ייצור מצופים Nafion, מופחתת גראפן תחמוצת/Polyaniline Chemiresistive חיישן על צג ה-pH בזמן אמת במהלך התסיסה מיקרוביאלי

טכנולוגיה זו יכולה לעזור לנו לענות על שאלות מפתח בתחום טכנולוגיית הביו-מעבד, כגון המרת ביומסק, או ייצור ביוגז מפסולת אורגנית. היתרון העיקרי של חישת pH chemiresistive זה הוא כי האלקטרודות קטנות, הוא הצינור לשכפל במספר גדול, ולעבוד ללא אלקטרודה התייחסות. ההשלכות של טכניקה זו משתרעות על מיקרו-רקטורים מרובים, מכיוון ש- pH הוא פרמטר חשוב.

אלקטרודות pH קונבנציונליות יקרות מדי או גדולות מדי לשימוש בפלטפורמת סינון מיקרו-רייקר. שיטה זו יכולה לספק תובנות לגבי מעברי תמורות מרובים בקנה מידה קטן. זה יכול להיות מיושם גם מעברים כימיים או ביולוגיים אחרים שבהם מדידות pH חשובים.

ראשית, מוסיפים שלושה גרם גרפיט ל 69 מיליליטר של חומצה גופרתית מרוכזת, ומערבבים את הפתרון עד גרפיט התפזר לחלוטין. מוסיפים 1.5 גרם נתרן ניטארט. לאחר שעה של ערבוב, מניחים את המיכל באמבט קרח.

מוסיפים תשעה גרם של אשלגן פרמנganate לפיזור, ולהסיר את המיכל מן אמבט הקרח. לאחר מתן אפשרות לפתרון להתחמם לטמפרטורת החדר, הוסיפו 138 מיליליטר של טיפת מים מילי-קיו. לאחר מכן מוסיפים 420 מיליליטר של מים מילי-Q ולשמור על הטמפרטורה ב 90 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות באמצעות צלחת חמה.

הוסף 7.5 מיליליטר של 30% מי חמצן לפיזור החם. לאחר העברת הפיזור לצינור צנטריפוגה, לאסוף את המוצר על ידי צנטריפוגה ב 10, 000 פעמים G במשך 20 דקות. לאחר השלכת העל-טבעי, שוטפים את גלולה ארבע פעמים במים מזוקקים כפולים חמים, פעמיים עם 10% חומצה הידרוכלורית.

לבסוף, לשטוף את גלולה פעמיים עם אתנול ולייבש אותו ב 50 מעלות צלזיוס בתנור. לפזר 10 מיליגרם של תחמוצת גרפיט ב 10 מיליליטר של מים מילי-Q, ולאחר מכן sonicate הפיזור באמבטיה קולית במשך שש שעות. לאחר ultrasonication, להסיר את פתיתי תחמוצת גרפיט unexfoliated על ידי צנטריפוגה במשך 30 דקות ב 2700 פעמים G.After צנטריפוגה, להשליך את החלקיקים מוצק, ולהשתמש supernatant לניסויים נוספים.

כדי להכין את פתרון העבודה, לדלל את פתרון מלאי תחמוצת גרפן פי שניים עם מים מילי-Q. עכשיו להוסיף שני microliters של תחמוצת גרפן עובד פתרון על גבי אלקטרודה זהב interdigitated חשוף. לאחר יציקת טיפה, לייבש את אלקטרודה תחמוצת גרפן בטמפרטורת החדר במשך 12 שעות.

הכנס את האלקטרודה במחזיק אלקטרודה PDMS. מניחים את החלק השני של מחזיק האלקטרודה, המשמש כמאגר פתרון, על גבי האלקטרודה. להרכיב את המחזיקים על ידי גזירת שני החלקים יחד באמצעות שני מהדקי נייר.

