nível de 0,01, e exibição por uma interface de utilizador digitais. medidores de pH baseados em laboratório não só precisam de cuidados especiais na manutenção e calibração, mas também não funcionam bem no sentido de pequenos volumes de amostras e muitas vezes exigem um recipiente limpo, como um copo para realizar medições. Apesar de sua sensibilidade, seletividade e estabilidade, eletrodos de vidro sofrem de erros de ácido / alcalinas, de alta impedância, instabilidade da temperatura e fragilidade mecânica ^1. Portanto, é vantajoso ter um sistema de medição de pH que embodies a precisão do medidor de pH e os aspectos simplicidade e custo de tiras de pH.

Há sempre uma necessidade não satisfeita de tais ferramentas em condições de recursos limitados em muitas regiões em desenvolvimento onde o equipamento baseado em laboratório caro ou laboratórios comerciais estão inacessíveis. Além disso, o papel crescente das novas plataformas de detecção no local fáceis de usar é empurrado por um tal demanda para a detecção de ponto-de-cuidado. detecção eletroquímica é simples, fácil de miniaturizar e satisfatoriamente sensível, como demonstrado pelas SPEs baixo custo comercializados e vários sistemas de monitoramento de glicose no mercado. Como um material poroso leve, flexível e descartável, de papel também pode ter várias características controláveis, tais como diferentes tamanhos de poros, os grupos funcionais, e as taxas de capilaridade.

Como substrato de papel mal afeta a difusão do analito e detecção eletroquímica ^2-4, combinação de dispositivos de papel-fluídico e técnicas eletroanalíticas tem recently recebeu interesses extensos. Uma vantagem aparente de tais combinações é a pequena quantidade de volume de amostra utilizado na medição, que pode, potencialmente, evitar interferências de vibração e de convecção durante as medições. Por exemplo, almofadas microfluídicos padronizadas foram aplicadas para pavio e entregar amostras líquidas para a área de detecção de SPEs para detecção de íons de metais pesados e glicose ^2,5. Dispositivos semelhantes usando papel eletroquimioluminescência microfluídico foram estabelecidas para realizar detecção de NADH ^4. Mais recentemente, dispositivos microfluídicos papel eletroquímica simples pode ser construída sobre uma lâmina de vidro com eletrodos lápis ⁶ ou utilizando papel de enzima e SPEs ^3.

Um material de película fina nanohybrid composto de _IrO2 e RGO foi preparado usando uma abordagem electroquímica fácil e eficiente. Descobrimos que na superfície de carbono SPE graphitic irregular e áspera, anodicamente eletrodepositados _IrO2 película fina não podeser suave e estável sem o auxílio de RGO. A resultante _IrO2 -RGO SPE foi integrado um dispositivo microfluídico de papel que tem modelado barreiras hidrofóbicos para detecção de pH. O dispositivo montado mostrou excelentes performances analíticas em sensoriamento pH com um comportamento um pouco super-Nernstiana. Os resultados são comparáveis ​​a um medidor de pH baseado em laboratório convencional com eletrodos de vidro. Por último, miniaturizados medidores de pH baixo custo foram construídas em uma placa de ensaio para medir o sinal de saída potencial de circuito aberto com um multímetro digital. As medições do medidor de pH portátil correlaciona-se bem com os de um medidor de pH laboratório comercial.

Protocolo

1. Preparação e Aparelho μPAD

1. Gravar um sulco 500 mm no suporte de plástico na parte inferior para abrigar SPE com um ABS ou folha de plástico compatível, tridimensional (3D) a máquina de trituração e moagem pouco que tem 1,6 mm de diâmetro. Segure SPE e μPAD firmemente no lugar durante o teste com o suporte (Figura 1A).
2. Adicione um selo e uma tampa de vácuo utilizando comprimido resina sintética ou folha de plástico compatível com padrões convexas e côncavas, respectivamente, pela máquina de moagem em 3D, a fim de padrão PDMS hidrofóbicos barreiras em almofadas de papel.
   1. Prepara-se uma mistura de PDMS pré-polímero e agente de reticulação na proporção de 10: 1 ou, como sugerido pelo fabricante, misturar com uma espátula e se aplica quantidade apropriada sobre a superfície convexa do selo PDMS.
3. Colocar o selo no topo de uma almofada de papel de filtro pré-cortado no tamanho desejado e, em seguida, a tampa de vácuo no lado oposto do selo ao longo do papel. aplicar Vacuhum por até 30 segundos por uma bomba de vácuo manual. Remover o bloco de papel a partir da tampa de selo e de vácuo, e cozer num forno de convecção durante 10 minutos a 80 ° C para endurecer o PDMS estampados (Figura 1B). A almofada de papel resultante tem uma região ² de detecção de aproximadamente 0,2 cm e 1 cm x 0,4 cm da amostra região hidrofílica wicking.
   Nota: tomar precauções especiais na quantidade de PDMS aplicada e tempo de vácuo a fim de evitar qualquer possível contaminação PDMS na região hidrofílica interior do papel de filtro, onde as amostras de líquidos são transferidos.

