Name: manufacturing of a nafion-coated, reduced graphene oxide/polyaniline chemiresistive sensor to monitor ph in real-time during microbial fermentation
Uploaded: 2019-01-07T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Manufacturing of a Nafion-coated, Reduced Graphene Oxide/Polyaniline Chemiresistive Sensor to Monitor pH in Real-time During Microbial Fermentation at JoVE.co

De auteurs erkennen de Rijksuniversiteit Groningen voor financiële steun.

1. bereiding van grafiet Oxide
Opmerking: Graphite oxide is bereid volgens Hummers methode10,11.
<ol><li>Voeg 3 g grafiet in 69 mL geconcentreerde H2dus4 en roer de oplossing tot het grafiet volledig heeft verspreid. Toevoegen van 1.5 g van natriumnitriet en laat het gedurende 1 uur al roerend. Dan de container te plaatsen in een ijsbad.</li>
	<li>9 g kaliumpermanganaat in de verstrooiing toevoegen en verwijdere...

<ol>
	<li>Gou, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Carbon+Nanotube+Chemiresistor+for+Wireless+pH+Sensing.">Carbon Nanotube Chemiresistor for Wireless pH Sensing.</a> Scientific Reports. 4, 4468 (2014).</li><li>Hols, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Conversion+of+Lactococcus+lactis+from+homolactic+to+homoalanine+fermentation+through+metabolic+engineering.">Conversion of Lactococcus lactis from homolactic to homoalanine fermentation through metabolic engineering.</a> Nature Biotechnology. 17, 588-592 (1999).</li><li>Luedeking, R., Piret, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+kinetic+study+of+the+lactic+acid+fermentation.+Batch+process+at+controlled+pH.">A kinetic study of the lactic acid fermentation. Batch process at controlled pH.</a> Journal of Biochemical and Microbiological Technology and Engineering. 1, 393-412 (1959).</li><li>Britton, H. T. S., Robinson, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Universal+buffer+solutions+and+the+dissociation+constant+of+veronal.">Universal buffer solutions and the dissociation constant of veronal.</a> Journal of the Chemical Society. , 1456-1462 (1931).</li><li>Ambrosi, A., Chua, C. K., Bonanni, A., Pumera, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemistry+of+Graphene+and+Related+Materials.">Electrochemistry of Graphene and Related Materials.</a> Chemical Reviews. 114, 7150-7188 (2014).</li><li>Xie, F., Cao, X., Qu, F., Asiri, A. M., Sun, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cobalt+nitride+nanowire+array+as+an+efficient+electrochemical+sensor.">Cobalt nitride nanowire array as an efficient electrochemical sensor.</a> Sensors and Actuators B. 255, 1254-1261 (2018).</li><li>Xie, F., Liu, T., Xie, L., Sun, X., Luo, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metallic+nickel+nitride+nanosheet:+An+efficient+catalyst+electrode+for+sensitive+and+selective+non-enzymatic+glucose+sensing.">Metallic nickel nitride nanosheet: An efficient catalyst electrode for sensitive and selective non-enzymatic glucose sensing.</a> Sensors and Actuators B. 255, 2794-2799 (2018).</li><li>Xie, L., Asiri, A. M., Sun, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monolithically+integrated+copper+phosphide+nanowire:+An+efficient+electrocatalyst+for+sensitive+and+selective+nonenzymatic+glucose+detection.">Monolithically integrated copper phosphide nanowire: An efficient electrocatalyst for sensitive and selective nonenzymatic glucose detection.