Summary
De studie toont de groei van iridium-oxide gereduceerd grafeen oxide (IrO 2 -RGO) nanohybride dunne films op onregelmatige en ruwe gezeefdrukt koolstof substraat door middel van een groene elektrochemische synthese, en de uitvoering ervan als een pH-sensor met een patroonpapier-vloeibare platform .
Abstract
Een facile, controleerbaar, goedkope en groene elektrochemische synthese IRO 2 -graphene nanohybride dunne films is ontwikkeld om een eenvoudig te gebruiken geïntegreerde papier microfluïdische elektrochemische pH-sensor voor de beperkte middelen te fabriceren. Rekening voordelen van zowel pH meter en strips, wordt de pH sensing platform bestaande uit hydrofobe barrière patroonpapier Micropad (μPAD) middels polydimethylsiloxaan (PDMS), gezeefdrukt elektrode (SPE) gemodificeerd met IrO 2 -graphene films en gevormde acrylonitrilbutadieenstyreen (ABS) plastic houder. Repetitive kathodische potentieel fietsen werd gebruikt voor grafeen oxide (GO) reductie die volledig elektrochemisch instabiel zuurstofrijk groepen met een uitstekende stabiliteit en elektronische eigenschappen kan verwijderen en het genereren van een 2D foutloze homogene grafeen dunne film. Een uniforme en vlotte IrO 2 film in nanoschaal korrelgrootte anodisch wordt elektrolytisch op het grafeen film, zonder enigewaarneembare scheuren. De resulterende IrO 2 -RGO elektrode bleek iets super-Nernstian antwoorden van pH 2-12 in Britton-Robinson (BR) buffers met goede lineariteit, kleine hysteresis, lage responstijd en reproduceerbaarheid in verschillende buffers, evenals lage gevoeligheid voor verschillende bemoeienissen ionen en opgeloste zuurstof. Een simpele draagbare digitale pH meter wordt vervaardigd, waarvan het signaal wordt gemeten met een multimeter behulp hoge input impedantie operationele versterker en consumentenbatterijen. De pH-waarden gemeten met de draagbare elektrochemische papier-microfluïdische pH-sensoren kwamen overeen met die gemeten met behulp van een commercieel laboratorium pH-meter met een glas elektrode.
Introduction
De bepaling van de pH is alomtegenwoordig in de voeding, fysiologische, medicinale en milieustudies. Twee meest voorkomende instrumenten voor pH-detectie zijn pH strips en pH-meters. Paper strips zijn geïmpregneerd met kleur veranderende pH-indicator moleculen, maar het lezen wordt soms beperkt in pH-trajecten, subjectief en semi-kwantitatieve met een aantal afwijkingen. Anderzijds kan een pH meter conventioneel voorzien van een glaselektrode pH nauwkeurig het 0,01 niveau en weergave meten door een digitale interface. -Lab gebaseerde pH-meters niet alleen speciale zorg nodig hebben in het onderhoud en de kalibratie, maar ook niet goed te werken aan kleine steekproef volumes en vereisen vaak een schone container, zoals een beker om metingen uit te voeren. Ondanks de gevoeligheid, selectiviteit en stabiliteit, glaselektrodes lijden zuur / base errors, hoge impedantie, instabiele temperatuur en mechanische kwetsbaarheid 1. Het is daarom voordelig om een pH meetsysteem embod hebbenies de nauwkeurigheid van pH meter en de eenvoud en kostenaspecten pH strips.
Er is altijd een onvervulde behoefte aan dergelijke instrumenten onder beperkte middelen omstandigheden in veel ontwikkelingslanden regio's waar dure lab gebaseerde apparatuur of commerciële laboratoria zijn onbetaalbaar. Ook is het toenemende belang van nieuwe gemakkelijk te gebruiken ter plaatse sensing platforms geduwd door een dergelijke vraag naar point-of-care detectie. Elektrochemische detectie is eenvoudig, gemakkelijk te miniaturiseren en bevredigend gevoelig, zoals blijkt uit het gecommercialiseerd low-cost SPE's en diverse glucose controle systemen op de markt. Als een licht, flexibel en wegwerp poreus materiaal, kan het papier ook verschillende bestuurbare kenmerken, zoals verschillende poriegroottes, functionele groepen en wicking tarieven.
