Herstellung von Nafion-beschichtet, reduziert Graphene Oxid/Polyaniline Chemiresistive Sensor Monitor pH in Echtzeit während der mikrobiellen Fermentation
Summary
Hier berichten wir über das Protokoll für die Herstellung von einer Nafion-beschichtet, Polyaniline funktionalisiert, elektrochemisch reduzierte Graphene Oxid Chemiresistive Mikro pH-Sensor. Diese Chemiresistor-basierte, Solid-State-Mikro-pH-Sensor erkennt pH-Wert-Änderungen in Echtzeit während Lactococcus Lactis Fermentationsprozess.
Abstract
Hier berichten wir über das Engineering von einem Solid-State-Mikro pH-Sensor basiert auf Polyaniline funktionalisiert, elektrochemisch reduzierte Graphene Oxid (ERGO-PA). Elektrochemisch reduzierte Graphene Oxid fungiert als leitende Schicht und Polyaniline als pH-Sensitive Schicht. Die pH-abhängige Leitfähigkeit des Polyaniline erfolgt durch doping Löcher während Protonierung und durch die dedoping Löcher während Deprotonierung. Wir fanden, dass eine Solid-State-ERGO-PA-Elektrode nicht als solche in Fermentationsprozessen funktionsfähig war. Elektrochemisch aktiven Spezies, die die Bakterien während der Gärung produzieren stören die Elektrode Antwort. Wir erfolgreich Nafion als protonenleitende Schicht über ERGO-PA. Die Nafion-beschichteten Elektroden (ERGO-PA-NA) zeigen eine gute Empfindlichkeit von 1,71 Ω/pH (pH 4 bis 9) für Chemiresistive Sensormessungen. Wir testeten die ERGO-PA-NA-Elektrode in Echtzeit in der Vergärung von Lactococcus Lactis. Während des Wachstums der L. Lactis, verändert der pH-Wert des Mediums von pH 7,2 pH 4,8 und den Widerstand der ERGO-PA-NA-Solid-State-Elektrode von 294.5 Ω in 288.6 Ω (5,9 Ω pro 2.4 pH-Einheit) geändert. Die pH-Reaktion der ERGO-PA-NA-Elektrode im Vergleich mit der Antwort von einem herkömmlichen Glas-basierten pH-Elektrode zeigt, dass Referenz-weniger Solid-State-Mikrosensor Arrays in eine mikrobiologische Fermentation erfolgreich operieren.
Introduction
pH spielt eine wichtige Rolle in vielen chemischen und biologischen Prozessen. Selbst kleine Veränderungen in den pH-Wert ändern, den Prozess und das Ergebnis des Prozesses beeinträchtigen. Daher ist es notwendig, die Überwachung und Steuerung des pH-Wertes in jeder Phase der Experimente. Die Glas-basierten pH-Elektrode wird erfolgreich eingesetzt, pH in vielen chemischen und biologischen Prozessen zu überwachen obwohl der Einsatz von einer Glaselektrode mehrere Einschränkungen zur pH-Messung darstellt. Die Glas-basierten pH-Elektrode ist relativ groß, zerbrechlich, und kleine Leckagen des Elektrolyten in der Probe sind möglich. Darüber hinaus die Elektrode und die Elektronik sind relativ teuer, für Anwendungen in 96-Well-Screening Fermentationssysteme. Darüber hinaus die elektrochemischen Sensoren sind invasive und verbrauchen die Probe. Daher ist es vorteilhafter, nicht-invasive, Referenz-weniger Sensoren zu verwenden.
Heutzutage sind miniaturisierte Reaktionssysteme in viele chemische Technik und Biotechnologieanwendungen begünstigt, da diese Mikrosysteme verbesserte Prozesskontrolle, sowie viele weitere Vorteile gegenüber ihren Makro System Analoga bieten. Zur Überwachung und Kontrolle der Parameter in einem miniaturisierten System ist eine anspruchsvolle Aufgabe als die Größe des Sensors zu messen, zum Beispiel, pH-Wert und O2, sowie minimiert werden müssen. Die erfolgreiche Herstellung von Mikroreaktoren für biologische Systeme erfordern verschiedene Arten von Analyse-Tools zur Prozessüberwachung. Die Entwicklung von intelligenten Mikrosensoren spielt daher eine wichtige Rolle bei der Durchführung biologischer Prozesse in Mikroreaktoren.
Vor kurzem gab es mehrere Versuche, intelligente pH-Sensoren mit Chemiresistive Materialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren sensing und Durchführung von Polymeren1zu entwickeln. Diese Chemiresistive-Sensoren benötigen keine Bezugselektrode und sind einfach zu integrieren mit elektronischen Schaltungen. Erfolgreiche Chemiresistive Sensoren machen es möglich, intelligente Sensoren zu produzieren, die sind kostengünstig und einfach zu produzieren, benötigen eine kleine Menge zum Testen und sind nicht-invasiv.
Hier berichten wir über eine Methode, um eine Elektrode mit Polyaniline funktionalisiert, elektrochemisch reduzierte Graphene Oxid zu entwickeln. Die Chemiresistive Elektrode arbeitet als ein pH-Sensor während der Gärung ein L. Lactis . L. Lactis ist ein Milchsäure-Säure-produzierenden Bakterium in Essen Gärung und konservierende Verfahren verwendet. Während der Gärung die Produktion von Milchsäure senkt den pH-Wert, und das Bakterium aufhört zu wachsen in einem niedrigen pH-Wert2,3,4.
Ein Fermentationsmedium ist eine komplexe chemische Umgebung, die enthält Peptide, Salze und Redox-Moleküle, die dazu neigen, mit dem Sensor Oberfläche5,6,7,8,9stören. Diese Studie zeigt, dass ein pH-Sensor basiert auf Chemiresistive Material mit einer richtigen Oberflächenschutz Schicht verwendet werden, um pH in dieser Art von komplexen Gärung Medien zu messen. In dieser Studie verwenden wir erfolgreich Nafion als Schutzschicht für Polyaniline beschichtet, elektrochemisch reduzierte Graphene Oxid, Messen Sie den pH-Wert in Echtzeit während einer L. Lactis Gärung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Es ist wichtig, dass die GO “” vollständig Layers bedecken die gold Elektrodenleitungen nach der Absetzung von GO. Wenn der gold-Elektroden mit GO nicht abgedeckt sind, wird Polyaniline nicht nur auf ERGO, sondern auch auf die sichtbare gold Elektrodenleitungen direkt einzahlen. Ablagerung von Polyaniline auf gold Elektrodenleitungen möglicherweise Auswirkungen auf die Leistung der Elektrode. Nach der Reduktion des GO, ERGO wird die Elektrode bei 100 ° C zur Stärkung der Bindung zwischen der ERGO-Schicht und die gold…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren erkennen der Universität Groningen für finanzielle Unterstützung.
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) |
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