</a> Sensors and Actuators B. 244, 11-16 (2017).</li><li>Wang, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ternary+NiCoP+nanosheet+array+on+a+Ti+mesh:+A+high-performance+electrochemical+sensor+for+glucose+detection.">Ternary NiCoP nanosheet array on a Ti mesh: A high-performance electrochemical sensor for glucose detection.</a> Chemical Communications. 52, 14438-14441 (2016).</li><li>Hummers, W. S., Offeman, R. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+Graphitic+oxide.">Preparation of Graphitic oxide.</a> Journal of the American Chemical Society. 80, 1339 (1958).</li><li>Kumar, S., Chinnathambi, S., Munichandraiah, N., Scanlon, L. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanoparticles+anchored+reduced+graphene+oxide+as+catalyst+for+oxygen+electrode+of+rechargeable+Li-O2+cells.">Gold nanoparticles anchored reduced graphene oxide as catalyst for oxygen electrode of rechargeable Li-O2 cells.</a> RSC Advances. 3, 21706-21714 (2013).</li><li>Guo, H. L., Wang, X. F., Qian, Q. Y., Wang, F. B., Xia, X. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+green+approach+to+the+synthesis+of+graphene+nanosheets.">A green approach to the synthesis of graphene nanosheets.</a> ACS Nano. 3, 2653-2659 (2009).</li><li>Ramesha, G. K., Sampath, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+Reduction+of+Oriented+Graphene+Oxide+Films:+An+in+Situ+Raman+Spectroelectrochemical+Study.">Electrochemical Reduction of Oriented Graphene Oxide Films: An in Situ Raman Spectroelectrochemical Study.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 113, 7985-7989 (2009).</li><li>Amal Raj, A., Abraham John, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+Electrochemically+Reduced+Graphene+Oxide+Films+on+Glassy+Carbon+Electrode+by+Self-Assembly+Method+and+Their+Electrocatalytic+Application.">Fabrication of Electrochemically Reduced Graphene Oxide Films on Glassy Carbon Electrode by Self-Assembly Method and Their Electrocatalytic Application.</a> The Journal of Physical Chemistry C. 177, 4326-4335 (2013).</li><li>Bhadani, S. N., Gupta, M. K., Sen Gupta, S. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cyclic+voltammetry+and+conductivity+investigations+of+polyaniline.">Cyclic voltammetry and conductivity investigations of polyaniline.</a> Journal of Applied Polymer Science. 49, 397-403 (1993).</li><li>Genies, E. M., Tsintavis, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Redox+mechanism+and+electrochemical+behaviour+or+polyaniline+deposits.">Redox mechanism and electrochemical behaviour or polyaniline deposits.</a> Journal of Electroanalytical Chemistry. 195, 109-128 (1985).</li><li>Jannakoudakis, P. D., Pagalos, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemical+characteristics+of+anodically+prepared+conducting+polyaniline+films+on+carbon+fibre+supports.">Electrochemical characteristics of anodically prepared conducting polyaniline films on carbon fibre supports.</a> Synthetic Metals. 68, 17-31 (1994).</li><li>Deshmukh, M. A., Celiesiute, R., Ramanaviciene, A., Shirsat, M. D., Ramanavicius, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EDTA_PANI/SWCNTs+Nanocomposite+Modified+Electrode+for+Electrochemical+Determination+of+Copper+(II),+Lead+(II)+and+Mercury+(II)+Ions.">EDTA_PANI/SWCNTs Nanocomposite Modified Electrode for Electrochemical Determination of Copper (II), Lead (II) and Mercury (II) Ions.