Zoals papieren substraat nauwelijks van invloed te analyseren diffusie en elektrochemische detectie 2-4, een combinatie van papier-fluïde apparaten en elektroanalytische technieken heeft recently kreeg veel belangen. Een duidelijk voordeel van een dergelijke combinatie is de kleine hoeveelheid monster volume gebruikt in de meting die mogelijk storingen door trillingen en convectie kan voorkomen tijdens de metingen. Zo werden gevormd microfluïdische pads toegepast wiek en leveren vloeistofmonsters te detectiegebied SPE voor detectie van zware metaalionen en glucose 2,5. Vergelijkbare apparaten met behulp van papier microfluïdische elektrochemiluminescentie werden opgericht om NADH detectie 4 te bereiken. Meer recent, kunnen eenvoudige elektrochemische papier microfluïdische inrichtingen worden gebouwd op een glasplaatje met potlood elektroden 6 of met behulp van enzymen papier en SPE 3.
Een nanohybride dunne film materiaal bestaande IRO 2 en RGO werd bereid met een gemakkelijke en efficiënte elektrochemische aanpak. We vonden dat op de onregelmatige en ruw SPE grafiet carbon oppervlak, anode elektrolytisch IrO 2 dunne film kan nietzijn soepel en stabiel zonder de hulp van de RGO. De resulterende IrO 2 -RGO SPE werd geïntegreerd in een papieren microfluïdische apparaat die hydrofoob barrières voor pH-sensing is een patroon. De samengestelde inrichting lieten goede analytische prestaties van de pH-sensor met een iets super-Nernstian gedrag. De resultaten zijn vergelijkbaar met een conventionele laboratorium gebaseerde pH-meter met glas elektroden. Ten slotte werden kosteneffectieve geminiaturiseerde pH meter gebouwd op een breadboard om open circuit potentiële output signaal te meten met een digitale multimeter. De afmetingen van de draagbare pH meter correleert goed met die van een commercieel laboratorium pH meter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. μPAD en Apparatuur Voorbereiding
- Graveren een 500 urn groef aan de onderzijde plastic houder SPE huis met ABS of compatibele kunststof vel voor driedimensionale (3D) freesmachine frezen -bit 1,6 mm diameter heeft. Houd SPE en μPAD stevig op zijn plaats tijdens het testen met de houder (Figuur 1A).
- Voeg een stempel en een stofzuigdeksel behulp kunsthars tablet of compatibel kunststofvel met convexe en concave patronen, respectievelijk door de 3D freesmachine, teneinde patroon hydrofobe PDMS barrières op papier pads.
- Maak een mengsel van PDMS prepolymeer en verknopingsmiddel in een verhouding van 10: 1 of zoals voorgesteld door de fabrikant, mengen met een spatel en geschikte hoeveelheid toe te passen op het convexe oppervlak van het PDMS stempel.
- Plaats het stempel op een filterpapier pad voorgesneden aan gewenste grootte en de stofzuigdeksel aan de andere zijde van de stempel over het papier. Solliciteer vacuum tot 30 sec met een handbediende vacuümpomp. Verwijder het papier mat van het stempel en stofzuigdeksel en bakken in een convectieoven gedurende 10 minuten bij 80 ° C om het patroon PDMS (Figuur 1B) harden. De resulterende papier pad heeft een ongeveer 0,2 cm 2 sensing regio en 1 cm x 0,4 cm hydrofiel monster wicking regio.
Opmerking: Wees extra waarschuwingen van de hoeveelheid toegepaste PDMS en vacuüm tijd om eventuele PDMS besmetting in het binnenste hydrofiele regio van het filter papier waar de vloeibare monsters worden overgebracht voorkomen.
