الجرافين أكسيد Nanohybrid رقيقة التعديل أقطاب شاشة مطبوعة-خفض أكسيد إيريديوم كما يمكن التخلص منها ورقة الكهروكيميائية ميكروفلويديك درجة الحموضة مجسات
Summary
توضح الدراسة نمو الايريديوم-خفض أكسيد أكسيد الجرافين (IRO 2 -RGO) nanohybrid الأغشية الرقيقة على غير النظامية وخشنة الركيزة الكربون الشاشة المطبوعة من خلال توليفة الكهروكيميائية الأخضر، وتنفيذها وجهاز استشعار درجة الحموضة مع منصة ورقة الموائعية نقوش .
Abstract
تم تطوير تجميع الكهروكيميائية سطحي، يمكن السيطرة عليها، وغير مكلفة والأخضر من حديد 2 -graphene nanohybrid الأغشية الرقيقة لصنع ورقة متكاملة ميكروفلويديك استشعار درجة الحموضة الكهروكيميائية سهلة الاستخدام لضبط محدودة الموارد. بالاستفادة من كل متر الرقم الهيدروجيني والشرائط، وتتكون منصة الحموضة الاستشعار من نقوش حاجز مسعور ورقة micropad (μPAD) باستخدام ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان (PDMS)، الشاشة المطبوعة القطب (SPE) تعديل مع IRO 2 -graphene الأفلام ومصبوب الأكريلونيتريل الستايرين (ABS) حامل البلاستيك. كان يعمل المتكررة الدراجات المحتملة الكاثودية ل(GO) للحد من أكسيد الجرافين التي يمكن إزالتها تماما جماعات الاوكسيجين غير مستقرة electrochemically وتوليد خالية من العيوب 2D الجرافين متجانسة رقيقة مع الاستقرار ممتازة وخصائص الإلكترونية. وelectrodeposited وموحدة وسلس IRO 2 فيلم في حجم حبة النانو anodically على الفيلم الجرافين، دون أيالشقوق يمكن ملاحظتها. أظهر الناتج IRO 2 -RGO القطب ردود قليلا فائقة Nernstian من درجة الحموضة 2-12 في المخازن مع الخطي جيدة، التباطؤ صغير، وانخفاض زمن الاستجابة والتكاثر في مخازن مختلفة، فضلا عن الحساسيات منخفضة إلى التدخل مختلفة بريتون-روبنسون (BR) الأنواع الأيونية والأوكسجين المذاب. وملفقة والمحمولة متر الرقم الهيدروجيني الرقمية بسيطة، والتي تقاس المتعدد إشارة، وذلك باستخدام مكبر للصوت التشغيلي عالية المدخلات ومقاومة وبطاريات المستهلك. وكانت القيم الرقم الهيدروجيني قياس مع أجهزة استشعار درجة الحموضة ورقة ميكروفلويديك الكهروكيميائية المحمولة تتماشى مع تلك التي تقاس باستخدام مقياس درجة الحموضة المختبر التجاري مع الزجاج الكهربائي.
Introduction
تحديد درجة الحموضة في كل مكان في المواد الغذائية والفسيولوجية والطبية والدراسات البيئية. اثنين من الأدوات الأكثر شيوعا للكشف عن درجة الحموضة هي شرائح الأس الهيدروجيني ودرجة الحموضة متر. ومشربة شرائح الورق مع الرقم الهيدروجيني جزيئات مؤشر تغيير اللون ولكن القراءة يقتصر أحيانا في نطاقات درجة الحموضة، ذاتية ونصف الكمية مع بعض الانحرافات. من ناحية أخرى، ودرجة الحموضة متر مجهزة تقليديا مع الزجاج الكهربائي يمكن قياس درجة الحموضة بدقة إلى مستوى 0.01، وعرض عن طريق واجهة رقمية للمستخدم. القائم على المختبر درجة الحموضة متر لا تحتاج فقط إلى رعاية خاصة في مجال الصيانة والمعايرة، ولكن أيضا لا تعمل بشكل جيد نحو أحجام عينة صغيرة وغالبا ما تتطلب وعاء نظيف مثل كوب لأداء القياسات. على الرغم من حساسيته والانتقائية والاستقرار، أقطاب الزجاج تعاني من أخطاء حمض / القلوية، ومقاومة عالية، وعدم الاستقرار في درجة الحرارة وهشاشة الميكانيكية 1. لذلك فإنه من المفيد أن يكون هناك نظام قياس درجة الحموضة التي embodالمنشأ دقة متر الرقم الهيدروجيني والبساطة والتكلفة جوانب شرائح الأس الهيدروجيني.