</a> Electrochimica Acta. 259, 930-938 (2018).</li><li>Deshmukh, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=EDTA-Modified+PANI/SWNTs+Nanocomposite+for+Differential+Pulse+Voltammetry+Based+Determination+of+Cu(II)+Ions.">EDTA-Modified PANI/SWNTs Nanocomposite for Differential Pulse Voltammetry Based Determination of Cu(II) Ions.</a> Sensors and Actuators B Chemical. 260, 331-338 (2018).</li><li>Deshmukh, M. A., Shirsat, M. D., Ramanaviciene, A., Ramanavicius, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Composites+Based+on+Conducting+Polymers+and+Carbon+Nanomaterials+for+Heavy+Metal+Ion+Sensing+(Review).">Composites Based on Conducting Polymers and Carbon Nanomaterials for Heavy Metal Ion Sensing (Review).</a> Critical Reviews in Analytical Chemistry. 48, 293-304 (2018).</li><li>Deshmukh, M. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Hybrid+Electrochemical/Electrochromic+Cu(II)+Ion+Sensor+Prototype+Based+on+PANI/ITO-Electrode.">A Hybrid Electrochemical/Electrochromic Cu(II) Ion Sensor Prototype Based on PANI/ITO-Electrode.</a> Sensors and Actuators B Chemical. 248, 527-535 (2017).</li><li>Chinnathambi, S., Euverink, G. J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polyaniline+functionalized+electrochemically+reduced+graphene+oxide+chemiresistive+sensor+to+monitor+the+pH+in+real+time+during+microbial+fermentations.">Polyaniline functionalized electrochemically reduced graphene oxide chemiresistive sensor to monitor the pH in real time during microbial fermentations.</a> Sensors and Actuators B Chemical. 264, 38-44 (2018).</li><li>Sha, R., Komori, K., Badhulika, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Amperometric+pH+Sensor+Based+on+Graphene-Polyaniline+Composite.">Amperometric pH Sensor Based on Graphene-Polyaniline Composite.</a> IEEE Sensors Journal. 17 (16), 5038-5043 (2017).</li><li>Huai-Ping, C., Xiao-Chen, R., Ping, W., Shu-Hong, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flexible+graphene-polyaniline+composite+paper+for+high-performance+supercapacitor.">Flexible graphene-polyaniline composite paper for high-performance supercapacitor.</a> Energy &amp; Environmental Science. 6, 1185-1191 (2013).</li><li>Xiang, J., Drzal, L. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Templated+growth+of+polyaniline+on+exfoliated+graphene+nanoplatelets+(GNP)+and+its+thermoelectric+properties.">Templated growth of polyaniline on exfoliated graphene nanoplatelets (GNP) and its thermoelectric properties.</a> Polymer. 53, 4202-4210 (2012).</li><li>Xiangnan, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=One-step+synthesis+of+graphene/polyaniline+hybrids+by+in+situ+intercalation+polymerization+and+their+electromagnetic+properties.">One-step synthesis of graphene/polyaniline hybrids by in situ intercalation polymerization and their electromagnetic properties.</a> Nanoscale. 6, 8140-8148 (2014).</li><li>Azzarelli, J. M., Mirica, K. A., Ravnsb&#230;k, J. B., Swager, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Wireless+gas+detection+with+a+smartphone+via+rf+communication.">Wireless gas detection with a smartphone via rf communication.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (51), 18162-18166 (2014).</li></ol>

