Iridium Oxide-reducerede Graphene Oxide Nanohybrid Thin Film Modified Screen-trykt Elektroder som Engangs Elektrokemisk Papir Mikrofluid pH sensorer
Summary
Undersøgelsen viser væksten af iridium oxid-reduceret graphene oxid (IRO 2 -RGO) nanohybrid tynde film på uregelmæssig og ru skærm-trykt kulstof substrat gennem en grøn elektrokemisk syntese, og deres gennemførelse som en pH-sensor med en mønstret papir-fluidik platform .
Abstract
En letkøbt, kontrollerbar, billig og grøn elektrokemisk syntese af IRO 2 -graphene nanohybrid tynde film er udviklet til at fabrikere en nem-at-bruge integreret papir mikrofluid elektrokemisk pH-sensor til ressource-begrænset indstillinger. Tager fordele fra både pH-metre og strips pH sensing platform bestående af hydrofobe papir micropad barriere-mønstrede (μPAD) ved hjælp af polydimethylsiloxan (PDMS), silketryk elektrode (SPE) modificeret med IRO 2 -graphene film og støbte akrylonitrilbutadienstyren (ABS) plastholder. Gentagne katodisk potentiale cykling var ansat for graphene oxid (GO) reduktion, som helt kan fjerne elektrokemisk ustabile iltede grupper og generere en 2D fejlfri homogen graphene tynd film med fremragende stabilitet og elektroniske egenskaber. En ensartet og glat IRO 2 film i nanoskala kornstørrelse er anodisk elektroafsættes på graphene film, uden nogenobserverbare revner. Den resulterende IRO 2 -RGO elektrode viste lidt super-Nernstian svar fra pH 2-12 i Britton-Robinson (BR) buffere med god linearitet, lille hysterese, lav responstid og reproducerbarhed i forskellige buffere, samt lave følsomheder til forskellige forstyrrende ioniske stoffer og opløst ilt. En simpel bærbar digital pH-meter er fremstillet, hvis signal måles med et multimeter, ved hjælp af høj input-impedans operationsforstærker og forbrugernes batterier. De pH-værdier, der måles med de bærbare elektrokemiske papir-mikrofluid pH-sensorer var i overensstemmelse med dem, der måles ved hjælp af et kommercielt laboratorium pH-meter med et glas elektrode.
Introduction
Bestemmelsen af pH er allestedsnærværende i fødevarer, fysiologiske, medicinske og miljømæssige undersøgelser. To mest almindelige værktøjer til pH detektering er pH-strips og pH-metre. Papirstrimler er imprægneret med farve skiftende pH-indikator molekyler men aflæsningen er undertiden begrænset i pH-områder, subjektive og semikvantitativ med nogle afvigelser. På den anden side kan et pH-meter konventionelt udstyret med en glaselektrode måle pH nøjagtigt til 0,01 niveau, og visning af en digital-brugergrænseflade. Lab-baserede pH-meter ikke kun brug for særlig pleje i vedligeholdelse og kalibrering, men også fungerer ikke godt mod små prøvevolumener og kræver ofte en ren beholder, såsom et bæger til at udføre målinger. På trods af sin følsomhed, selektivitet og stabilitet, lider glaselektroder fra syre / base fejl, høj impedans, ustabil temperatur og mekanisk skrøbelighed 1. Derfor er det fordelagtigt at have en pH-måling, der embodIES nøjagtigheden af pH-meter og enkelheden og omkostningsmæssige aspekter af pH-strips.
Der er altid et uopfyldt behov for sådanne værktøjer under betingelser begrænsede ressourcer i mange udviklingslande regioner, hvor dyrt lab-baseret udstyr eller kommercielle laboratorier er uoverkommelige. Også den voksende rolle af nye nemme at bruge på stedet sensing platforme skubbet af en sådan efterspørgsel efter point-of-care afsløring. Elektrokemisk detektion er enkelt, let at miniaturisere og tilfredsstillende følsom, hvilket fremgår af de kommercialiserede lavpris SPE'er og forskellige glucose overvågningssystemer på markedet. Som et lyst, fleksibel og disponibel porøst materiale, kan papiret også have forskellige styrbare karakteristika, såsom forskellige porestørrelser, funktionelle grupper og fugtspredende satser.
Som papir substrat påvirker knapt analyt diffusion og elektrokemisk detektion 2-4, kombination af papir-strømningstekniske enheder og elektroanalytiske teknikker har recently modtog omfattende interesser. En tilsyneladende fordel ved sådanne kombinationer er den lille mængde prøve volumen anvendes i målingen, som potentielt kan forhindre interferens fra vibrationer og konvektion under målingerne. For eksempel blev mønstrede mikrofluidenheder pads anvendes til at væge og levere væskeprøver til detekteringsområde SPE'er til påvisning af tunge metalioner og glucose 2,5. Lignende enheder ved hjælp af papir mikrofluid elektrokemiluminescensen blev oprettet for at udrette NADH afsløring 4. For nylig, kan simple elektrokemiske papir mikrofluidenheder bygges på en glasplade med blyant elektroder 6 eller bruge enzym papir og SPE'er 3.
En nanohybrid tynd film materiale bestående af Iro 2 og RGO blev fremstillet under anvendelse af en let og effektiv elektrokemisk fremgangsmåde. Vi fandt, at den uregelmæssige og ru SPE grafitcarbon overflade, kan anodisk galvanisk IRO 2 tyndfilm ikkevære glat og stabil uden hjælp af RGO. Den resulterende IRO 2 -RGO SPE blev integreret i et papir mikrofluidanordning der har mønstrede hydrofobe barrierer for pH sensing. Den samlede enhed viste fremragende analytiske forestillinger i pH-sensing med en lidt super-Nernstian adfærd. Resultaterne kan sammenlignes med en konventionel lab-baserede pH-meter med glaselektroder. Endelig blev omkostningseffektive miniaturiserede pH-metre bygget på en breadboard at måle åbent kredsløb potentielle udgangssignal med en digital multimeter. Målingerne af den bærbare pH-meteret korrelerer godt med dem af et kommercielt laboratorium pH-meter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Opsætning af enhed
PH-sensoren fungerer ved at måle OCP mellem elektroderne arbejds- og referenceelektroderne, idet den skifter proportionalt med negative logaritme af H + -koncentration. Målingerne kan opnås både ved en lab-baseret potentiostat såsom CHI 660D og enkel pH-meter bygget på breadboard med læsning af multimeter. To forskellige bærbare pH-metre blev bygget på samme måde på breadboards med to 9 V alkaline batterier, et digitalt multimeter, s…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af en bevilling fra vandet Udstyr og politik (WEP) NSF Industri / University Cooperative Research Center (I / UCRC). Forfatterne er også taknemmelige for Hjalmar D. og Janet W. Bruhn Fellowship og Louis og Elsa Thomsen Wisconsin Distinguished Graduate Fellowship leveres til JY på 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).
