ייצור מצופים Nafion, מופחתת גראפן תחמוצת/Polyaniline Chemiresistive חיישן על צג ה-pH בזמן אמת במהלך התסיסה מיקרוביאלי
Summary
כאן, אנו מדווחים על הפרוטוקול עבור הזיוף של גראפן מצופים Nafion, polyaniline functionalized, electrochemically מופחת תחמוצת chemiresistive מיקרו pH חיישן. חיישן זה מבוסס על chemiresistor של מצב מוצק מיקרו חומציות יכול לזהות שינויים pH בזמן אמת במהלך תהליך תסיסה lactis הכרוכים .
Abstract
כאן, אנו מדווחים ההנדסה של חיישן ה-pH של מצב מוצק מיקרו בהתבסס על תחמוצת polyaniline functionalized, electrochemically מופחת גרפן (ERGO-PA). גרפן מופחת electrochemically אוקסיד משמש השכבה ניצוח ופועל polyaniline כשכבה pH-רגיש. מוליכות תלויי-pH polyaniline מתרחשת על ידי סימום של חורים במהלך פרוטונציה ועל ידי dedoping חורים במהלך דה-פרוטונציה. מצאנו כי אלקטרודה solid-state ERGO-PA איננה פונקציונלי ככזה בתהליכי תסיסה. המין electrochemically הפעיל החיידקים מייצרים בתהליך ההתססה להתערב עם תגובת אלקטרודה. אנחנו הוחלו בהצלחה Nafion כשכבה מוליכי פרוטון מעל ERGO-אבא האלקטרודות מצופים Nafion (ERGO-הרשות הפלסטינית-נה) מראים רגישות טובה של 1.71 Ω/חומציות (pH 4-9) למדידות חיישן chemiresistive. בדקנו את האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה ב בזמן אמת בהתסיסה של lactis הכרוכים. במהלך הצמיחה של ל’ lactis, ה-pH של המדיום השתנתה מ- pH 7.2 pH 4.8 וההתנגדות של האלקטרודה solid-state ERGO-הרשות הפלסטינית-נה משתנה מω 294.5 כדי 288.6 Ω (5.9 Ω ליחידה pH 2.4). התגובה ה-pH של האלקטרודה ERGO-הרשות הפלסטינית-נה לעומת התגובה של אלקטרודות pH קונבנציונאלי המבוסס על זכוכית מראה כי הפניה-פחות microsensor של מצב מוצק מערכים פועלים בהצלחה תסיסה מיקרוביולוגית.
Introduction
pH ממלא תפקיד חיוני בתהליכים כימיים וביולוגיים רבים. אפילו שינויים קטנים בערך pH לשנות את התהליך, להשפיע לרעה על התוצאה של התהליך. לפיכך, יש צורך לפקח ולשלוט את ערך ה-pH בכל בשלב של ניסויים. האלקטרודה pH המבוסס על זכוכית בהצלחה שימש כדי לפקח pH של תהליכים כימיים וביולוגיים רבים, למרות השימוש אלקטרודת זכוכית מהווה מספר מגבלות על מדידת pH. האלקטרודה pH המבוסס על זכוכית גדולה יחסית, שביר, leakages קטן של האלקטרוליט לתוך הדגימה אפשריים. יתר על כן, אלקטרודה, אלקטרוניקה יקרים יחסית עבור יישומי סינון 96-ובכן מערכות תסיסה. יתר על כן, החיישנים אלקטרוכימי הינם פולשניים, צורכים את הדגימה. . מכאן, זה יותר יתרון לשימוש חיישנים לא פולשנית, הפניה-פחות.
כיום, מערכות התגובה ולמחקר הם העדיף רבים הנדסה כימית, ביוטכנולוגיה יישומים כמו אלה מיקרוסיסטמס לספק בקרת תהליך משופר, יחד עם יתרונות רבים אחרים על מאקרו שלהם מערכת תחליפי. כדי לפקח ולשלוט הפרמטרים במערכת מיניאטורי הוא משימה מאתגרת כמו הגודל של חיישן למדידת, למשל, ה-pH O2, צריך להיות ממוזערת גם כן. ייצור מוצלח של microreactors עבור מערכות ביולוגיות דורשים סוגים שונים של כלי אנליטי לניטור תהליך. לפיכך, התפתחות רחוקים חכמה ממלאת תפקיד משמעותי בביצוע תהליכים ביולוגיים ב- microreactors.
