Electrodes sérigraphiés oxyde d'iridium réduite graphène Oxyde nanohybrides Thin Film modifié comme papier jetable Electrochemical microfluidiques pH Capteurs
Summary
L'étude démontre la croissance de l' oxyde réduit l' oxyde d' iridium de graphène (IRO 2 -RGO) nanohybride films minces sur substrat irrégulière et rugueuse sérigraphie carbone grâce à une synthèse électrochimique verte, et leur mise en œuvre comme un capteur de pH avec une plate – forme de papier-fluidiques à motifs .
Abstract
Une synthèse électrochimique facile, contrôlable, peu coûteux et vert Iro 2 -graphene nanohybrides films minces est développé pour fabriquer un capteur facile à utiliser du papier intégré microfluidique électrochimique pH pour les paramètres de ressources limitées. Profitant des deux pH – mètres et les bandes, la plate – forme pH de détection est composé de hydrophobe papier Micropad barrière à motifs (μPAD) en utilisant polydiméthylsiloxane (PDMS), électrode de sérigraphie (SPE) modifié avec Iro 2 -graphene films et moulé acrylonitrile butadiène styrène (ABS) support en plastique. Répétitif vélo potentiel cathodique a été utilisé pour l'oxyde de graphène (GO) réduction qui peut complètement éliminer les groupes oxygénés électrochimiquement instables et générer un graphène homogène film mince sans défaut 2D avec une excellente stabilité et les propriétés électroniques. Un uniforme et lisse le film IrO 2 à granulométrie nanométrique est anodique électrodéposition sur le film de graphène, sansfissures observables. L'IRO 2 -RGO électrode résultante a montré des réponses légèrement super-nernstienne de pH 2-12 dans des tampons avec une bonne linéarité, faible hystérésis, faible temps de réponse et la reproductibilité dans différents tampons, ainsi que de faibles sensibilités aux différents INTERFÉRENTS Britton-Robinson (BR) les espèces ioniques et de l'oxygène dissous. Un simple pH-mètre numérique portable est fabriqué, dont le signal est mesurée à l'aide d'un multimètre, en utilisant un amplificateur opérationnel à haute impédance d'entrée et des batteries de consommation. Les valeurs de pH mesurées par les capteurs électrochimiques de pH du papier microfluidique portables étaient conformes à celles mesurées en utilisant un appareil de mesure de laboratoire commercial pH avec une électrode en verre.
Introduction
La détermination du pH est omniprésent dans les aliments, physiologiques, médicinales et les études environnementales. Deux outils les plus courants pour la détection de pH sont des bandes de pH et pH-mètres. bandes de papier sont imprégnés de pH molécules indicatrices de changement de couleur, mais la lecture est parfois limitée dans des gammes de pH, subjective et semi-quantitative avec quelques écarts. D'autre part, un pH-mètre classique muni d'une électrode de verre permet de mesurer avec précision le pH à 0,01 degré, et l'affichage par une interface numérique par l'utilisateur. base Lab-pH mètres non seulement besoin de soins spéciaux dans l'entretien et l'étalonnage, mais aussi ne fonctionnent pas bien à petits volumes d'échantillons et nécessitent souvent un récipient propre tel qu'un bécher pour effectuer des mesures. En dépit de sa sensibilité, de sélectivité et de stabilité, des électrodes de verre souffrent d'erreurs acide / alcaline, de haute impédance, l' instabilité de la température et de la fragilité mécanique 1. Par conséquent, il est avantageux de disposer d'un système de mesure de pH qui embods la précision du pH-mètre et la simplicité et le coût des aspects de bandes de pH.
Il y a toujours un besoin non satisfait de ces outils dans des conditions de ressources limitées dans de nombreuses régions en développement où l'équipement à base de laboratoire coûteux ou laboratoires commerciaux sont inabordables. En outre, le rôle croissant des nouvelles plates-formes faciles à utiliser sur le site de détection est poussé par une telle demande pour la détection de point de soins. la détection électrochimique est simple, facile à miniaturiser et de manière satisfaisante sensible, comme le montrent les structures d'accueil à bas prix commercialisés et divers systèmes de surveillance de la glycémie sur le marché. En tant que matériau poreux léger, flexible et jetable, le papier peut également avoir différentes caractéristiques contrôlables, tels que les tailles de pores différentes, les groupes fonctionnels et le taux d'effet de mèche.
Comme substrat de papier affecte à peine la diffusion analyte et détection électrochimique 2-4, combinaison de dispositifs de papier-fluidiques et techniques électroanalytiques a recently a reçu d'importants intérêts. Un avantage évident de ces combinaisons est la petite quantité de volume d'échantillon utilisé dans la mesure qui peut potentiellement empêcher les interférences de vibrations et de la convection pendant les mesures. Par exemple, des tampons microfluidiques motifs ont été appliqués à la mèche et de fournir des échantillons de liquide à la zone de détection des entités ad hoc pour la détection des ions de métaux lourds et de glucose 2,5. Des dispositifs similaires en utilisant du papier électrochimiluminescence microfluidique ont été mis en place pour effectuer la détection de NADH 4. Plus récemment, des dispositifs microfluidiques de papier électrochimique simples peuvent être construits sur une lame de verre avec des électrodes de crayon 6 ou en utilisant du papier enzymatique et SPE 3.