2. Wijziging van de SPE met IrO 2 -RGO nanohybride Thin Films
- Drop cast 3 gl als bereide 1 mg ∙ ml -1 GO oplossing op de grafiet-koolstof werkelektrode van SPE met een micropipet en laten drogen bij kamertemperatuur in een petrischaal. Zuiveren pH 5,0 PBS-buffer met N2 gedurende 20 minuten, dip de SPE in 10 ml PBS-buffer ontlucht terwijl N <sub> 2 stroomt, en het gedrag van 100 cycli van repetitieve kathodische potentiële fietsen van 0,0 tot -1,5 V aan elektrochemisch verminderen gaan in RGO. Spoel de SPE met DI-water in een spuitfles en droog bij kamertemperatuur.
Opmerking: Well-geëxpandeerd GO vellen, gestabiliseerd door elektrostatische afstoting, zijn afkomstig uit grafiet poeder met behulp van gemodificeerde Hummer methode zoals elders 7 gemeld. De homogeniteit van gesynthetiseerde RGO film is belangrijk, omdat het dient als koolstofdrager voor verdere groei IRO 2 dunne films. - Voeg 100 ml IrO 2 depositie samengesteld uit 0,15 g iridium tetrachloride (IrCl 4), 0,6 ml 50% (w / w) waterstofperoxide (H 2 O 2) en 0,5 g oxaalzuur drogen door ze in DI-water. Voeg geleidelijk kleine hoeveelheid watervrij kaliumcarbonaat onder roeren totdat de pH 10,5 bereikte geverifieerd door een laboratorium gebaseerde pH meter. Daarna oplossing werd geel. Verouderen van de oplossing gedurende 48 uur bij kamertemperatuur temperaopnieuw, dan is de kleur wordt uiteindelijk draaien lichtblauw.
- Zet de RGO-SPE bovenstaande neerslagoplossing en een constante potentiaal van 0,6 V aanvragen 5 min. De dikte van 2 IrO dunne films kan nauwkeurig worden geregeld door het afzetten potentieel en tijd.
- Bevestigen de structuur van het detectiebereik door SEM. Acquire SEM afbeeldingen volgende instructies op het Materials Science Center aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, zoals we eerder 7 deden.
3. De bouw van betaalbare en draagbare digitale pH Meters
- Bouw een goedkope en geminiaturiseerde pH meter met digitale weergave door het aansluiten van ofwel een serie van twee enkele LF356N operationele versterkers (opamps) of één INA111 high speed field-effect transistor (FET) -Input instrumentatie versterker (hoge input impedantie> 10 12 Ω) op broodplank voldoende hoge interne impedantie voor stabiele metingen te bereiken.
Opmerking: Alle onderdelen zijn gemakkelijk acgankelijk van elektronische winkels en kan eenvoudig worden gemonteerd. - Gebruik IRO 2 -RGO-SPE als de pH-sonde en OpAmps als eenheid te krijgen buffer. Sluit twee geaarde 9 V alkaline batterijen van de consument in serie om de pH meter van stroom en sluit de draden in de breadboard op basis van de pin lay-out van opamps.
- Sluit de kathode en anode pinnen 7 en 4. Ook sluit de positieve en negatieve probes van een digitale multimeter pinnen 6 en 5 van opamps respectievelijk de uitgangsspanning en displayuitlezing meten. Referentie en werken elektroden van SPE zijn verbonden met pin 2 en 3 dienovereenkomstig. Gedetailleerde verbindingen zijn weergegeven in figuur 1D.
4. pH Metingen
- Bereid 100 ml BR buffers met 0,04 M equimolaire fosforzuur, azijnzuur en boorzuur en mengen met verschillende volumes (5, 25, 42, 60, 78 en 98) van 0,2 M natriumhydroxide (NaOH) bij verschillende pH bereiken van 2- 12 voor de kalibratie.
