Iridium Оксид со сниженным Графен Оксид наногибридный тонка пленка Модифицированные сериграфированного электроды как Одноразовая Электрохимический бумаги микрожидком рН Датчики

Резюме

Исследование демонстрирует рост иридия оксида с пониженным содержанием оксида графена (МОБ ₂ -RGO) наногибридный тонких пленок на нерегулярной и шероховатой сериграфированного углерода подложки через зеленый электрохимического синтеза, а также их реализацию в качестве датчика рН с узорной бумаги-жидкостный платформы ,

Аннотация

Снисходительный, управляемый, недорогой и зеленый электрохимический синтез IrO ₂ -graphene наногибридный тонких пленок разработана для изготовления простой в использовании интегрированный бумаги микрожидкостных электрохимический датчик рН для условиях ограниченных ресурсов. Принимая преимущества от обоих рН - метры и полос, платформа датчиков рН состоит из гидрофобного барьерного узором бумаги micropad (μPAD) с использованием полидиметилсилоксана (PDMS), трафаретной печати электрод (SPE) , модифицированный Иро ₂ -graphene пленок и формованных Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) пластиковый держатель. Серийное катодный потенциал задействуя был использован для оксида графена (GO) сокращения, которое может полностью удалить электрохимически нестабильные кислородсодержащих групп и генерировать 2D бездефектной однородное графена тонкую пленку с превосходной стабильностью и электронными свойствами. Однородная и гладкая IrO ₂ пленка в наноразмерных размером зерна анодно электроосаждается на пленке графена, без каких - либонаблюдаемые трещины. Полученный IrO ₂ -RGO электрод показал слегка супер-Нернста реакции от рН 2-12 в буферах с хорошей линейностью, малый гистерезис, низкое время отклика и воспроизводимостью в различных буферных растворах , а также низкой чувствительностью к различным мешая Britton-Robinson (BR) ионных частиц и растворенного кислорода. Простой портативный цифровой измеритель pH изготовлен, сигнал которого измеряется с помощью мультиметра, с помощью высокого входного импеданса операционного усилителя и потребительских батарей. Значения рН, измеренные с помощью переносных датчиков рН электрохимических бумажных Микрожидкостных согласуются с измеренными с использованием коммерческого метр лабораторный рН со стеклянным электродом.

Введение

Определение рН является повсеместным в пищевых продуктах, физиологических, медицинских и экологических исследований. Два наиболее распространенных инструментов для обнаружения рН являются полоски рН и рН-метры. Бумажные ленты пропитаны изменяющих цвет молекул индикатора рН, но показания иногда ограничены в диапазоне рН, субъективны и полуколичественный с некоторыми отклонениями. С другой стороны, рН-метр, обычно оборудован стеклянным электродом может измерять рН точно до 0,01 уровне, и дисплей с помощью цифрового интерфейса пользователя. рН-метры Lab на основе не только нуждаются в особом уходе в обслуживании и калибровке, но и не работают хорошо на малые объемы проб и часто требуют чистый контейнер, такой как стакан для выполнения измерений. Несмотря на свою чувствительность, селективность и стабильность, стеклянные электроды страдают от кислоты / щелочных ошибок, высокий импеданс, нестабильность температуры и механической хрупкости ^1. Поэтому желательно иметь систему измерения рН, что embodе годы точность рН-метра и простотой и стоимостных аспектов полос рН.

Существует всегда неудовлетворенная потребность в таких инструментов в условиях ограниченных ресурсов во многих развивающихся регионах, где дорогая лаборатория на базе оборудования или коммерческих лабораторий по карману. Кроме того, повышение роли новых простых в использовании на месте зондирования платформ толкается таким требованием для обнаружения точки оказания медицинской помощи. Электрохимический обнаружение простой, легкий в миниатюризации и удовлетворительно чувствительны, как показали коммерциализированных КСН недорогих и различных систем мониторинга глюкозы на рынке. В качестве легкого, гибкого и одноразового использования пористого материала, бумаги может также иметь различные контролируемые характеристики, такие как различные размеры пор, функциональные группы, и впитыванию ставок.

