Produksjon av en Nafion-belagt, redusert Grafén oksid/Polyaniline Chemiresistive Sensor til skjermen pH i sanntid under mikrobiell gjæring
Summary
Her rapporterer vi protokollen for fabrikasjon av en Nafion-belagt, polyaniline-functionalized, electrochemically redusert Grafén og chemiresistive mikro pH sensor. Chemiresistor-basert, SSD mikro pH sensor kan oppdage pH endringer i sanntid under en Lactococcus lactis gjæringsprosess.
Abstract
Her rapporterer vi prosjektering av en SSD mikro pH sensor basert på polyaniline-functionalized, electrochemically redusert Grafén oksid (ERGO-PA). Electrochemically redusert Grafén og fungerer som gjennomfører laget og polyaniline fungerer som en pH-sensitive lag. PH-avhengig ledningsevne polyaniline oppstår ved doping hull under protonation og dedoping hull under deprotonering. Vi fant at en ERGO-PA SSD elektrode ikke var funksjonelt som sådan i gjæring prosesser. Electrochemically aktive artene som bakterien produserer under gjæringsprosessen forstyrre elektrode svaret. Vi brukt har Nafion som et proton ledende lag over ERGO-PA. Nafion-belagt elektrodene (ERGO-PA-NA) viser en god følsomhet av 1.71 Ω/pH (pH 4-9) for chemiresistive sensor målinger. Vi testet ERGO-PA-NA elektroden i sanntid i gjæring av Lactococcus lactis. Veksten av L. lactis, endret pH i mediet fra pH 7.2 til pH 4.8 og motstanden av ERGO-PA-NA SSD elektroden endret fra 294.5 Ω til 288.6 Ω (5.9 Ω per 2,4 pH-enhet). PH svar ERGO-PA-NA elektroden sammenlignet med responsen av en konvensjonell glass-basert pH elektrode viser at referanse-mindre SSD microsensor matriser operere med hell på en mikrobiologisk gjæring.
Introduction
pH spiller en viktig rolle i mange kjemiske og biologiske prosesser. Selv små endringer i pH-verdi endrer prosessen og påvirke utfallet av prosessen. Derfor er det nødvendig å overvåke og kontrollere pH-verdi under hvert stadium av eksperimenter. Glass-basert pH elektroden har blitt brukt til å overvåke pH i mange kjemiske og biologiske prosesser, selv om bruken av et glass elektrode utgjør flere begrensninger å måle pH. Glass-basert pH elektroden er relativt store og skjøre små lekkasjer av elektrolytt inn prøven er mulig. Videre elektroden og elektronikk er relativt dyrt for programmer i 96-brønnen screening gjæring systemer. Videre elektrokjemiske sensorene er invasiv og forbruke prøven. Derfor er det hensiktsmessig å bruke ikke-invasiv, referanse-mindre sensorer.
I dag, er miniatyriserte reaksjon systemer favorisert i mange kjemiteknikk og bioteknologi programmer som disse microsystems gir forbedrede kontroll, sammen med mange andre fordeler over deres makro systemet analogs. For å overvåke og kontrollere parametere i en miniatyriserte system er en utfordrende oppgave som størrelsen på sensoren til å måle, for eksempel, pH og O2, må reduseres også. Vellykket produksjon av microreactors for biologiske systemer krever forskjellige typer analyseverktøy for prosess. Derfor spiller utviklingen av smart microsensors en viktig rolle i å utføre biologiske prosesser i microreactors.
Nylig har det vært flere forsøk på å utvikle smart pH sensorer bruker chemiresistive sensing materialer som Karbonnanorør og gjennomføre polymerer1. Disse chemiresistive sensorer krever ingen referanse elektrode og er enkelt å integrere med elektroniske kretser. Vellykket chemiresistive sensorer gjør det mulig å produsere smarte sensorer som er kostnadseffektiv og lett å produsere, krever et lite volum for testing, og er ikke-invasiv.
Her rapporterer vi en metode for å utvikle en elektrode med polyaniline-functionalized, electrochemically redusert Grafén oksid. Chemiresistive elektroden fungerer som en pH-sensor i en L. lactis gjæring. L. lactis er en lactic syre-produksjon bakterie brukes i Fermentering av mat og konserveringsmiddel prosesser. Under gjæring, produksjon av melkesyre senker pH og bakterien stopper voksing på en lav pH2,3,4.
En gjæring medium er en kompleks kjemisk miljø som inneholder peptider, salter og redoks molekyler som pleier å forstyrre sensor overflaten5,6,7,8,9. Denne studien viser at en pH sensor basert på chemiresistive materiale med et riktig overflaten beskyttelse kan brukes til å måle pH i denne typen komplekse gjæring media. I denne studien vi bruke Nafion som beskyttelse laget for polyaniline-belagt, electrochemically redusert Grafén og måle pH i sanntid i en L. lactis gjæring.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det er viktig at farten lag helt dekker gull elektrode ledningene etter at Cospatric av gå. Hvis gull elektrodene ikke er dekket med gå, vil polyaniline ikke bare innskudd på ERGO, men også på synlig gull elektrode ledninger direkte. Deponering av polyaniline på gull elektrode ledninger kan ha konsekvenser på resultatene av elektroden. Etter reduksjon av gå til ERGO tørket elektroden ved 100 ° C å styrke bånd mellom ERGO laget og gull elektrode ledningene. Motstanden av hver elektrode varierer basert på anta…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne bekrefter Universitetet i Groningen for økonomisk støtte.
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).