Het is essentieel dat de GO volledig lagen dekken de gouden elektrode draden na de afzetting van GO. Indien de elektroden van de gouden niet met GO vallen, zal polyaniline niet alleen storten op ERGO maar ook op de draden zichtbaar gouden elektrode direct. Afzetting van polyaniline op de gouden elektrode draden kan gevolgen hebben op de prestaties van de elektrode. Na de reductie van Ga naar ERGO, is de elektrode gedroogd bij 100 ° C tot het versterken van de hechting tussen de ERGO-laag en de gouden elektrode draden. D...

pH speelt een vitale rol in vele chemische en biologische processen. Zelfs kleine veranderingen in de pH-waarde het proces veranderen en negatieve invloed hebben op de uitkomst van het proces. Vandaar, is het noodzakelijk voor bewaking en beheersing van de pH-waarde tijdens elke fase van de experimenten. De op basis van glas pH elektrode is met succes gebruikt om te controleren van de pH in vele chemische en biologische processen, hoewel het gebruik van een glaselektrode verschillende beperkingen kleeft tot het meten van de pH. De op basis van glas pH-elektrode is relatief groot, kwetsbare en kleine lekkage van de elektrolyt in de steekproef zijn mogelijk. Bovendien, de elektrode en de elektronica zijn relatief duur voor toepassingen in 96-Wells screening gisting systemen. Bovendien, de elektrochemische sensoren zijn invasief en consumeren van het monster. Vandaar, is het voordeliger om het gebruik van niet-invasieve, referentie-minder sensoren.
Tegenwoordig, zijn verkleinde reactie systemen favoriet in vele chemische engineering en biotechnologische toepassingen zoals deze microsystems verbeterde procescontrole, samen met vele andere voordelen ten opzichte van hun macro systeem-analogen bieden. Om te controleren en de controle van de parameters in een verkleinde systeem is een uitdagende taak als de grootte van de sensor te meten, bijvoorbeeld, de pH en de O-2, moet eveneens worden geminimaliseerd. De succesvolle productie van microreactors voor biologische systemen vereisen verschillende soorten analysehulpmiddelen voor procesbewaking. Vandaar, de ontwikkeling van slimme microsensors speelt een belangrijke rol bij de uitvoering van de biologische processen in de microreactors.
Onlangs, zijn er verschillende pogingen ondernomen om het ontwikkelen van slimme pH sensoren met behulp van chemiresistive sensing materialen zoals de koolstof nanotubes en uitvoeren van polymeren1. De sensoren van deze chemiresistive vereisen geen referentie-elektrode en zijn eenvoudig te integreren met elektronische schakelingen. Succesvolle chemiresistive sensoren maken het mogelijk om te produceren van slimme sensoren die zijn rendabel en gemakkelijk te vervaardigen, een kleine volume nodig voor het testen, en zijn niet-invasief.
Wij rapporteren hier een methode te ontwikkelen van een elektrode met polyaniline-matiemaatschappij, elektrochemisch verminderde grafeen oxide. De chemiresistive-elektrode opereert als een pH sensor tijdens een L. lactis gisting. L. lactis is een melkzuur-zuur-producerende bacterie gebruikt in voedsel fermentatie en voedsel conserveermiddel processen. Tijdens de gisting, de productie van melkzuur verlaagt de pH en de bacterie stopt met groeien bij een lage pH2,3,4.
Een medium van de gisting is een complexe chemische omgeving die bevat peptiden, zouten en redox-moleculen die de neiging hebben om zich te mengen met de sensor oppervlakte5,6,7,8,9. Deze studie toont aan dat een pH sensor gebaseerd op chemiresistive materiaal met een goede oppervlaktebescherming laag kan worden gebruikt voor het meten van de pH in dit soort complexe gisting media. In deze studie succesvol gebruiken we Nafion als de laag van bescherming voor polyaniline-gecoat, elektrochemisch verminderde grafeen oxide voor het meten van de pH in real-time tijdens een L. lactis gisting.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Graphite flakes</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sulfuric acid (H2SO4)</td>
			<td>Merck</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium nitrite (NaNO2)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium permanganate (KMnO4)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>30 % H2O2</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HCL</td>
			<td>Merck</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aniline</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5wt % Nafion</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M17 powder</td>
			<td>BD Difco</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phosphoric acid (H3PO4)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Boric acid (HBO3)</td>
			<td>Merck</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Acetic acid</td>
			<td>Merck</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydroxide</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium dihydrogen phosphate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dipostassium hydrogen phosphate</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Au Interdigitated electrodes</td>
			<td>BVT technology - CC1 W1</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat</td>
			<td>CH Instruments Inc (CH-600, CH-700)</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

manufacturing of a nafion-coated, reduced graphene oxide/polyaniline chemiresistive sensor to monitor ph in real-time during microbial fermentation