В качестве подложки бумаги едва влияет аналита диффузию и электрохимическим детектированием ^2-4, сочетание бумажных жидкостный устройств и электроаналитических методов имеет recentlу получил обширные интересы. Несомненным преимуществом таких комбинаций является небольшое количество объема образца, используемый в измерении, которое потенциально может предотвратить помехи от вибрации и конвекции в процессе измерений. Например, узорчатые микрофлюидальные колодки были применены к фитилю и доставить жидких проб для чувствительной области КСН для обнаружения ионов тяжелых металлов и глюкоза ^2,5. Подобные устройства , использующие бумаги микрожидкостных электрохемилюминесценции были созданы для выполнения обнаружения NADH ^4. Совсем недавно, простые электрохимическая бумажные микрофлюидальные устройства могут быть построены на предметном стекле с карандашных электродами ⁶ или с использованием фермента бумаги и КСН ^3.

Наногибридный тонкопленочный материал , состоящий из IrO ₂ и РГО был подготовлен с использованием легким и эффективным электрохимический подход. Мы обнаружили , что на неровной и шероховатой SPE графитовой поверхности углерода, анодно электроосаждается IrO ₂ тонкая пленка не можетбыть гладкой и стабильной без помощи РГО. Полученный IrO ₂ SPE -RGO был интегрирован в бумажный микрожидком устройство , которое узорной гидрофобные барьеры для зондирования рН. Собранное устройство показало отличные аналитические представления в зондировании рН с немного супер-Нернста поведения. Результаты сравнимы с обычным лабораторным на основе рН-метра со стеклянными электродами. И наконец, рентабельные м уменьшенных рН были построены на макете для измерения потенциала выходного сигнала холостого хода с помощью цифрового мультиметра. Измерения портативного рН-метра, хорошо коррелирует с результатами коммерческого метр лабораторный рН.

протокол

1. μPAD и устройство подготовки

1. Гравировка паз на нижней пластиковым держателем 500 мкм для размещения SPE с ABS или совместимого пластикового листа с помощью трехмерной (3D) фрезерного станка и фрезерного бит, который имеет 1,6 мм в диаметре. Удерживая SPE и μPAD твердо на месте во время тестирования с держателем (рис 1А).
2. Сделайте штамп и вакуумный кожух с использованием синтетической смолы таблетки или совместимый пластиковый лист с выпуклыми и вогнутыми узорами, соответственно, на фрезерном станке 3D, для того, чтобы шаблон гидрофобные PDMS барьеров на блокнотов.
   1. Приготовить смесь из PDMS форполимера и сшивани в соотношении 10: 1, или как это было предложено производителем, смешать с лопаточкой и применить соответствующее количество на выпуклую поверхность штампа PDMS.
3. Поместите штамп поверх фильтровальной бумаги площадку предварительно обрезать до нужного размера, а затем вакуумной крышкой на противоположной стороне штампа по бумаге. Применить Vācuгм до 30 с ручным приводом вакуумного насоса. Удалите бумажную прокладку из штампа и вакуумной крышкой и выпекать в конвекционной печи в течение 10 мин при 80 ° С , чтобы затвердеть узорчатую PDMS (рис 1б). Полученная бумага накладка имеет приблизительно 0,2 см область ² кромкоправа и 1 см х 0,4 см гидрофильного образца затекания область.
   Примечание: Следует принимать особые меры предосторожности на количество нанесенной PDMS и времени вакуума, чтобы избежать любого возможного загрязнения PDMS во внутреннем гидрофильной области фильтровальной бумаги, где жидкие образцы передаются.