- locat gevormde μPAD bovenop de detectiezone. Mount 60 ul vloeibare monsters rechtstreeks door een micropipet in de hydrofiele gebied van het μPAD voor wicking. De μPAD kan op zijn plaats worden gehouden met of zonder ABS deksel, wanneer het wordt bevochtigd.
- Meet de spanning signaal tussen IRO 2 -RGO werkende elektrode en de Ag / AgCl referentie-elektrode in de tijd met ofwel een-lab gebaseerde CHI 660D elektrochemische analyser of de draagbare digitale pH-meter, wanneer de open circuit potentials (OCP) worden steady (potentiële variaties <5%).
- Houd het aftastgebied nat door onderdompeling van het notitieblok in vloeibare monsters te testen, indien nodig, om een beter elektrisch contact en stabiele en reproduceerbare aflezingen op lange termijn werking bereiken. Opgenomen steady-state OCP waarden worden gemiddeld bij elke pH tot een ijkcurve te bepalen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De opzet van de elektrochemische IrO 2 -RGO-SPE pH-sensor waarin papier microfluidics is weergegeven in figuur 1A. De patroonpapier pad met PDMS hydrofoob barrières werd bovenop het detectiebereik IRO 2 -RGO-SPE die op het ABS kunststof houder. De detectie zone papier pad werd zorgvuldig afgestemd op de elektrode oppervlak. Een waterige methyleenblauw kleurstof werd gebruikt om de dessinpapier verbandtest en zoals waargenomen monsters wiek in de hydrofiele gebieden (figuur 1B) met de vloeibare route gereguleerd door de hydrofobe grenzen. SEM foto toont van een vorming van 2D foutloze grafeen homogene dunne film van de elektrochemische reductie techniek, alsmede een synthese van het gelijkmatig IrO 2 film zonder enige waarneembare scheuren door elektrodepositie (Figuur 2A en C). De resulterende IrO 2 -RGO elektrode toonde iets super-Nernstian reacties van pH 2-12 in Britton-Robinson (BR) buffers met een goede lineariteit in zowel bulk-oplossing en papier (figuur 3A), kleine hysteresis breedtes (Figuur 4B) en een lage gevoeligheid voor opgeloste zuurstof (Figuur 3B). De pH-waarden gemeten met de draagbare elektrochemische papier microfluïdische pH sensoren waren consistent met bedrijfslaboratorium pH-meter met een glaselektrode (Figuur 5A).
Figuur 1: (A) Schematische weergave van de opstelling voor elektrochemische papier microfluïdische pH sensing: (1) IrO 2 -RGO-SPE, (2) microfluïdische papier pad voor bemonstering en detectie, (3) ABS plastic houder huisvesting van de SPE. (B) Foto van de microfluïdische papier pad wicked door een kleurstof oplossing: (1) hydrofiele bemonstering regio wicking (2) paper microfluïdische kanaal voor monster levering (3) sensing regio in SPE's (4) hydrofobe barrières gevormd door PDMS (5) regio om het apparaat te houden. (C) Twee draagbare pH meetinstrumenten van verschillende circuits gebouwd op breadboard (gedetailleerde schakelingen getoond in aanvullende gegevens): (1) werkelektrode (2) referentie electrode (3) positieve probe (4) negatieve sonde van multimeter (5) batterij kathode (6) anode (7) batterij geaard (8) 10 MQ winst weerstand (9) 10 MQ belasting weerstand (10) geaard. (D) Aansluitschema's van de draagbare elektrochemische papier vloeibare pH-sensor gebouwd met INA111 en IrO 2 -RGO-SPE. (E) Typische digitale lezingen van open circuit potentials met behulp van de draagbare elektrochemische papier microfluïdische pH-apparaat met LF365N geïntegreerde schakelingen bij verschillende pH-waarden. Klik hier om een grotere versie van deze fotofiguur.