Wij rapporteren hier, de engineering van een solid-state micro pH sensor op basis van polyaniline-matiemaatschappij, elektrochemisch verminderde grafeen oxide (ERGO-PA). Elektrochemisch verminderde grafeen oxide fungeert als de geleidende laag en polyaniline als een pH-gevoelige laag. De pH-afhankelijke geleiding van polyaniline treedt op door doping gaten tijdens Protonering en door de dedoping van de gaten tijdens deprotonering. We vonden dat een ERGO-PA solid-state elektrode niet functioneel als zodanig in fermentatieprocessen was. Het elektrochemisch actieve soorten die de bacteriën tijdens het fermentatieproces produceren interfereren met de elektrode respons. Wij met succes toegepast Nafion als een proton-geleidende laag over ERGO-PA. De Nafion beklede elektroden (ERGO-PA-nvt) weergeven een goede gevoeligheid van 1,71 Ω/pH (pH 4-9) voor chemiresistive sensor metingen We testten de ERGO-PA-NA-elektrode in real-time in de gisting van Lactococcus lactis. Tijdens de groei van L. lactis, veranderde de pH van het medium van pH 7,2 op een pH van 4.8 en de weerstand van de ERGO-PA-NA solid-state elektrode gewijzigd van 294.5 Ω 288.6 Ω (5,9 Ω per 2.4 pH-eenheid). De reactie van de pH van de elektrode van de ERGO-PA-nb in vergelijking met de reactie van een conventionele op basis van glas pH elektrode blijkt dat referentie-minder solid-state microsensor arrays met succes in een microbiologische gisting werken.

Het uiterlijk van een sterke vermindering van de piek ongeveer -1,0 V (Figuur 3) geïllustreerd de vermindering van de GO ERGO12,13,14,22. De intensiteit van de piek, is afhankelijk van het aantal GO lagen op de elektrode. Een dikke zwarte film bedekt volledig de gouden draden op de elektrode. Op dat moment waren de twee geïsoleerd...

Watch this Scientific Journal Video about Manufacturing of a Nafion-coated, Reduced Graphene Oxide/Polyaniline Chemiresistive Sensor to Monitor pH in Real-time During Microbial Fermentation at JoVE.co

Manufacturing of a Nafion-coated, Reduced Graphene Oxide/Polyaniline Chemiresistive Sensor to Monitor pH in Real-time During Microbial Fermentation

Wij rapporteren hier, het protocol voor de fabricage van een Nafion-coating, polyaniline-matiemaatschappij, elektrochemisch verminderde grafeen oxide chemiresistive micro pH sensor. Deze chemiresistor gebaseerde, solid-state micro pH sensor kan detecteren pH veranderingen in real-time tijdens een fermentatieproces Lactococcus lactis .

Productie van een Nafion-coating, verminderd grafeen Oxide/Polyaniline Chemiresistive Sensor op een pH van de Monitor in Real-time tijdens microbiële gisting

Here, we report the engineering of a solid-state micro pH sensor based on polyaniline-functionalized, electrochemically reduced graphene oxide (ERGO-PA). ...