לאחר מכן, פיפטה 300 מיקרוליטר של 2 מאגר פוספט טוחן במאגר. ואז למקם את ההתייחסות אלקטרודות נגד בתסרון באופן כזה שהם ממוקמים קרוב לפני השטח של הסרט תחמוצת גרפן. חבר את האלקטרודות עם potentiostat, מחובר למחשב לרכישת נתונים.

השתמש voltammetry מחזורי להפחתה אלקטרוכימית, ובחר את הטווח הפוטנציאלי המתאים ואת קצב הסריקה. מחזור המתח מעל האלקטרודה 10 פעמים בין אפס למינוס 1.2 וולט. לאחר הניסוי, להסיר את האלקטרודה מהמחזיק, ולשטוף אותו שוב ושוב עם מים מילי-Q.

ואז לייבש את האלקטרודה בתנור ב 101 מעלות צלזיוס במשך 12 שעות. כאשר האלקטרודה יבשה, מוציאים אותה מהתנור ומאפשרים לה להתקרר לטמפרטורת החדר. לאחר מכן למדוד את המוליכות של אלקטרודה ErGO עם רב מטר.

הכן פתרון 10 מילימולרית של מונומר אנילין עבור פונקציונליזציה פוליאנילין, על ידי המסת חמישה microliters של 10 מילימולרית אנילין בחמישה מיליליטר של חומצה גופרתית טוחנת אחת. הוסף 300 מיקרוליטרים של מונומר אנילין למאגר הפתרון. לאחר מכן מניחים את האלקטרודה שהופקדה ErGO לתוך מחזיק האלקטרודה כפי שתואר קודם לכן.

השתמש voltammetry מחזורי עבור אלקטרולימריזציה של אנילין כדי לתפקד ErGO לתוך ErGO-PA, ולבחור את הטווח הפוטנציאלי המתאים ואת קצב הסריקה. מחזור המתח מעל האלקטרודה 50 פעמים, בין אפס ל 9 וולט. לאחר התצהיר פוליאנילין, להסיר את האלקטרודה ולשטוף אותו שוב ושוב עם מים מילי-Q.

ואז לייבש את האלקטרודה ב 80 מעלות צלזיוס בתנור במשך 12 שעות. כאשר האלקטרודה יבשה, מוציאים אותה מהתנור ומאפשרים לה להתקרר לטמפרטורת החדר לפני מדידת המוליכות של האלקטרודה עם מולטימטר. לאחר מכן, להוסיף 2 נתרן הידרוקסיד דיוח לפתרון חיץ בריטון רובינסון, עד pH הוא חמש.

כדי להכין פתרון חיץ אוניברסלי בריטון רובינסון, לערבב 04 שומות של חומצה זרפורית, 04 שומות של חומצה אצטית, ו 04 שומות של חומצה בורית, ב 8 ליטרים של מים מילי-Q. לאחר מכן, מוסיפים מים מילי-Q עד הכרך הסופי הוא ליטר אחד. לאחר מיזוג האלקטרודה בתת פתרון חיץ pH חמש, למדוד את ההתנגדות שלה בפתרונות של pH שונים, על ידי טבילה ראשונה אותו ישירות בתתברית החיץ.

לאחר מכן חבר את החלק השני של האלקטרודה ל- potentiostat הנשלט על-ידי מחשב לצורך רכישת נתונים. בחר זרם אנגרומטריה לעומת עקומת זמן מרשימת הטכניקות, והחל הפרש פוטנציאלי של 100 מילי-וולט על האלקטרודה. לאחר המדידות, לייבש את האלקטרודה בטמפרטורת החדר במשך 12 שעות.

הוסיפו חמישה מיקרוליטרים של נדיפה של חמישה אחוזי משקל על גבי האלקטרודה ErGO-PA, וייבשו את האלקטרודה בטמפרטורת החדר למשך 12 שעות. לאחר ציפוי הנפיון, מחממים את האלקטרודה בתתפורת החיץ ב- pH חמש במשך 24 שעות לפני מדידות ה- pH. לאחר התניה בתספורת חיץ pH חמש, להסיר את האלקטרודה ErGO-PA מצופה nafion ולמדוד את ההתנגדות של האלקטרודה מ pH ארבע עד תשע, כפי שתואר קודם לכן.

