Fabricação de um Nafion-revestido, reduzido grafeno óxido/polianilina Chemiresistive Sensor de pH de Monitor em tempo real durante a fermentação microbiana
Summary
Aqui, nós relatamos o protocolo para a preparação de um sensor de pH micro grafeno Nafion-revestido, acrescida de polianilina, eletroquimicamente reduzida de óxido de chemiresistive. Este sensor de estado sólido, baseado em chemiresistor, pH micro pode detectar mudanças de pH em tempo real durante o processo de fermentação Lactococcus lactis .
Abstract
Aqui, nós relatamos a engenharia de um sensor de estado sólido micro pH baseado no óxido de grafeno eletroquimicamente reduzida, acrescida de polianilina (ERGO-PA). Óxido de grafeno eletroquimicamente reduzida atua como a camada de condução e polianilina age como uma camada de sensíveis ao pH. A condutividade pH-dependente de polianilina ocorre por doping de buracos durante a protonação e o dedoping de buracos durante deprotonação. Nós achamos que um eletrodo de estado sólido de ERGO-PA não era funcional como tal em processos de fermentação. A espécie eletroquimicamente ativa que as bactérias produzem durante o processo de fermentação interfere com a resposta do eletrodo. Aplicamos com sucesso Nafion como uma camada de próton-conduzindo sobre ERGO-PA. Os eletrodos revestidos Nafion (ERGO-PA-NA) mostram uma boa sensibilidade de 1,71 Ω/pH (pH 4-9) para medições de sensor chemiresistive. Nós testamos o eléctrodo de ERGO-PA-em tempo real na fermentação de Lactococcus lactis. Durante o crescimento de L. lactis, o pH do meio alterado de pH 7,2 pH 4,8 e a resistência do eletrodo ERGO-PA-NA Solid-State mudado de Ω 294.5 para 288.6 Ω (5.9 Ω por unidade de pH 2,4). A resposta de pH do eléctrodo ERGO-PA-em comparação com a resposta de um eletrodo de pH com base em vidro convencional mostra que as matrizes de referência-menos estado sólido microsensor operam com sucesso em uma fermentação microbiológica.
Introduction
pH desempenha um papel vital em muitos processos químicos e biológicos. Mesmo as pequenas alterações no valor do pH alteram o processo e afectar negativamente o resultado do processo. Portanto, é necessário monitorar e controlar o valor de pH durante todas as fases dos experimentos. O eletrodo de pH com base em vidro tem sido utilizado com sucesso para monitorar o pH em muitos processos químicos e biológicos, embora a utilização de um eléctrodo de vidro representa várias limitações para medir o pH. O eletrodo de pH com base em vidro é relativamente grande, frágil, e as pequenas fugas do eletrólito para a amostra são possíveis. Além disso, o eletrodo e eletrônica é relativamente caras para aplicações em triagem de 96 poços sistemas de fermentação. Além disso, os sensores eletroquímicos são invasivos e consomem a amostra. Portanto, é mais vantajoso usar sensores não-invasivo, sem referência.
Hoje em dia, sistemas miniaturizados de reação são favorecidos em muitas aplicações de biotecnologia e engenharia química, como estes microsystems fornecem controle de processo avançado, juntamente com muitas outras vantagens sobre seu macro análogos de sistema. Para monitorar e controlar os parâmetros em um sistema miniaturizado é uma tarefa desafiadora, como os tamanhos do sensor para medir, por exemplo, pH e O2, precisa ser minimizada também. O sucesso da produção de microreactors para sistemas biológicos requerem diferentes tipos de ferramentas analíticas para monitoramento de processo. Portanto, o desenvolvimento de Microssensores inteligente desempenha um papel significativo na realização de processos biológicos em microreactors.
Recentemente, tem havido várias tentativas de desenvolver sensores de pH inteligente usando chemiresistive sensoriamento materiais como nanotubos de carbono e realização de polímeros1. Estes sensores de chemiresistive não exigem nenhum eletrodo de referência e são fáceis de integrar com circuitos eletrônicos. Sensores chemiresistive sucesso tornam possível para produzir sensores inteligentes que são de baixo custo e fácil de fabricar, requerem um volume pequeno para testes e são invasivos.
Aqui, nós relatamos um método para desenvolver um eletrodo com óxido de grafeno eletroquimicamente reduzida, acrescida de polianilina. O eletrodo de chemiresistive funciona como um sensor de pH durante uma fermentação de L. lactis . L. lactis é uma bactéria produtoras de ácido láctico utilizada na fermentação de alimentos e processos de conservante de alimentos. Durante a fermentação, a produção de ácido lático diminui o pH, e a bactéria para de crescer em um baixo pH2,3,4.
Um meio de fermentação é um complexo ambiente químico que contém peptídeos, sais e moléculas redox que tendem a interferir com o sensor de superfície5,6,7,8,9. Este estudo mostra que um sensor de pH com base em material chemiresistive com uma camada de proteção de superfície adequada poderia ser usado para medir o pH neste tipo de mídia de fermentação complexo. Neste estudo, com sucesso usamos Nafion como a camada de proteção para óxido de grafeno polianilina-revestido, eletroquimicamente reduzida para medir o pH em tempo real durante uma fermentação de L. lactis .
Protocol
Representative Results
Discussion
É essencial que o GO camadas completamente cobrir os fios de ouro eletrodo após a deposição de GO. Se os eletrodos de ouro não são cobertos com GO, polianilina não só depositará na ERGO, mas também sobre os fios do eletrodo de ouro visível diretamente. Deposição de polianilina sobre os fios de ouro eletrodo pode ter implicações sobre o desempenho do eletrodo. Após a redução de ir para o ERGO, o eletrodo é seca a 100 ° C, para reforçar a ligação entre a camada ERGO e os fios de ouro do eletrodo. A r…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores reconhecem a Universidade de Groningen, apoio financeiro.
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).