Deze technologie kan ons helpen om belangrijke vragen te beantwoorden op het gebied van bioprocestechnologie, zoals biomaskerconversie, of de productie van biogas uit organisch afval. Het belangrijkste voordeel van deze chemiresistive pH-detectie is dat de elektroden klein zijn, is de buis repliceren in groot aantal, en werken zonder referentie-elektrode. De implicaties van deze techniek strekt zich uit tot meerdere microreactoren, omdat pH een belangrijke parameter is.Conventionele pH-elektroden zijn te duur of te groot om te gebruiken in een microreactor screening platform. Deze methode kan inzicht geven in meerdere permutatiepassen op kleine schaal. Het kan ook worden toegepast in andere chemische of biologische passen waar pH-metingen belangrijk zijn.Voeg eerst drie gram grafiet toe aan 69 milliliter geconcentreerd zwavelzuur en roer de oplossing totdat het grafiet volledig is verspreid. Voeg 1,5 gram natriumnitriet toe. Na een uur roeren, plaats de container in een ijsbad.Voeg negen gram kaliumpermanganaat toe aan de dispersie en haal de container uit het ijsbad. Nadat de oplossing is op te warmen tot kamertemperatuur, voegt u 138 milliliter Milli-Q waterdruppel-gewijs toe. Voeg vervolgens 420 milliliter Milli-Q water toe en houd de temperatuur 15 minuten op 90 graden Celsius met behulp van een hete plaat.Voeg 7,5 milliliter van 30% waterstofperoxide toe aan de hete dispersie. Na het overbrengen van de dispersie naar een centrifugebuis, verzamel het product door centrifugatie op 10.000 keer G gedurende 20 minuten. Na het weggooien van de supernatant, was de pellet vier keer met warm dubbel gedestilleerd water, en twee keer met 10% zoutzuur.Tot slot, was de pellet twee keer met ethanol en droog het op 50 graden Celsius in de oven. Verspreid 10 milligram grafietoxide in 10 milliliter Milli-Q water, en vervolgens sonicate de dispersie in een ultrasoon bad gedurende zes uur. Na ultrasoon maken, verwijder de onverlichte grafietoxidevlokken door 30 minuten te centrifugeren bij 2700 keer G.Na centrifugatie, gooi de vaste deeltjes weg en gebruik de supernatant voor verdere experimenten.Om de werkoplossing voor te bereiden, verdun de grafeenoxidevoorraadoplossing tweekeer met Milli-Q water. Voeg nu twee microliters van de grafeenoxide werkoplossing toe aan de bovenkant van een blootgestelde geinterdigiteerde goudelektrode. Na het laten vallen, droog de grafeenoxide elektrode bij kamertemperatuur gedurende 12 uur.Plaats de elektrode in een PDMS-elektrodehouder. Plaats het andere deel van de elektrodehouder, die dient als oplossingsreservoir, bovenop de elektrode. Monteer de houders door de twee delen samen te knippen met behulp van twee paperclips.Vervolgens pipette 300 microliters van 2 molaire fosfaatbuffer in het reservoir. Plaats vervolgens de referentie- en tellerelektroden in de oplossing zodanig dat ze dicht bij het oppervlak van de grafeenoxidefilm worden geplaatst. Sluit de elektroden aan met een potentiostat, verbonden met een computer voor gegevensverwerving.Gebruik cyclische voltammetrie voor de elektrochemische reductie en selecteer het juiste potentiële bereik en scansnelheid. Fiets de spanning 10 keer over de elektrode tussen nul tot min 1,2 volt. Verwijder na het experiment de elektrode van de houder en was deze herhaaldelijk met Milli-Q water.Droog vervolgens de elektrode in een oven op 101 graden Celsius gedurende 12 uur. Wanneer de elektrode droog is, haal deze dan uit de oven en laat deze afkoelen tot kamertemperatuur. Meet vervolgens de geleidbaarheid van de ErGO-elektrode met een multimeter.Bereid een 10 millimolar oplossing van aniline monomeer voor de polyaniline functionalisatie, door het oplossen van vijf microliter van 10 millimolar aniline in vijf milliliter van een molaire zwavelzuur. Voeg 300 microliter aniline monomeer toe aan het oplossingsreservoir. Plaats vervolgens de ErGO gedeponeerde elektrode in de elektrodehouder zoals eerder beschreven.Gebruik cyclische voltammetrie voor de elektropolymerisatie van aniline om de ErGO te functionaliseren in ErGO-PA, en selecteer het juiste potentiële bereik en scansnelheid. Fiets de spanning 50 keer over de elektrode, tussen nul tot 9 volt. Na de polyaniline depositie, verwijder de elektrode en herhaaldelijk wassen met Milli-Q water.Droog vervolgens de elektrode op 80 graden Celsius in de oven gedurende 12 uur. Wanneer de elektrode droog is, haal deze dan uit de oven en laat deze afkoelen