מוסיפים 9.3 גרם אבקת M17 ל-250 מיליליטר מים לא ממונעים. לאט לאט להתסיס את הפתרון עד האבקה מתמוסס לחלוטין. ואז autoclave הפתרון ב 121 מעלות צלזיוס במשך 15 דקות.

לאחר מכן, הוסיפו 50 מיליליטר של מדיום M17 מעוקר בבקבוק מעוקר של 250 מיליליטר עם בר ערבוב מגנטי. הוסף 8 מיליליטר של פתרון גלוקוז טוחן 1 autoclaved למדיום. לאחר מכן, לחסן את הפתרון עם 10 microliters של תרבות L.lactis, גדל בעבר באותו מדיום תרבות.

מניחים את הבקבוק עם מדיום התרבות מחוסן על צלחת ערבוב מגנטי בתנור דגירה ב 30 מעלות צלזיוס במשך 18 שעות תוך ערבוב. לפקח על ה- pH במהלך הדגירה. מניחים את האלקטרודה ErGO-PA-NA לתוך תרבות L.lactis ולסגור אותו עם תקע כותנה.

ואז למקם את להגדיר לתוך תרמוסטט ב 30 מעלות צלזיוס לגדל L.lactis. לאחר מכן, להחיל 100 מיליבולטים על האלקטרודה ולמדוד את הזרם נגד הזמן. קח דגימות 5 מיליליטר בנקודות זמן שונות כדי למדוד מחובר את הצפיפות האופטית ב 600 ננומטר, ואת ה- pH עם אלקטרודה זכוכית קונבנציונלית.

המשיכו במדידות עד שהצפיפות האופטית של התרבות תהפוך קבועה, מה שמצביע על כך שהחיידקים כבר לא גדלים. הופעתו של שיא הפחתה חזק סביב מינוס 1.0 וולט המחישה את הפחתת תחמוצת גרפן ל- ErGO. עוצמת הפסגה תלויה במספר שכבות תחמוצת גרפן באלקטרודה.

כאשר האלקטרודה ErGO-PA הוצב pH ארבעה עד תשעה פתרונות חיץ, הנוכחי גדל עם pH הגדלת עקב סימום דה סימום של חורים במהלך תהליך deprotonation פרוטונציה. התגובה של האלקטרודה הייתה יציבה מיד כאשר התוספת של נתרן הידרוקסיד נעצרה ב- pH מסוים. מוליכות האלקטרודה לא הושפעה הרבה על ידי ציפוי הנפיון.

אבל כמה אוהם של הבדל בערך ההתנגדות התרחש, ושינה את הערך הנוכחי הבסיסי של האלקטרודה ErGO-PA. בדומה לאלקטרודה ErGO-PA, ההתנגדות של האלקטרודה ErGO-PA-NA השתנתה כאשר ה- pH של פתרון החיץ השתנה מארבע לתשע. לאחר תחילת הצמיחה של L.lactis, זרם האלקטרודה ErGO-PA-NA ירד בהדרגה, ולאחר מכן הואץ במהלך שלב הצמיחה המעריכית, והגיע לערך יציב בסוף הצמיחה.

הערך הסופי של הזרם דומה לערך הנוכחי של האלקטרודה ErGO-PA-NA שנבדקה בפתרון המאגר. בעת ניסיון הליך זה, חשוב לזכור לכסות לחלוטין את אלקטרודות הזהב עם תחמוצת גרפן. טכנולוגיה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום בקרת תהליכים, לייצר ולהשתמש באלקטרודות pH קטנות למערכות ביולוגיות וכימיות.

אל תשכח כי עבודה עם חומצה גופרתית מרוכזת, אשלגן פרמנganate, מי חמצן יכול להיות מסוכן מאוד. הליך זה חייב להתבצע במכסה המנוע של האדים.