Figuur 2: SEM beelden van (A) RGO (B) IrO 2 en (C) RGO-IrO 2 -gemodificeerde SPE's. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3:.. PH reacties van RGO-IrO 2 SPE bij verschillende pH (A) in bulk oplossing van BR buffer of via microfluidic papier (B) in BR buffers verzadigd met lucht of N2 (C) in verschillende buffersystemen Klik hier om te bekijkengrotere versie van dit cijfer.
Figuur 4: (A) Potentiële-time curven van RGO-IrO 2 SPE bij een pH van 4, 8 en 10 in BR buffer. (B) Hysteresis breedtes van RGO-IrO 2 SPE's in BR buffers bij verschillende pH met lus cycli van 2-12-2 en 12-2-12. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: pH reacties van RGO-IrO 2 SPE's in BR buffer bij verschillende pH (A) correlatie met een standaard commerciële pH-meter met glas elektrode (B) vergelijking van de metingen door verschillende dev.ijs. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Device Setup
De pH sensor werkt door het meten van de OCP tussen de werkende en referentie-elektroden, aangezien ze proportioneel verandert de negatieve logaritme van de H + -concentratie. De metingen kunnen beide worden bereikt door een laboratorium gebaseerde potentiostaat zoals CHI 660D en simpele pH meter gebouwd op breadboard met lezen bij multimeter. Twee verschillende draagbare pH-meters werden op dezelfde wijze gebouwd op breadboard met behulp van twee 9 V alkaline batterijen, een digitale multimeter, as-gesynthetiseerde IrO 2 -RGO-SPE en verschillende OpAmps, dat is twee seriële LF356N of één INA111. De totale kosten van een dergelijke pH meter is meestal onder $ 25 met inbegrip van ongeveer $ 1 per stuk van het besteedbaar pH IrO 2 -RGO-SPE's kosten (kosten en tijd om chemische voorbereiding en elektrochemische depositie uit te voeren zijn niet inbegrepen). Figuur 1C toont de schema's en de verbindingen met twee LF356N of één INA111. Schema van de geheleinrichting volgens de aansluitpennen van INA111 wordt getoond in figuur 1D. Twee 9 V accu's werden gebruikt om een dubbele levering van +/- 9 V creëren om de opamps stroom voorzien door de input pinnen 2 en 3. een 1/4 W-4-bandversterkingsinstellingen weerstand (R G) van 10 MQ (5% tolerantie) is verbonden tussen pennen 1 en 8, waardoor een gewenste versterking (G) in de buurt van 1, zoals berekend uit vergelijking (1). Vanwege de relatief lage interne weerstand van de multimeter, wordt een voldoende grote belasting weerstand geaard en verbonden tussen kortgesloten pennen 5 en 6, waarin de negatieve en positieve probes multimeters verdere verbinding voor stabiele OCP aflezingen. Dientengevolge, de uitgangsspanning die kan worden berekend uit vergelijking (2) is exact gelijk aan het potentiaalverschil tussen IrO 2 -RGO werkelektrode en Ag / AgCl referentie-elektrode, die overeenkomt met de pH van de oplossing.
Waarbij G het gain van INA111, Vuit is sensoruitvoer (V), en V + en V in - in zijn spanning op de niet-inverterende en inverterende ingangen van de opamps respectievelijk.