tot kamertemperatuur voordat u de geleidbaarheid van de elektrode meet met een multimeter. Voeg vervolgens 2 molaire natriumhydroxide toe aan britton-Robinson bufferoplossing, totdat de pH vijf is.Om een Britton-Robinson universele bufferoplossing voor te bereiden, meng 04 moedervlekken fosforzuur, 04 moedervlekken azijnzuur en 04 moedervlekken boorzuur in 8 liter Milli-Q water. Voeg vervolgens Milli-Q water toe tot het uiteindelijke volume één liter is. Na het conditioneren van de elektrode in de pH vijf bufferoplossing, meet de weerstand in oplossingen van verschillende pH, door het eerst direct in de bufferoplossing te dompelen.Sluit vervolgens het andere deel van de elektrode aan op een computergestuurde potentiostat voor gegevensverwerving. Kies amperometrie stroom versus tijdcurve uit de lijst van technieken, en breng een 100 millivolt potentieel verschil op de elektrode. Droog na de metingen de elektrode 12 uur op kamertemperatuur.Voeg vijf microliters van vijf gewicht-procent nafion op de top van de ErGO-PA elektrode, en droog de elektrode bij kamertemperatuur gedurende 12 uur. Verwarm na de nafioncoating de elektrode in de bufferoplossing op pH vijf gedurende 24 uur voor pH-metingen. Na conditionering in de pH vijf bufferoplossing, verwijder de nafion-gecoate ErGO-PA elektrode en meet de weerstand van de elektrode van pH vier tot negen, zoals eerder beschreven.Voeg 9,3 gram M17 poeder toe aan 250 milliliter gedemineraliseerd water. Roer de oplossing langzaam tot het poeder volledig oplost. Dan autoclave de oplossing op 121 graden Celsius gedurende 15 minuten.Voeg vervolgens 50 milliliter van het gesteriliseerde M17-medium toe in een gesteriliseerde kolf van 250 milliliter met een magnetische roerstaaf. Voeg 8 milliliter autoclaved 1 molaire glucoseoplossing toe aan het medium. Inenting vervolgens de oplossing met 10 microliters van de L.lactis-cultuur, die voorheen in hetzelfde kweekmedium zijn geteeld.Plaats de kolf met het ingeënte kweekmedium op een magnetische roerplaat in een incubatieoven op 30 graden Celsius gedurende 18 uur onder het roeren. Controleer de pH tijdens incubatie. Plaats de ErGO-PA-NA elektrode in de L.lactis cultuur en sluit deze af met een katoenen stekker.Plaats vervolgens de set-up in een thermostaat op 30 graden Celsius om L.lactis te laten groeien. Breng hierna 100 millivolt aan op de elektrode en meet de stroom tegen de tijd. Neem 5 milliliter monsters op verschillende tijdstippen om offline de optische dichtheid op 600 nanometer te meten, en de pH met een conventionele glazen elektrode.Zet de metingen voort totdat de optische dichtheid van de cultuur constant wordt, wat aangeeft dat de bacteriën niet meer groeien. De verschijning van een sterke reductiepiek rond min 1,0 volt illustreerde de vermindering van grafeenoxide tot ErGO. De intensiteit van de piek is afhankelijk van het aantal grafeenoxidelagen op de elektrode.Toen de ErGO-PA-elektrode in pH vier tot negen bufferoplossingen werd geplaatst, steeg de stroom met toenemende pH als gevolg van het smeren en de-doping van gaten tijdens het protonatiedeprotonatieproces. De respons van de elektrode was onmiddellijk stabiel toen de toevoeging van natriumhydroxide stopte bij een bepaalde pH. De geleidbaarheid van de elektrode werd niet veel beïnvloed door de nafioncoating.Maar een paar ohm van verschil in de weerstand waarde opgetreden, en veranderde de basis huidige waarde van de ErGO-PA elektrode. Net als bij de ErGO-PA-elektrode veranderde de weerstand van de ErGO-PA-NA-elektrode toen de pH van de bufferoplossing veranderde van vier naar negen. Zodra de groei van L.lactis begon, daalde de stroom van de ErGO-PA-NA elektrode geleidelijk en versnelde vervolgens tijdens de exponentiële groeifase, het bereiken van een stabiele waarde aan het einde van de groei.De eindwaarde van de stroom is vergelijkbaar met de huidige waarde van de ErGO-PA-NA elektrode getest in bufferoplossing. Tijdens een poging tot deze procedure, is het belangrijk om te onthouden om volledig te dekken de gouden elektroden met het grafeenoxide. Deze technologie maakte de weg vrij voor onderzoekers op het gebied van procesbeheersing, voor de productie en het gebruik van kleine pH-elektroden voor biologische en chemische systemen.Vergeet niet dat het werken met geconcentreerd zwavelzuur, kaliumpermanganaat en waterstofperoxide zeer gevaarlijk kan zijn. Deze procedure moet worden uitgevoerd in een rookkap.