2. Модификация КСН с IrO ₂ -RGO наногибридный тонких пленок

1. Капля отливать 3 мкл в подготовленных 1 мг ∙ мл ^-1 GO раствора на графитовом углерода рабочего электрода ДПО с микропипетки и дайте ему высохнуть при комнатной температуре в чашке Петри. Чистки рН 5,0 PBS буфера с N ₂ в течение 20 мин, окунуть SPE в 10 мл деаэрированной PBS буфера, сохраняя при этом N <к югу> 2 течет, и проводят 100 циклов повторяющихся катодном циклирования потенциала от 0,0 до 1,5 В , чтобы уменьшить электрохимически GO в РГО. Ополосните SPE деионизированной водой в бутылке шприц и высушивают при комнатной температуре.
   Примечание: Ну-расслоенные GO листов, стабилизированные электростатического отталкивания, взяты из графитового порошка с использованием модифицированного метода Хаммера, как сообщалось в другом месте ^7. Однородность синтезированного РГО пленки имеет важное значение, так как он служит в качестве углеродного носителя для дальнейшего роста IrO ₂ тонких пленок.
2. Сделать 100 мл раствора ₂ УМС осаждения , состоящего из 0,15 г тетрахлорида иридия (IrCl _4), 0,6 мл 50% (вес / вес) пероксид водорода (H ₂ O ₂₎ и 0,5 г щавелевой кислоты обезвоживать, добавляя их в деионизированной воде. Постепенно добавить небольшое количество безводного карбоната калия при перемешивании до тех пор, пока рН не достигло 10,5, уточнена лабораторном на основе рН-метра. Затем раствор приобретал желтоватый. Старение раствора в течение 48 ч при комнатной temperatuповторно, то ее цвет, в конечном счете превращая бледно-голубым.
3. Поместите RGO-SPE в указанном выше растворе осаждения и применяют постоянный потенциал +0,6 в течение 5 мин. Толщина УМС ₂ тонких пленок можно точно контролировать потенциалом и времени осаждения.
4. Подтверждение структуры чувствительной области с помощью СЭМ. Приобретать SEM изображения в соответствии с инструкциями в Научном центре материаловедения в Университете Висконсин-Мэдисон, как мы делали раньше ^7.

3. Строительство недороги и портативный цифровой рН-метры

1. Построить недорогой и миниатюрный рН - метр с цифровым дисплеем, подключив либо серии из двух операционных усилителей одного LF356N (Opamps) или одного INA111 высокоскоростного полевого транзистора (FET) -input измерительный усилитель (высокий входной импеданс> 10 ¹² Ω) на макете, чтобы достичь достаточно высокого внутреннего сопротивления для стабильных измерений.
   Примечание: Все части легко переменного токаcessible из электронных магазинов и может быть легко собрана.
2. Используйте Иро ₂ -RGO-SPE в качестве зонда рН и Opamps в качестве буфера усиления единства. Соединение двух заземленных 9 потребителей батареи V щелочные в серии для питания рН-метр и подключить провода в макете на основе стержневой компоновки Opamps.
3. Подключите катод и анод к контактам 7 и 4. Подключите также положительные и отрицательные зонды цифрового мультиметра к контактам 6 и 5 соответственно Opamps для измерения показаний выходного напряжения и индикации. Справочные и рабочие электроды SPE подключены к контактам 2 и 3 соответственно. Подробные соединения показаны на рис 1D.

4. Измерения рН

1. Приготовьте 100 мл BR буфера с 0,04 М эквимолярная фосфорной кислоты, уксусной кислоты и борной кислоты и смешивают с разными объемами (5, 25, 42, 60, 78 и 98) 0,2 М гидроксида натрия (NaOH) для достижения различных PHS из 2- 12 для калибровки.
2. Locели с рисунком μPAD на верхней части чувствительной области. Крепление 60 мкл жидких образцов непосредственно микропипетки в гидрофильной области μPAD для впитывания. ΜPAD может удерживаться на месте с или без крышки ABS, когда он мочится.
3. Измерьте сигнал напряжения между УМС ₂ -RGO рабочего электрода и электрода сравнения Ag / AgCl в течение долгого времени с любой лаборатории на основе ХИ 660D электрохимического анализатора или портативного цифрового рН - метра, когда потенциалы разомкнутой цепи (OCP) , становятся устойчивым (потенциальный вариации <5%).
4. Держите область зондирования мокрый путем погружения бумаги площадку в жидких образцов, подлежащих испытанию, если это необходимо, для достижения лучшего электрического контакта, а также стабильные и воспроизводимые результаты измерений в длительной эксплуатации. Регистрируемые значения установившихся OCP усредняются при каждом значении рН, чтобы определить, с калибровочной кривой.

Результаты

Установка электрохимического IrO ₂ -RGO-SPE датчик рН , включающего бумаги микрофлюидики показан на рисунке 1А. Узорчатую бумагу подушечка с PDMS гидрофобными барьерами был помещен на верхней части чувствительной области от IrO ₂ -RGO-SPE , которая расположена...

Обсуждение

Настройка устройства

Датчик рН работает путем измерения OCP между электродами рабочей и обращение, поскольку оно изменяется пропорционально отрицательный логарифм концентрации H ^+. Измерения могут быть достигнуты как с помощью лабораторной основе потенц...

Материалы

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