Изготовление Nafion покрытием, снижение графена оксид/полианилин Chemiresistive датчик pH монитора в реальном времени во время микробной ферментации
Summary
Здесь мы приводим протокол для изготовления Nafion покрытием, полианилин функционализированных, электрохимически снижение графена оксид chemiresistive микро рН датчика. Этот датчик на основе chemiresistor, твердотельный микро рН может обнаружить изменения рН в реальном времени во время процесса ферментации Lactococcus lactis .
Abstract
Здесь мы приводим инженерных твердотельный микро рН датчик на основе графена полианилин функционализированных, электрохимически снижается оксида (ERGO-PA). Электрохимически снижение графена оксид действует как проведение слоя и полианилин действует как уровень pH фактора. PH-зависит от проводимости полианилин происходит путем давать допинг отверстий во время протонирование и dedoping отверстия во время deprotonation. Мы обнаружили, что ERGO-PA твердого электрода не функциональные как таковой в процессах ферментации. Электрохимически активных видов, которые бактерии производить во время процесса ферментации вмешиваться с ответом электрода. Мы успешно применяется Nafion как Протон проведение слой над ERGO-PA. Электроды с покрытием Nafion (ERGO-PA-NA) показывают хорошую чувствительность 1.71 Ω/pH (pH 4-9) для chemiresistive датчика измерения. Мы протестировали ERGO-PA-NA электрод в режиме реального времени в процессе брожения Lactococcus lactis. Во время роста л lactis, рН среды изменено с рН 7,2 рН 4.8 и сопротивление ERGO-PA-NA твердого электрода изменен с 294.5 Ω на 288.6 Ω (5.9 Ω на 2.4 единицу рН). Реакции рН электрода ERGO-PA-NA, по сравнению с ответом обычных на стеклянной основе рН электрода показывает, что ссылки менее твердотельных микропроцессоров массивы успешно функционировать в микробиологические ферментации.
Introduction
рН играет жизненно важную роль во многих химических и биологических процессах. Даже небольшие изменения в значение пэ-аша изменить этот процесс и отрицательно повлиять на исход этого процесса. Следовательно необходимо отслеживать и контролировать значения pH во время каждой стадии экспериментов. На стеклянной основе рН электрод успешно используется для мониторинга рН во многих химических и биологических процессах, хотя использование Стеклянный электрод создает несколько ограничений для измерения рН. На стеклянной основе рН электрод является относительно большой, хрупкая, и возможны небольшие утечки электролита в выборку. Кроме того, электрод и электроники являются относительно дорогими для приложений в 96-луночных Скрининг систем ферментации. Кроме того электрохимические датчики являются инвазивными и потребляют образца. Следовательно это более выгодно использовать неинвазивный, ссылка менее датчики.
В настоящее время миниатюрных реакции систем являются предпочтительными во многих химической инженерии и биотехнологии, как эти microsystems обеспечивают укрепление процесса управления, вместе с много других преимуществ над их макрос аналогов системы. Для мониторинга и контроля параметров в миниатюрных система является сложной задачей, как размеры датчика для измерения, например, pH и O2, необходимо также быть сведены к минимуму. Успешное производство микрореакторы для биологических систем требуют различных видов аналитических инструментов для мониторинга процесса. Таким образом развитие интеллектуальных микросенсоров играет значительную роль в проведении биологических процессов в микрореакторы.
Недавно было несколько попыток разработать умный рН датчиков с помощью chemiresistive зондирования материалы как углеродные нанотрубки и проведение полимеров1. Эти датчики chemiresistive требуют не электрод сравнения и легко интегрируется с электронных схем. Успешное chemiresistive датчики позволяют производить смарт-датчики, которые являются экономически эффективным и легко производить, требуют небольшой объем для тестирования и неинвазивные.
Здесь мы приводим метод для разработки электрода с полианилин функционализированных, электрохимически снижается графена оксид. Электрод chemiresistive действует как датчик pH во время брожения lactis л . L. lactis является бактерия производства молочной кислоты используются в консервант процессах пищевой и продовольственной ферментации. В процессе брожения производства молочной кислоты снижает рН и бактерии перестает расти на низкий рН2,3,4.
Средство ферментации является сложной химической среду, которая содержит пептиды, солей и redox молекулы, которые склонны вмешиваться с датчика поверхности5,6,,78,9. Это исследование показывает, что рН датчик на основе chemiresistive материала с надлежащей защиты поверхности слой может использоваться для измерения pH в такого рода сложных ферментации СМИ. В этом исследовании, мы успешно используем Nafion как защитный слой оксида полианилин покрытием, электрохимически снижается графена для измерения pH в реальном времени во время брожения lactis л .
Protocol
Representative Results
Discussion
Важно, что идти полностью слои покрытия золото электродами провода после осаждения GO. Если Золотые электроды покрыты не идти, полианилин будет не только депозит на ERGO, но также на видимых золотых электродов провода непосредственно. Осаждения полианилин на золото электродами провода мо…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают Университет Гронингена для финансовой поддержки.
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).