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

Biomoleculaire Detectie gebruik de interferometrische reflectie Imaging Sensor (IRIS)

The sensitive measurement of biomolecular interactions has use in many fields and industries such as basic biology and microbiology, ...

Simultaneous Synthesis of Single-walled Carbon Nanotubes and Graphene in a Magnetically-enhanced Arc Plasma

Gelijktijdig Synthese van enkelwandige koolstof nanobuisjes en grafeen in een magnetisch-enhanced Arc Plasma

Carbon nanostructures such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) and graphene attract a deluge of interest of scholars nowadays due to their very ...

Hollow Microneedle-based Sensor for Multiplexed Transdermal Electrochemical Sensing

Holle microneedle-gebaseerde sensor voor multiplexverzending transdermale Elektrochemische Sensing

The development of a minimally invasive multiplexed monitoring system for rapid analysis of biologically-relevant molecules could offer individuals ...

Simultaneously Capturing Real-time Images in Two Emission Channels Using a Dual Camera Emission Splitting System: Applications to Cell Adhesion

Gelijktijdig vastleggen van real-time beelden in Two Emissie Kanalen Met een Dual Camera Emission Splitting Systeem: Toepassingen op Hechting Cell

Multi-color immunofluorescence microscopy to detect specific molecules in the cell membrane can be coupled with parallel plate flow chamber assays to ...

Real Time Monitoring of Intracellular Bile Acid Dynamics Using a Genetically Encoded FRET-based Bile Acid Sensor

Real-time monitoring van de intracellulaire Bile Acid Dynamics Met behulp van een genetisch gecodeerde FRET-gebaseerde Bile Acid Sensor

F&#246;rster Resonance Energy Transfer (FRET) has become a powerful tool for monitoring protein folding, interaction and localization in single cells. ...

Construction and Setup of a Bench-scale Algal Photosynthetic Bioreactor with Temperature, Light, and pH Monitoring for Kinetic Growth Tests

Constructie en opstelling van een Benchschaal Alg Photosynthetic Bioreactor met Temperatuur, Licht en pH Monitoring voor Kinetische Groeitesten

The optimal design and operation of photosynthetic bioreactors (PBRs) for microalgal cultivation is essential for improving the environmental and economic ...

A Protocol for Real-time 3D Single Particle Tracking

Een Protocol voor Real-time 3D één deeltje Tracking

Real-time three-dimensional single particle tracking (RT-3D-SPT) has the potential to shed light on fast, 3D processes in cellular systems. Although ...

In Situ Microscopy for Real-time Determination of Single-cell Morphology in Bioprocesses

In Situ Microscopy for Real-time Determination of Single-cell Morphology in Bioprocesses

In situ Microscopie voor real-time bepaling van eencellige morfologie in bioprocessen

In situ monitoring in microbial bioprocesses is mostly restricted to chemical and physical properties of the medium (e.g.,pH value and the dissolved ...

Real-time Visualization and Analysis of Chondrocyte Injury Due to Mechanical Loading in Fully Intact Murine Cartilage Explants

Visualisatie in real time en analyse van chondrocyten letsel als gevolg van mechanische belasting in volledig Intact lymfkliertest kraakbeen explantaten

Homeostasis of articular cartilage depends on the viability of resident cells (chondrocytes). Unfortunately, mechanical trauma can induce widespread ...

Generation of Heterogeneous Drug Gradients Across Cancer Populations on a Microfluidic Evolution Accelerator for Real-Time Observation

Generatie van heterogene drugs gradiënten over kanker populaties op een Microfluïdische evolution Accelerator voor real-time observatie

Conventional cell culture remains the most frequently used preclinical model, despite its proven limited ability to predict clinical results in cancer. ...