oppervlak morfologie
Image Figuur 2A scanning elektronenmicroscoop (SEM) toont de oppervlakte morfologie van de intermitterende RGO film gevormd met een typisch gerimpelde textuur samengesteld van flexibele en ultradunne grafeen vellen verspreid door het ruige gezeefdrukt koolstof elektrode oppervlak. De reductie GO optreedt bij potentials negatiever dan -0,65 V en is een snelle, onomkeerbare en controleerbaar zonder vermindering van reagentia 7. Na IrO 2 afzetting, de zwarte RGO film visueel en met name werd donker paars, met de karakteristieke elektrochrome kenmerk van de anode elektrolytisch IrO 2. IrO 2 -RGO nanohybride dunne film (figuur 2C) in micrometer-range thickness waargenomen met homogeen gedispergeerd nanoschaal kristallieten op het gehele oppervlak. De film wordt uniform en glad zijn, zonder merkbare scheuren of modder structuren. Bovendien een interessante bevinding in de huidige studie is dat IrO 2 films kunnen vormen op het gezeefdrukte grafietkoolstof ondergronden zonder hulp van RGO onder dezelfde omstandigheden (figuur 2B). Ook de goede film vormende vermogen van grafeen is opgevat de belangrijkste component in de dunne film afzetting. De oxalaten in de neerslagoplossing kan complexvorming leiden en te voorkomen iridium neerslaan in alkalisch milieu. De afzetting wordt gerealiseerd door anodische oxidatie van oxalated Ir (IV) verbindingen met CO 2 uitstoot en gelijktijdig Ir (IV) oxide bij de vorming anodeoppervlak, zoals beschreven door Yamanaka 8,9
[Ir (COO) 2 (OH) 4] 2- ⇔ IrO 2 + 2 2CO + 2H O 2 + 2e ̵1;
pH Meetprestaties
Een algemeen mechanisme van metaaloxiden pH sensing is aangegeven Fog en Buck geassocieerd met de ion-uitwisselingsprocessen binnen de OH-groep dragende oppervlak 10. Verschillende IrO 2 gebaseerde elektroden in de natuur als gevolg van hun verschillende mechanismen synthese. Een aantal mogelijke mechanismen voorgesteld met pH-afhankelijke redox intercalatie evenwicht tussen twee oxidatietoestanden Ir oxiden 11. Zoals bij elektrochemisch gesynthetiseerde Ir oxiden, de overheersende toestand de gehydrateerde vorm 8 die super-Nernstian respons levert met een hogere gevoeligheid dan watervrije vormen bij 59 mV / pH. Het mechanisme kan worden verklaard met de volgende formule 8,9:
2 [2 IrO (OH) 2 · 2H 2 O)] 2 + 3 H + + 2e - ⇔ 2 [IrO2 (OH) 2 · 2H 2 O)] 2 + 3 H 2 O
Zoals getoond in figuur 3A (zwart), IRO 2 -RGO elektrode vertoonden een goed gedefinieerde lineaire karakteristiek over een breed pH-traject van 2 tot 12, met een iets super-Nernstian hellingsgraad van -61,71 mV / pH die dichter bij de anode elektrolytisch IrO 2 films met bijna-Nerstian reacties 11,12 in plaats van die met super Nernstian 13,14. Mogelijk gebeurt dit door de verschillende elektrodepositie condities en substraten deelneemt. Het is mogelijk dat een mengsel van watervrije en gehydrateerde IrO 2 wordt gevormd op grafeen tijdens de anodische elektrodepositie. Het verwaarlozen verschil van de gemeten pH tussen patroonpapier microfluïdische apparaat (figuur 3A, rood) en bulk oplossing geeft de vezelachtige cellulose papier matrix niet diffusie van waterstofionen verhinderen om enige merkbare mate. ontbindend atmosferische zuurstof bestaat alomtegenwoordig in monsters soms grote invloed mogelijke waarden vanwege de redox processen, met name in biologische systemen 12. Als de pennen geplaatst in N 2 - of luchtverzadigd bufferoplossing, zijn er slechts kleine verschillen (figuur 3B). Ondertussen aangezien de ionische sterktes en samenstellingen verschillen afhankelijk van buffers, verschillende pH-buffers werden getest waaronder commerciële pH kalibratiebuffer, BR-buffer, fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS) en NaOH / HCl bijgesteld DI water (Figuur 3C). De gevoeligheid (mV per eenheid pH) zijn vrijwel identiek in alle buffers. Er werd echter een aanzienlijke potentiële afwijking waargenomen in PBS buffer met een relatief smallere pH-gebied heeft. Dit kan worden toegeschreven aan verschillende voorwaardelijke standaard potentialen (term E 0 in het evenwicht Nernst vergelijking) IRO 2 -RGO pH elektrode in PBS.