هناك دائما حاجة غير الملباة لهذه الأدوات في ظل ظروف الموارد المحدودة في العديد من المناطق النامية حيث تكلفة المعدات على أساس المختبر أو المختبرات التجارية هي لا يمكن تحملها. أيضا، يتم الضغط على دور متزايد من البرامج سهلة الاستخدام الجديدة في الموقع الاستشعار من قبل مثل هذا الطلب للكشف عن نقطة من الرعاية. كشف الكهروكيميائية هي بسيطة وسهلة لتصغير وحساسة على نحو مرض، كما يتبين من الكيانات الخاصة الغرض منخفضة التكلفة تجاريا ومختلف نظم رصد الجلوكوز في السوق. كما مادة مسامية خفيفة ومرنة والتخلص منها، ويمكن أيضا أن يكون ورقة الخصائص المختلفة يمكن السيطرة عليها، مثل أحجام مختلفة المسام، المجموعات الوظيفية، ومعدلات فتل.
ورقة الركيزة يؤثر بالكاد نشر تحليلها وكشف الكهروكيميائية 2-4، مجموعة من الأجهزة ورقة الموائعية وتقنيات التحليل الكهربائي لديها recentlتلقى ذ مصالح واسعة. ميزة واضحة من هذه المجموعات هي كمية ضئيلة من حجم العينة المستخدمة في القياس الذي يمكن أن يساعد في منع التدخلات من الاهتزاز والحمل الحراري خلال القياسات. على سبيل المثال، تم تطبيقها منصات ميكروفلويديك نمط لالفتيل وتسليم العينات السائلة إلى منطقة الاستشعار من الكيانات الخاصة الغرض للكشف عن ايونات المعادن الثقيلة والجلوكوز 2،5. أنشئت أجهزة مماثلة باستخدام ورقة electrochemiluminescence ميكروفلويديك لإنجاز الكشف NADH 4. وفي الآونة الأخيرة، وأجهزة ميكروفلويديك رقة الكهروكيميائية بسيطة يمكن أن يبنى على شريحة زجاجية مع أقطاب قلم رصاص 6 أو باستخدام ورقة الانزيم والكيانات الخاصة الغرض 3.
وقد تم إعداد nanohybrid مادة رقيقة تتألف من حديد 2 وRGO باستخدام نهج الكهروكيميائية سطحي وكفاءة. وجدنا أن على سطح الكربون SPE غرافيتي غير النظامية وخشنة، لا يمكن electrodeposited anodically IRO 2 رقيقةعلى نحو سلس ومستقر بدون مساعدة من RGO. تم دمج الناتج IRO 2 -RGO SPE في جهاز ميكروفلويديك الورقة التي تمت على نمط الحواجز مسعور للاستشعار درجة الحموضة. أظهر الجهاز تجميعها العروض تحليلية ممتازة في مجال الاستشعار عن درجة الحموضة مع السلوك قليلا فائقة Nernstian. نتائج قابلة للمقارنة مع القائم على المختبر درجة الحموضة متر التقليدية مع أقطاب الزجاج. وأخيرا، تم بناء فعالة من حيث التكلفة متر الرقم الهيدروجيني المنمنمة على اللوح لقياس الدائرة المفتوحة إشارة الناتج المحتمل مع الرقمي المتعدد. قياسات درجة الحموضة متر المحمولة يرتبط بشكل جيد مع تلك التي متر الرقم الهيدروجيني مختبر التجاري.
Protocol
Representative Results
Discussion
إعداد جهاز
جهاز استشعار درجة الحموضة يعمل عن طريق قياس OCP بين أقطاب العمل والمرجعية، لأنه يتغير بشكل متناسب مع اللوغاريتم السلبي للتركيز H +. القياسات يمكن أن يتحقق على حد سواء من قبل potentiostat القائم على المختبر مثل CHI…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من خلال منحة من المعدات والسياسة (WEP) مركز البحوث التعاونية NSF الصناعة / جامعة (I / UCRC) المياه. الكتاب أيضا بالشكر إلى هيلمار د. وجانيت جورج BRUHN زمالة ولويس وإلسا تومسن ولاية ويسكونسن المتميزة المقدمة العليا زمالة لJY في UW ماديسون
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).
