Iridiumoxid reducerade grafenoxid Nanohybrid Thin Film Modifierade screentryckta elektroder som engångsElektro Paper Mikroflödes pH-sensorer
Summary
Studien visar tillväxt iridiumoxid reducerade grafenoxid (IRO 2 -RGO) nanohybrid tunna filmer på oregelbundna och grova screentryckt kolsubstrat genom en grön elektro syntes, och deras genomförande som en pH-sensor med en mönstrad pappers fluidic plattform .
Abstract
En enkel, kontrollerbar, billig och grön elektro syntes av IRO 2 -graphene nanohybrid tunna filmer har utvecklats för att tillverka en enkel att använda integrerad papper mikroflödeselektro pH-sensor för resursbegränsade inställningar. Att fördelarna från både pH-mätare och remsor, pH sensorplattform som består av hydrofob barriär-mönstrade papper micropad (μPAD) användning av polydimetylsiloxan (PDMS), screentryckt elektrod (SPE) modifierad med IRO 2 -graphene filmer och gjutna akrylonitrilbutadienstyren (ABS) plasthållare. Repetitiv katodpotential cykling användes för grafenoxid (GO) minskning som helt kan ta bort elektrokemiskt instabila syregrupper och generera en 2D felfri homogen grafen tunn film med utmärkt stabilitet och elektroniska egenskaper. En enhetlig och jämn IRO 2 film i nanoskala kornstorlek är anodiskt elektro på grafen film, utan någonobserverbara sprickor. Den resulterande iro 2 -RGO elektroden uppvisade en något super Nernstian svar från pH 2-12 i Britton-Robinson (BR) buffertar med god linjäritet, liten hysteres, låg svarstid och reproducerbarhet i olika buffertar, såväl som låga känsligheter till olika interfererande jonslag och upplöst syre. En enkel bärbar digital pH-mätare tillverkas, vars signal mäts med en multimeter, med användning av hög input-impedansen operationsförstärkare och konsumentbatterier. PH-värden som uppmätts med bärbara elektropappersmikroflödes pH-sensorer överensstämde med de som mäts med hjälp av ett kommersiellt laboratorium pH-mätare med en glaselektrod.
Introduction
Fastställandet av pH är allestädes närvarande i livsmedel, fysiologiska, läkemedel och miljöstudier. Två vanligaste verktyg för pH upptäckt är pH-remsor och pH-mätare. Pappersremsor är impregnerade med färgskiftande pH indikatormolekyler men avläsningen begränsas ibland i pH-intervall, subjektivt och semikvantitativ med vissa avvikelser. Å andra sidan, kan en pH-meter som konventionellt utrustad med en glaselektrod mäta pH exakt till 0,01 nivån, och visning av en digital-användargränssnitt. Lab-baserade pH-mätare behöver inte bara särskild vård i underhåll och kalibrering, men också inte fungerar bra mot små provvolymer och kräver ofta en ren behållare, såsom en bägare för att utföra mätningar. Trots sin känslighet, selektivitet och stabilitet, glaselektroder lider syra / alkaliska fel, hög impedans, temperaturinstabilitet och mekanisk bräcklighet en. Därför är det fördelaktigt att ha ett pH-mätsystem som embodIES riktigheten i pH-mätare och enkelhet och kostnadsaspekter av pH-remsor.
Det finns alltid ett otillfredsställt behov av sådana verktyg inom begränsade resurser förhållanden i många utvecklingsregioner där dyra laboratoriebaserad utrustning eller kommersiella laboratorier är dyr. Dessutom är den ökande betydelsen av nya lättanvända på plats kännande plattformar skjuts av en sådan efterfrågan på point-of-care upptäckt. Elektrokemisk detektion är enkel, lätt att miniatyrisera och tillfredsställande känslig, vilket framgår av de kommersialiserade lågpris SPE och olika glukosövervakningssystem på marknaden. Som en lätt, flexibel och disponibel poröst material kan papper också ha olika styregenskaper, såsom olika porstorlekar, funktionella grupper och fuktspridande priser.
Som papperssubstratet påverkar knappt analyt diffusion och elektrokemisk detektion 2-4, kombination av pappers fluidic enheter och electroanalytical tekniker har recently fick omfattande intressen. En uppenbar fördel med sådana kombinationer är den lilla mängden provvolym som används i mätningen som potentiellt kan förhindra störningar från vibrationer och konvektion under mätningarna. Till exempel har mönstrade mikroflödes kuddar appliceras transportera och leverera vätskeprover till sensorområdet SPE för detektering av tunga metalljoner och glukos 2,5. Liknande enheter med papper mikroflödes elektrokemiluminiscens fastställdes att åstadkomma NADH upptäckt fyra. På senare tid, kan enkla elektro papper mikroflödessystem enheter byggas på en glasskiva med penna elektroderna 6 eller med hjälp av enzymet papper och SPE 3.
En nanohybrid tunn film material bestående av Iro 2 och RGO framställdes med användning av en enkel och effektiv elektrokemisk metod. Vi fann att den oregelbundna och grova SPE grafitkol yta, anodiskt elektro IRO 2 tunn film kan intevara jämn och stabil utan hjälp av RGO. Den resulterande IRO 2 -RGO SPE integrerades i en pappersmikroflödessystem enhet som har mönstrade hydrofoba barriärer för pH avkänning. Den sammansatta anordningen uppvisade goda analytiska föreställningar i pH avkänning med en något super Nernstian beteende. Resultaten är jämförbara med en konventionell laboratoriebaserad pH-mätare med glaselektroder. Slutligen var kostnadseffektiva miniatyriserade pH-mätare som bygger på en skärbräda för att mäta öppen krets potentiella utsignal med en digital multimeter. Mätningarna av den bärbara pH-mätare korrelerar väl med de för ett kommersiellt laboratorium pH-meter.
Protocol
Representative Results
Discussion
anordning Setup
PH-sensorn fungerar genom att mäta OCP mellan arbets- och referenselektroderna, eftersom den förändras proportionellt mot den negativa logaritmen av H + -koncentration. Mätningarna kan uppnås både genom en laboratoriebaserad potentiostat såsom CHI 660D och enkel pH-mätare konstruerad på bakbord med läsning av multimeter. Två olika bärbara pH-mätare byggdes på samma sätt på Bread med två 9 V alkaliska batterier, en digital multimete…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av ett bidrag från Vattenutrustning och politik (WEP) NSF Industri / University Cooperative Research Center (I / UCRC). Författarna är också tacksamma för Hjalmar D. och Janet W. Bruhn gemenskap och Louis och Elsa Thomsen Wisconsin Distinguished Graduate Fellowship tillhandahålls JY vid 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).
