Iridiumoksid-redusert Graphene Oxide Nanohybrid Thin Film Modifiserte Screen-trykte elektroder som disponibel Elektrokjemisk papir microfluidic pH-sensorer
Summary
Studien viser vekst av iridium oksid-redusert graphene oksid (IRO 2 -RGO) nanohybrid tynne filmer på uregelmessig og grov skjerm-trykt karbon underlaget gjennom en grønn elektrokjemisk syntese, og deres implementering som en pH-sensor med en mønstret papir-fluidic plattform .
Abstract
En facile, kontrollerbar, billig og grønn elektrokjemisk syntese av Iro 2 -graphene nanohybrid tynne filmer er utviklet for å dikte en lett-å-bruke integrert papir microfluidic elektro pH sensor for ressursbegrenset innstillinger. Tar fordeler fra begge pH meter og strimler, pH sensing plattformen består av hydrofobe barriere-mønstrede papir micropad (μPAD) med polydimethylsiloxane (PDMS), silketrykk elektrode (SPE) modifisert med Iro 2 -graphene filmer og støpte akrylnitril-butadien-styren (ABS) plastholderen. Gjentatte katodisk potensial sykling ble ansatt for graphene oksid (GO) reduksjon som helt kan fjerne elektro ustabile oksygengrupper og generere en 2D feilfritt homogen graphene tynn film med utmerket stabilitet og elektroniske egenskaper. En ensartet og jevn Iro 2 film i nanoskala kornstørrelse er anodisk elektrolytisk på graphene film, uten noenobserverbare sprekker. Det resulterende IRO 2 -RGO elektrode viste noe super Nernstian svar fra pH 2-12 i Britton-Robinson (BR) buffere med god linearitet, liten hysterese, lav responstid og reproduserbarhet i forskjellige buffere, så vel som lav sensitivitet til forskjellige interfererende ioner og oppløst oksygen. En enkel bærbar digital pH-meter er fremstilt, hvis signal er målt med et multimeter, ved hjelp av høy inngangsimpedans-impedans operasjonsforsterker og forbruker batterier. PH-verdiene målt med de bærbare elektrokjemiske papirmikrofluid pH-sensorer var i samsvar med de som ble målt ved bruk av et kommersielt laboratorium pH-meter med en glasselektrode.
Introduction
Fastsettelsen av pH er allestedsnærværende i mat, fysiologiske, medisinske og miljøfag. To mest vanlige verktøy for pH deteksjon er pH-strips og pH-meter. Strimler er impregnert med farge skiftende pH indikator molekyler, men lesingen er noen ganger begrenset i pH-områder, subjektive og semi-kvantitative med noen avvik. På den annen side kan et pH-meter på konvensjonell måte utstyrt med en glasselektrode pH måle nøyaktig til 0,01 nivå, og skjermen ved en digital-brukergrensesnitt. Lab-baserte pH meter trenger ikke bare spesiell omsorg i vedlikehold og kalibrering, men også fungerer ikke bra mot små prøvevolumer og krever ofte en ren beholder som et beger til å utføre målinger. På tross av sin sensitivitet, selektivitet og stabilitet, glasselektroder lider av syre / alkaliske feil, høy impedans, temperatursvingninger og mekanisk skjørhet en. Derfor er det fordelaktig å ha et pH-målesystem som utførelsesies nøyaktigheten av pH-meter og enkelhet og kostnads aspekter ved pH-strimler.
Det er alltid et udekket behov for slike verktøy under begrensede ressurser forhold i mange utviklingsland hvor dyrt lab-basert utstyr eller kommersielle laboratorier er uoverkommelig. Dessuten er den økende rollen nye lett-å-bruk på stedet sensorplattformer presset av en slik etterspørsel etter point-of-care gjenkjenning. Elektrokjemisk påvisning er enkel, lett å miniatyrisere og tilfredsstillende sensitive, som demonstrert av kommersialiserte lavkost SPE og forskjellige glukoseovervåkingssystemene på markedet. Som et lett, fleksibelt og disponibel porøst materiale, kan papiret også ha forskjellige styrbare egenskaper, slik som forskjellige porestørrelser, funksjonelle grupper, og veke priser.
Som papir underlaget knapt påvirker analytten diffusjon og elektrokjemisk deteksjon 2-4, kombinasjon av papir-fluidic enheter og electroanalytical teknikker har recently mottatt omfattende interesser. En åpenbar fordel med slike kombinasjoner er den lille mengden av prøvevolumet brukes i målingen som potensielt kan unngå forstyrrelser av vibrasjon og konveksjon under målingene. For eksempel ble mønstret microfluidic pads brukes til veke og levere væskeprøver til sensing område av SPE for deteksjon av tungmetallioner og glukose 2,5. Lignende enheter ved hjelp av papir microfluidic elektrokjemiluminescens ble etablert for å oppnå NADH deteksjon fire. Flere nylig, kan enkle elektrokjemisk papir microfluidic enheter bygges på en glassplate med blyant elektroder 6 eller ved hjelp av enzymet papir og SPE tre.