Une mince matériau de film nanohybride composé de IrO 2 et RGO a été préparé en utilisant une approche électrochimique facile et efficace. Nous avons constaté que sur la surface irrégulière et rugueuse SPE carbone graphitique, anodique électrodéposé IrO 2 film mince ne peut pasêtre lisse et stable sans l'aide de RGO. L'IRO résultant 2 -RGO SPE a été intégré dans un dispositif microfluidique de papier qui a modelé les barrières hydrophobes pour le pH de détection. Le dispositif assemblé a montré d'excellentes performances analytiques du pH de détection avec un comportement légèrement super-Nernst. Les résultats sont comparables à un pH-mètre en laboratoire conventionnel avec des électrodes en verre. Enfin, miniaturisés pH-mètres rentables ont été construits sur un breadboard pour mesurer le signal de sortie potentiel de circuit ouvert avec un multimètre numérique. Les mesures du pH-mètre portatif est bien corrélée avec celles d'un appareil de mesure du pH laboratoire commercial.
Protocol
Representative Results
Discussion
Configuration de l'appareil
Le capteur de pH fonctionne en mesurant l'OCP entre les électrodes de travail et de référence, car elle varie proportionnellement au logarithme négatif de la concentration en H +. Les mesures peuvent être réalisées à la fois par un potentiostat en laboratoire, tels que CHI et 660D pH-mètre sur la plaque d'essais simples construit avec une lecture par multimètre. Deux différents pH – mètres portables ont été con…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par une subvention de l'équipement et de la politique (WEP) NSF Industrie / Université Cooperative Research Center (I / UCRC) Eau. Les auteurs sont également reconnaissants à la Hjalmar D. et Janet W. Bruhn Fellowship et Louis et Elsa Thomsen Wisconsin Distinguished Graduate Fellowship fourni à JY à UW-Madison
Materials
| 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 | |||
| NaH2PO4 |
References
- Greenblatt, M., Shuk, P. Solid-state humidity sensors. Solid State Ionics. , 995-1000 (1996).
- Nie, Z., Nijhuis, C. A., Gong, J., Chen, X., Kumachev, A., Martinez, A. W., Narovlyansky, M., Whitesides, G. M. Electrochemical sensing in paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 10, 477-483 (2010).
- Yang, J., Nam, Y. G., Lee, S. -. K., Kim, C. -. S., Koo, Y. -. M., Chang, W. -. J., Gunasekaran, S. Paper-fluidic electrochemical biosensing platform with enzyme paper and enzymeless electrodes. Sens. Actuators, B. 203, 44-53 (2014).
- Delaney, J. L., Hogan, C. F., Tian, J., Shen, W. Electrogenerated chemiluminescence detection in paper-based microfluidic sensors. Anal. Chem. 83, 1300-1306 (2011).
- Lankelma, J., Nie, Z., Carrilho, E., Whitesides, G. M. Paper-based analytical device for electrochemical flow-injection analysis of glucose in urine. Anal. Chem. 84, 4147-4152 (2012).
- Dossi, N., Toniolo, R., Pizzariello, A., Impellizzieri, F., Piccin, E., Bontempelli, G. Pencil-drawn paper supported electrodes as simple electrochemical detectors for paper-based fluidic devices. Electrophoresis. 34, 2085-2091 (2013).
- Yang, J., Gunasekaran, S. Electrochemically reduced graphene oxide sheets for use in high performance supercapacitors. Carbon. 51, 36-44 (2013).
- Yamanaka, K. Anodically electrodeposited iridium oxide films (AEIROF) from Alkaline Solutions for Electrochromic Display Devices. Jpn. J. Appl. Phys. 28, 632-637 (1989).
- Yamanaka, K. The electrochemical behavior of anodically electrodeposited iridium oxide films and the reliability of transmittance variable cells. Jpn. J. Appl. Phys. 30, 1285-1289 (1991).
- Fog, A., Buck, R. P. Electronic semiconducting oxides as pH sensors. Sens. & Act. 5, 137-146 (1984).
- Bezbaruah, A. N., Zhang, T. C. Fabrication of anodically electrodeposited iridium oxide film pH microelectrodes for microenvironmental studies. Anal. Chem. 74, 5726-5733 (2002).
- Marzouk, S. A. M., Ufer, S., Buck, R. P., Johnson, T. A., Dunlap, L. A., Cascio, W. E. Electrodeposited iridium oxide pH electrode for measurement of extracellular myocardial acidosis during acute ischemia. Anal. Chem. 70, 5054-5061 (1998).
- Prats-Alfonso, E., Abad, L., Casañ-Pastor, N., Gonzalo-Ruiz, J., Baldrich, E. Iridium oxide pH sensor for biomedical applications. Case urea-urease in real urine samples. Biosens. Bioelectron. 39, 163-169 (2013).
- Bitziou, E., O’Hare, D., Patel, B. A. Simultaneous detection of pH changes and histamine release from oxyntic glands in isolated stomach. Anal. Chem. 80, 8733-8740 (2008).
