Iridium-Oxid-reduziertem Graphenoxid Nanohybrid- Thin Film Modified Siebdruck Elektroden als Einweg-Elektro Papier Mikrofluidik pH-Sensoren
Summary
Die Studie zeigt , das Wachstum von Iridiumoxid-reduziertem Graphenoxid (IrO 2 -RGO) Nano – Hybrid – Dünnschichten auf unregelmäßige und grobe siebgedruckten Kohlenstoffsubstrat durch eine grüne elektrochemischen Synthese und deren Umsetzung als pH – Sensor mit einer gemusterten Papier-Fluidik – Plattform .
Abstract
Eine einfache, kontrollierbare, kostengünstige und grün elektrochemischen Synthese von IrO 2 -graphene Nano – Hybrid – Dünnfilme entwickelt eine einfach zu bedienende integrierte Papier mikrofluidischen elektrochemischen pH – Sensor für begrenzten Ressource-Einstellungen herzustellen. Unter Vorteile von beiden pH – Meter und Streifen, der pH – Messplattform von hydrophoben Barriere-gemustertes Papier microPad (μPAD) unter Verwendung von Polydimethylsiloxan (PDMS), Siebdruck-Elektrode (SPE) , modifiziert mit IrO 2 -graphene Folien und Form Acrylnitril – Butadien – Styrol besteht (ABS) Kunststoff-Halter. Repetitive kathodischen Potentialzyklus wurde für Graphenoxids (GO) Reduktion eingesetzt, die vollständig elektrochemisch instabil mit Sauerstoff angereicherten Gruppen entfernen und einen 2D-fehlerfreien homogenen Graphen-Dünnfilm mit ausgezeichneter Stabilität und elektronischen Eigenschaften erzeugen. Eine gleichmäßige und glatte IrO 2 Film in nanoskaligen Korngröße anodisch auf den Graphen – Film elektrolytisch, ohnebeobachtbaren Risse. Die sich ergebende IrO 2 -RGO Elektrode zeigte etwas super-Nernstschen Antworten von pH 2-12 in Britton-Robinson (BR) Puffer mit guter Linearität, geringe Hysterese, niedrige Reaktionszeit und Reproduzierbarkeit in verschiedenen Puffern sowie niedrige Empfindlichkeiten auf unterschiedliche interfering ionische Spezies und gelöstem Sauerstoff. Eine einfache tragbare digitale pH-Meter hergestellt wird, dessen Signal mit einem Multimeter gemessen wird, eine hohe Eingangsimpedanz-Operationsverstärker und Verbraucherbatterien verwenden. Die pH-Werte gemessen mit dem tragbaren elektrochemischen Papier-Mikrofluidik-pH-Sensoren waren konsistent mit jenen, gemessen mit einem kommerziellen Labor pH-Meter mit einer Glaselektrode.
Introduction
Die Bestimmung des pH-Wertes ist allgegenwärtig in der Nahrung, physiologische, medizinische und Umweltstudien. Zwei häufigsten Werkzeuge zur pH-Erkennung sind pH-Streifen und pH-Meter. Papierstreifen werden mit Farbe wechselnden pH-Indikator-Moleküle imprägniert, aber das Lesen manchmal in pH-Bereiche beschränkt ist, subjektiv und semi-quantitative mit einigen Abweichungen. Auf der anderen Seite, einem pH-Meter auf herkömmliche Weise mit einer Glaselektrode ausgestattet ist, kann pH genau auf die 0,01-Ebene zu messen, und die Anzeige durch einen Digital-Benutzeroberfläche. Lab-basierten pH-Meter muss nicht nur besondere Sorgfalt bei der Wartung und Kalibrierung, aber auch nicht gut auf kleine Probenvolumina und erfordern oft einen sauberen Behälter, wie ein Becherglas Messungen durchzuführen. Trotz ihrer Empfindlichkeit, Selektivität und Stabilität, leiden Glaselektroden aus Säure / Basen – Fehler, eine hohe Impedanz, Temperatur Instabilität und mechanischen Brüchigkeit 1. Daher ist es vorteilhaft, einen pH-Messsystem zu haben, das embodies die Genauigkeit der pH-Meter und die Einfachheit und Kostenaspekte der pH-Streifen.
Es gibt immer einen ungedeckten Bedarf an solchen Werkzeugen unter begrenzten Ressourcen Bedingungen in vielen Entwicklungsregionen, wo teure Labor-basierte Geräte oder kommerzielle Labors unerschwinglich sind. Auch die zunehmende Bedeutung der neuen, leicht zu bedienende Vor-Ort-Messplattformen wird durch eine solche Nachfrage nach Point-of-Care-Erkennung geschoben. Die elektrochemische Detektion ist einfach, leicht zu miniaturisieren und zufriedenstellend empfindlich, wie sie durch die kommerzialisiert Low-Cost-SPEs und verschiedene Zuckermesssysteme auf dem Markt unter Beweis gestellt. Als leicht, flexibel und wegwerfbar porösem Material, Papier können auch verschiedene steuerbare Eigenschaften, wie beispielsweise unterschiedliche Porengrößen, funktionellen Gruppen und wicking Raten aufweisen.