En nanohybrid tynt filmmateriale sammensatt av Iro 2 og RGO ble utarbeidet med en lettvint og effektiv elektro tilnærming. Vi fant at på uregelmessig og grov SPE grafittkarbon overflaten, kan ikke anodisk elektrolytisk Iro 2 tynn filmvære jevn og stabil uten hjelp av RGO. Den resulterende IRO 2 -RGO SPE ble integrert i en papir microfluidic enhet som har mønstrede hydrofobe barrierer for pH sensing. Den monterte enheten viste gode analytiske forestillinger i pH sensing med en litt super-Nernstian atferd. Resultatene kan sammenlignes med et konvensjonelt lab-basert pH-meter med glasselektroder. Til slutt ble kostnadseffektive miniatyriserte pH meter bygget på en brødfjel å måle åpen krets potensiell utgangssignal med et digitalt multimeter. Målingene av den bærbare pH-meter korrelerer godt med de til et kommersielt laboratorium pH-meter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Device Setup
PH-sensoren fungerer ved å måle OCP mellom arbeidselektroden og referanseelektroden, siden det endres proporsjonalt med den negative logaritme av H + -konsentrasjon. Målingene kan oppnås både ved en lab-basert potentiostat som CHI 660D og enkelt pH-meter bygget på brødfjel med lesing av multimeter. To forskjellige bærbare pH-meter ble bygget på samme måte på breadboards ved hjelp av to 9 V alkaliske batterier, et digitalt multimeter, som sy…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av et stipend fra Vannutstyr og personvern (WEP) NSF Industri / Universitetet Cooperative Research Center (I / UCRC). Forfatterne er også takknemlig til Hjalmar D. og Janet W. Bruhn Fellowship og Louis og Elsa Thomsen Wisconsin Distinguished Graduate Fellowship gitt til JY ved UW-Madison
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
- Greenblatt, M., Shuk, P. Solid-state humidity sensors. Solid State Ionics. , 995-1000 (1996).
- Nie, Z., Nijhuis, C. A., Gong, J., Chen, X., Kumachev, A., Martinez, A. W., Narovlyansky, M., Whitesides, G. M. Electrochemical sensing in paper-based microfluidic devices. Lab Chip. 10, 477-483 (2010).
- Yang, J., Nam, Y. G., Lee, S. -. K., Kim, C. -. S., Koo, Y. -. M., Chang, W. -. J., Gunasekaran, S. Paper-fluidic electrochemical biosensing platform with enzyme paper and enzymeless electrodes. Sens. Actuators, B. 203, 44-53 (2014).
- Delaney, J. L., Hogan, C. F., Tian, J., Shen, W. Electrogenerated chemiluminescence detection in paper-based microfluidic sensors. Anal. Chem. 83, 1300-1306 (2011).
- Lankelma, J., Nie, Z., Carrilho, E., Whitesides, G. M. Paper-based analytical device for electrochemical flow-injection analysis of glucose in urine. Anal. Chem. 84, 4147-4152 (2012).
- Dossi, N., Toniolo, R., Pizzariello, A., Impellizzieri, F., Piccin, E., Bontempelli, G. Pencil-drawn paper supported electrodes as simple electrochemical detectors for paper-based fluidic devices. Electrophoresis. 34, 2085-2091 (2013).
- Yang, J., Gunasekaran, S. Electrochemically reduced graphene oxide sheets for use in high performance supercapacitors. Carbon. 51, 36-44 (2013).
- Yamanaka, K. Anodically electrodeposited iridium oxide films (AEIROF) from Alkaline Solutions for Electrochromic Display Devices. Jpn. J. Appl. Phys. 28, 632-637 (1989).
- Yamanaka, K. The electrochemical behavior of anodically electrodeposited iridium oxide films and the reliability of transmittance variable cells. Jpn. J. Appl. Phys. 30, 1285-1289 (1991).
- Fog, A., Buck, R. P. Electronic semiconducting oxides as pH sensors. Sens. & Act. 5, 137-146 (1984).
- Bezbaruah, A. N., Zhang, T. C. Fabrication of anodically electrodeposited iridium oxide film pH microelectrodes for microenvironmental studies. Anal. Chem. 74, 5726-5733 (2002).
- Marzouk, S. A. M., Ufer, S., Buck, R. P., Johnson, T. A., Dunlap, L. A., Cascio, W. E. Electrodeposited iridium oxide pH electrode for measurement of extracellular myocardial acidosis during acute ischemia. Anal. Chem. 70, 5054-5061 (1998).
- Prats-Alfonso, E., Abad, L., Casañ-Pastor, N., Gonzalo-Ruiz, J., Baldrich, E. Iridium oxide pH sensor for biomedical applications. Case urea-urease in real urine samples. Biosens. Bioelectron. 39, 163-169 (2013).
- Bitziou, E., O’Hare, D., Patel, B. A. Simultaneous detection of pH changes and histamine release from oxyntic glands in isolated stomach. Anal. Chem. 80, 8733-8740 (2008).