לאחרונה היו מספר נסיונות לפתח חיישנים חכמים pH באמצעות chemiresistive חישה חומרים כמו פחמן ו ניצוח פולימרים1. חיישנים chemiresistive אלה דורשות אלקטרודה אין התייחסות, קל להשתלב עם מעגלים אלקטרוניים. חיישנים chemiresistive מוצלח מאפשרים לייצר חיישנים חכמים הם חסכוני וקל ייצור, דורשים אמצעי אחסון קטן לבדיקה, לא פולשנית.
כאן, אנחנו מדווחים שיטה לפיתוח אלקטרודה עם תחמוצת גראפן polyaniline functionalized, electrochemically מופחת. האלקטרודה chemiresistive פועל חיישן ה-pH במהלך התסיסה lactis ל’ . ל’ lactis הוא חיידק חומצת חלב-לייצור חומצה המשמשים מזון ואחסון תהליכי שימור מזון. במהלך התסיסה, הייצור של חומצה לקטית מוריד את רמת ה-pH, החיידק מפסיק לגדול ב pH נמוך2,3,4.
מדיום התסיסה מהווה סביבה כימית מורכב המכיל פפטידים, מלחים, מולקולות חמצון-חיזור, אשר נוטים להפריע חיישן משטח5,6,7,8,9. מחקר זה מראה כי יש חיישן ה-pH על בסיס חומר chemiresistive עם שכבת הגנה ראויה משטח יכול לשמש למדידת pH בסוג זה של מדיה תסיסה מורכבים. במחקר זה, בהצלחה נשתמש Nafion כשכבת הגנה על תחמוצת גראפן מצופים polyaniline, electrochemically מופחת כדי למדוד את ה-pH של בזמן אמת במהלך התסיסה lactis ל’ .
Protocol
Representative Results
Discussion
זה חיוני כי הדרך שכבות לגמרי לכסות את החוטים אלקטרודה זהב אחרי העדות של קדימה. אם האלקטרודות זהב שאינם מכוסים ללכת, polyaniline תוכלו לא רק להפקיד ERGO אלא גם את החוטים אלקטרודה זהב גלוי ישירות. בתצהיר של polyaniline עם החוטים אלקטרודה זהב ועלולות להיות לה השלכות על הביצועים של האלקטרודה. לאחר ההפחתה של…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים להכיר את אוניברסיטת חרונינגן עבור תמיכה כספית.
Materials
| Graphite flakes | Sigma Aldrich | ||
| Sulfuric acid (H2SO4) | Merck | ||
| Sodium nitrite (NaNO2) | Sigma Aldrich | ||
| Potassium permanganate (KMnO4) | Sigma Aldrich | ||
| 30 % H2O2 | Sigma Aldrich | ||
| HCL | Merck | ||
| Aniline | Sigma Aldrich | ||
| 5wt % Nafion | Sigma Aldrich | ||
| M17 powder | BD Difco | ||
| Phosphoric acid (H3PO4) | Sigma Aldrich | ||
| Boric acid (HBO3) | Merck | ||
| Acetic acid | Merck | ||
| Sodium Hydroxide | Sigma Aldrich | ||
| Potassium dihydrogen phosphate | Sigma Aldrich | ||
| Dipostassium hydrogen phosphate | Sigma Aldrich | ||
| Au Interdigitated electrodes | BVT technology – CC1 W1 | ||
| Potentiostat | CH Instruments Inc (CH-600, CH-700) |
References
- Gou, P., et al. Carbon Nanotube Chemiresistor for Wireless pH Sensing. Scientific Reports. 4, 4468 (2014).
- Hols, P., et al. Conversion of Lactococcus lactis from homolactic to homoalanine fermentation through metabolic engineering. Nature Biotechnology. 17, 588-592 (1999).
- Luedeking, R., Piret, E. L. A kinetic study of the lactic acid fermentation. Batch process at controlled pH. Journal of Biochemical and Microbiological Technology and Engineering. 1, 393-412 (1959).
- Britton, H. T. S., Robinson, R. A. Universal buffer solutions and the dissociation constant of veronal. Journal of the Chemical Society. , 1456-1462 (1931).
- Ambrosi, A., Chua, C. K., Bonanni, A., Pumera, M. Electrochemistry of Graphene and Related Materials. Chemical Reviews. 114, 7150-7188 (2014).
- Xie, F., Cao, X., Qu, F., Asiri, A. M., Sun, X. Cobalt nitride nanowire array as an efficient electrochemical sensor. Sensors and Actuators B. 255, 1254-1261 (2018).
- Xie, F., Liu, T., Xie, L., Sun, X., Luo, Y. Metallic nickel nitride nanosheet: An efficient catalyst electrode for sensitive and selective non-enzymatic glucose sensing. Sensors and Actuators B. 255, 2794-2799 (2018).