Responstijd, een factor in een detectie aanvrage wordt gewoonlijk gedefinieerd als de tijd vereist het bereiken van bepaalde percentages evenwichtstoestand OCP. Typische reactie is minder dan 250 seconden onder alle pH maar sterk pH afhankelijk 11 zijn. Hysteresis, of de zogenaamde memory-effect, is een bekend verschijnsel glas en metaal oxide pH elektroden tijdens herhaalde gebruiken van deze zelfde elektrode. Dit verschijnsel waterstof ion-selectieve elektroden wordt beschouwd als het gevolg van vertraagde reacties op de pH-verandering. IRO 2 -RGO pH-elektrode werd getest bij pH buffers van laag tot hoog, en op zijn beurt van hoog tot laag. Dit luscycli pH 2-12-2 en 12-2-12 werden door achtereenvolgens meten OCP verschillende pH buffers in de cycli (Figuur 4B). De hysteresis breedten worden berekend op ongeveer 13 mV in beide cycli, die aanvaardbaar en nauwkeurig in routine pH-metingen, in het bijzonder met betrekking tot het brede pH-bereik hier bestudeerd.
Verder vadeert IRO 2 -RGO nanohybride dunne film pH sensor, werden de prestaties getest in parallel met een standaard glaselektrode met een pH / mV / Ion / geleidbaarheidsmeter (Figuur 5A). De resultaten correleren goed met elkaar, wat suggereert de hoge nauwkeurigheid en betrouwbare prestaties van de ontwikkelde pH sensor. Om echt te bereiken on-site pH-metingen met de draagbare elektrochemische papier microfluïdische apparaat werden twee eenvoudige digitale pH meter gebouwd met lichtjes verschillende configuraties. PH gemeten met beide meter was zeer consistent met het lab gebaseerde elektrochemische analysator. Reproduceerbaarheid werd meerdere malen getest met dezelfde elektrode in verschillende pH buffers BR, en ook met verschillende elektroden. De relatieve standaarddeviatie (RSD) waarden waren kenmerkend alle <15%.
Tot slot, is een snelle, beheersbaar en groene elektrochemische methode ontwikkeld voor de synthese van een uniforme en gladde IrO 2 -RGO nanohybride dunne films on ruw oppervlak SPE, bijgestaan door het goede film-vormende en ondersteunende capaciteiten van de RGO. De verkregen vaste toestand elektrode vertoonde een enigszins super-Nernstian respons met een hoge gevoeligheid van -62 mV / pH en met goede lineariteit in een breed pH van 2 tot 12. De elektroden hebben ook kleine hysterese, snelle responstijd, reproduceerbaarheid en goede afspraken met commerciële glaselektrode uitgeruste lab gebaseerde pH-meter. Een geminiaturiseerde papier microfluïdische pad werd vervaardigd door PDMS hydrofobe barrière patronen. Een eenvoudige pH meter werd vervaardigd met behulp van twee 9 V alkaline batterijen, een digitale multimeter en opamps. PH gemeten resultaten van de sensor correleerden goed met die verkregen met behulp van lab gebaseerde technieken. Zo is de sensor die de voordelen combineert van zowel de pH-meters en pH strips is een veelbelovende platform voor toekomstige on-site of point-of-care pH-metingen, in het bijzonder in het kader van de status van beperkte middelen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben geen concurrerende financiële belangen.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door een subsidie van de Water Equipment and Policy (WEP) NSF Industrie / University Cooperative Research Center (I / UCRC). De auteurs zijn ook dankbaar voor de Hjalmar D. en Janet W. Bruhn Fellowship en Louis en Elsa Thomsen Wisconsin Distinguished Graduate Fellowship verstrekt aan JY bij UW-Madison
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 | |||
| NaH2HPO4 |
References
- Greenblatt, M., Shuk, P.
- 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).