Als Papiersubstrat wirkt sich kaum Analytdiffusion und elektrochemische Detektion 2-4, Kombination von Papier-Fluidikvorrichtungen und elektro Techniken hat recently erhalten umfangreiche Interessen. Ein offensichtlicher Vorteil solcher Kombinationen ist die kleine Menge des Probenvolumens in der Messung verwendet, die möglicherweise Störungen durch Schwingungen und Konvektion während der Messungen zu verhindern. Zum Beispiel, gemusterte mikrofluidischen Pads angewendet wurden und flüssigen Proben zum Nachweis von Schwermetallionen Erfassungsbereich von SPEs liefern Docht und 2,5 Glukose. Ähnliche Geräte Papier mikrofluidischen Elektrochemilumineszenz unter Verwendung etabliert NADH Erkennung 4 zu erreichen. In jüngerer Zeit können einfache elektrochemische Papier mikrofluidischen Vorrichtungen auf einem Glasträger mit Bleistift Elektroden 6 oder mit Enzympapier und SPEs 3 eingebaut werden.
Ein Nano – Hybrid Dünnschichtmaterial besteht aus IrO 2 und RGO wurde vorbereitet durch eine einfache und effiziente elektrochemischen Ansatz. Wir fanden heraus , dass auf die unregelmäßige und grobe SPE graphitischen Kohlenstoffoberfläche, anodisch elektrolytisch IrO 2 dünne Film nichtohne Hilfe von RGO glatt und stabil sein. Die resultierende IrO 2 -RGO SPE wurde in eine Papier Mikrofluidik – Vorrichtung integriert , die hydrophobe Barrieren für die pH – Mess gemustert hat. Die zusammengebaute Vorrichtung zeigte eine hervorragende analytische Leistungen in pH-Mess mit einem leicht Super-Nernst-Verhalten. Die Ergebnisse sind vergleichbar mit einem herkömmlichen Labor-basierten pH-Meter mit Glaselektroden. Schließlich kosteneffektive miniaturisierten pH-Meter wurden auf einem Steckbrett gebaut mit einem Digitalmultimeter Ruhepotential Ausgangssignal zu messen. Die Messungen des tragbaren pH-Meter korreliert gut mit denen eines kommerziellen Labor-pH-Meter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Geräte-Setup
Der pH – Sensor arbeitet , indem die OCP zwischen den Arbeits- und Referenzelektroden gemessen wird , da sie proportional zu dem negativen Logarithmus der H + -Konzentration ändert. Die Messungen können sowohl Potentiostaten von einem Labor-basierten erreicht werden wie CHI 660D und einfachen pH-Meter auf Versuchsaufbau konstruiert mit durch das Multimeter zu lesen. Zwei verschiedene tragbare pH – Meter wurden mit zwei 9 V Alkaline – Batterien in ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch einen Zuschuss aus dem Wasser Ausrüstungen und Politik (WEP) NSF Industrie / Universität Cooperative Research Center (I / UCRC) unterstützt. Die Autoren sind auch dankbar, dass die Hjalmar D. und Janet W. Bruhn Fellowship und Louis und Elsa Thomsen Wisconsin Distinguished Graduate Fellowship JY an der UW-Madison bereitgestellt
Materials
| Screen-printed electrodes | Zensor | TE100 | 3-electrode integrated |
| acrylonitrile butadiene styrene (ABS) | |||
| Polydimethylsiloxane (PDMS) prepolymer and cross linker mixture | Dow-Corning Co. | Sylgard 184 | 10:1 mixture w/w |
| Whatman No. 1 filter paper | GE Healthcare co. | ||
| 3D milling system | Roland DGA Co. | iModela IM-01 | |
| PDMS stamp and vacuum cover | Roland DGA co. | Sanmodur | Synthetic resin tablet |
| hand-operated vacuum pump | Cole-Parmer co. | ||
| Electrochemical workstation | CH Instruments | CHI 660D | |
| LF356N operational amplifiers | Texas Instruments Inc. | ||
| INA111 high speed field-effect transistor (FET)-input instrumentation amplifier | Burr-Brown Inc. | ||
| DMM914 digital multimeter | Tektronix Inc. | 70979101 | |
| From Fisher or Sigma: | |||
| iridium tetrachloride (IrCl4) | |||
| 50% (w/w) hydrogen peroxide (H2O2) | |||
| oxalic acid dihydrate | |||
| potassium carbonate (K2CO3) | |||
| phosphoric acid | |||
| acetic acid | |||
| boric acid | |||
| sodium hydroxide (NaOH) | |||
| Na2HPO4 | |||
| NaH2PO4 |
References
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