- Xie, L., Asiri, A. M., Sun, X. Monolithically integrated copper phosphide nanowire: An efficient electrocatalyst for sensitive and selective nonenzymatic glucose detection. Sensors and Actuators B. 244, 11-16 (2017).
- Wang, Z., et al. Ternary NiCoP nanosheet array on a Ti mesh: A high-performance electrochemical sensor for glucose detection. Chemical Communications. 52, 14438-14441 (2016).
- Hummers, W. S., Offeman, R. E. Preparation of Graphitic oxide. Journal of the American Chemical Society. 80, 1339 (1958).
- Kumar, S., Chinnathambi, S., Munichandraiah, N., Scanlon, L. G. Gold nanoparticles anchored reduced graphene oxide as catalyst for oxygen electrode of rechargeable Li-O2 cells. RSC Advances. 3, 21706-21714 (2013).
- Guo, H. L., Wang, X. F., Qian, Q. Y., Wang, F. B., Xia, X. H. A green approach to the synthesis of graphene nanosheets. ACS Nano. 3, 2653-2659 (2009).
- Ramesha, G. K., Sampath, S. Electrochemical Reduction of Oriented Graphene Oxide Films: An in Situ Raman Spectroelectrochemical Study. The Journal of Physical Chemistry C. 113, 7985-7989 (2009).
- Amal Raj, A., Abraham John, S. Fabrication of Electrochemically Reduced Graphene Oxide Films on Glassy Carbon Electrode by Self-Assembly Method and Their Electrocatalytic Application. The Journal of Physical Chemistry C. 177, 4326-4335 (2013).
- Bhadani, S. N., Gupta, M. K., Sen Gupta, S. K. Cyclic voltammetry and conductivity investigations of polyaniline. Journal of Applied Polymer Science. 49, 397-403 (1993).
- Genies, E. M., Tsintavis, C. Redox mechanism and electrochemical behaviour or polyaniline deposits. Journal of Electroanalytical Chemistry. 195, 109-128 (1985).
- Jannakoudakis, P. D., Pagalos, N. Electrochemical characteristics of anodically prepared conducting polyaniline films on carbon fibre supports. Synthetic Metals. 68, 17-31 (1994).
- Deshmukh, M. A., Celiesiute, R., Ramanaviciene, A., Shirsat, M. D., Ramanavicius, A. EDTA_PANI/SWCNTs Nanocomposite Modified Electrode for Electrochemical Determination of Copper (II), Lead (II) and Mercury (II) Ions. Electrochimica Acta. 259, 930-938 (2018).
- Deshmukh, M. A., et al. EDTA-Modified PANI/SWNTs Nanocomposite for Differential Pulse Voltammetry Based Determination of Cu(II) Ions. Sensors and Actuators B Chemical. 260, 331-338 (2018).
- Deshmukh, M. A., Shirsat, M. D., Ramanaviciene, A., Ramanavicius, A. Composites Based on Conducting Polymers and Carbon Nanomaterials for Heavy Metal Ion Sensing (Review). Critical Reviews in Analytical Chemistry. 48, 293-304 (2018).
- Deshmukh, M. A., et al. A Hybrid Electrochemical/Electrochromic Cu(II) Ion Sensor Prototype Based on PANI/ITO-Electrode. Sensors and Actuators B Chemical. 248, 527-535 (2017).
- Chinnathambi, S., Euverink, G. J. W. Polyaniline functionalized electrochemically reduced graphene oxide chemiresistive sensor to monitor the pH in real time during microbial fermentations. Sensors and Actuators B Chemical. 264, 38-44 (2018).
- Sha, R., Komori, K., Badhulika, S. Amperometric pH Sensor Based on Graphene-Polyaniline Composite. IEEE Sensors Journal. 17 (16), 5038-5043 (2017).
- Huai-Ping, C., Xiao-Chen, R., Ping, W., Shu-Hong, Y. Flexible graphene-polyaniline composite paper for high-performance supercapacitor. Energy & Environmental Science. 6, 1185-1191 (2013).
- Xiang, J., Drzal, L. T. Templated growth of polyaniline on exfoliated graphene nanoplatelets (GNP) and its thermoelectric properties. Polymer. 53, 4202-4210 (2012).
- Xiangnan, C., et al. One-step synthesis of graphene/polyaniline hybrids by in situ intercalation polymerization and their electromagnetic properties. Nanoscale. 6, 8140-8148 (2014).
- Azzarelli, J. M., Mirica, K. A., Ravnsbæk, J. B., Swager, T. M. Wireless gas detection with a smartphone via rf communication. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (51), 18162-18166 (2014).