2. Modificação do SPEs com IrO ₂ -RGO Nanohybrid Filmes Finos

1. Gota fundido 3 ul de como preparados 1 mg ∙ ml ^-1 GO solução no eletrodo de trabalho de carbono grafite da SPE com uma micropipeta e deixe secar à temperatura ambiente em uma placa de Petri. Purifica um tampão PBS a pH 5,0 com N ₂ durante 20 min, a SPE mergulhar em 10 ml de tampão PBS desarejado, mantendo N _{2 corrente, e realizar 100 ciclos de ciclismo potencial catódico repetitivo de 0,0 para -1,5 V para reduzir eletroquimicamente entrar em RGO. Lavar o SPE com água DI em uma garrafa de esguicho e seco à temperatura ambiente.
   Nota: folhas vão bem-esfoliada, estabilizadas por repulsão eletrostática, são de pó de grafite usando o método de Hummer modificado conforme relatado em outros lugares ^7. A homogeneidade da película RGO tal como sintetizada é importante, porque serve como o suporte de carbono para crescimento adicional de IrO2 filmes finos.}
2. Adicione 100 ml de solução IrO ₂ deposição composta de 0,15 g de tetracloreto de irídio (IrCl _4), 0,6 ml de 50% (w / w) de peróxido de hidrogénio (H ₂ O ₂₎ e 0,5 g de ácido oxálico desidratado, adicionando-os em água Dl. Gradualmente adicionar uma pequena quantidade de carbonato de potássio anidro, com agitação até o pH atingir 10,5, verificada por meio de um medidor de pH à base de laboratório. Em seguida, solução tornou-se amarelada. Envelhecimento da solução durante 48 horas à temperatu quartore, em seguida, sua cor é eventualmente se tornando azul pálido.
3. Coloque o RGO-SPE em toda a solução de deposição acima e aplicar um potencial constante de 0,6 V, durante 5 min. A espessura de _IrO2 películas finas pode ser precisamente controlada pelo potencial de deposição e do tempo.
4. Confirmam a estrutura da área de leitura por SEM. Adquirir imagens SEM seguindo as instruções no Centro de Ciência dos Materiais na Universidade de Wisconsin-Madison, como fizemos antes ^7.

3. Construção de medidores de pH digital barata e portátil

1. Construir um medidor de pH barato e miniaturizado com display digital, conectando em qualquer uma série de dois amplificadores única LF356N operacionais (opamps) ou um INA111 alta velocidade transistor de efeito de campo (FET) -input amplificador de instrumentação (alta impedância de entrada> 10 ¹² Ω) na placa de ensaio para alcançar suficientemente alta impedância interna para medições estáveis.
   Nota: Todas as peças são facilmente accessible em lojas de eletrônicos e pode ser facilmente montado.
2. Use o _IrO2 -RGO-SPE como a sonda de pH e amplificadores operacionais como o buffer de ganho unitário. Conectar dois aterradas pilhas de consumo alcalina de 9 V em série para alimentar o medidor de pH e ligue os fios na placa de ensaio com base na disposição do pin opamps.
3. Ligue o cátodo eo ânodo de pinos 7 e 4. Ligue também as sondas positivos e negativos de um multímetro digital com os pinos 6 e 5 de opamps, respectivamente, para medir as leituras de tensão de saída e exibição. Referência e eletrodos de trabalho da SPE são conectados aos pinos 2 e 3 correspondente. Conexões detalhadas são mostrados na Figura 1D.

4. As medições de pH

1. Preparação de 100 ml de tampões BR com M de ácido fosfórico 0,04 equimolar, ácido acético e ácido bórico e misturar com diferentes volumes (5, 25, 42, 60, 78 e 98) de hidróxido de sódio 0,2 M (NaOH) para obter diferentes valores de pH a partir de 2- 12 para a calibração.
2. Loccomeu modelado μPAD no topo da área de detecção. Montagem de 60 ul As amostras líquidas directamente por uma micropipeta para a zona hidrófila do μPAD para wicking. O μPAD pode ser mantido no lugar com ou sem cobertura ABS, quando é molhado.
3. Medir o sinal de tensão entre o _IrO2 -RGO eletrodo de trabalho eo eletrodo de referência Ag / AgCl ao longo do tempo com qualquer um CHI 660D analisador eletroquímico baseado em laboratório ou o medidor de pH digital portátil, quando os potenciais circuito aberto (OCP) tornam-se estável (potencial variações <5%).
4. Manter a região de detecção molhados por imersão do bloco de papel, em amostras líquidas a ser testado, se necessário, para conseguir um melhor contacto eléctrico, bem como leituras estáveis ​​e reprodutíveis em operação a longo prazo. valores OCP steady-state gravados são em média de cada valor de pH para determinar uma curva de calibração.

Resultados

A configuração do eletroquímico _IrO2 -RGO-SPE sensor de pH incorporando microfluídica papel é mostrado na Figura 1A. A almofada de papel com padrão com barreiras hidrofóbicos PDMS foi colocado no topo da área de leitura de _IrO2 -RGO-SPE que localizado no suporte de plástico ABS. A zona de detecção de bloco de papel foi cuidadosamente alinhados com a superfície do eletrodo. Uma solução de corante azul de metileno aquosa foi usada para t...

Discussão

Configuração de dispositivo

O sensor de pH funciona por medição da OCP entre os eléctrodos de trabalho e de referência, uma vez que altera de forma proporcional ao logaritmo negativo da concentração de H ^+. As medições pode ser alcançado tanto por um potenciostato baseado em laboratório, como CHI 660D e medidor de pH simples construído em placa de ensaio com a leitura pelo multímetro. Dois medidores de pH portátil diferentes foram construídas de fo...

Materiais

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