Summary

Iridium Оксид со сниженным Графен Оксид наногибридный тонка пленка Модифицированные сериграфированного электроды как Одноразовая Электрохимический бумаги микрожидком рН Датчики

Published: November 22, 2016
doi:

Summary

Исследование демонстрирует рост иридия оксида с пониженным содержанием оксида графена (МОБ 2 -RGO) наногибридный тонких пленок на нерегулярной и шероховатой сериграфированного углерода подложки через зеленый электрохимического синтеза, а также их реализацию в качестве датчика рН с узорной бумаги-жидкостный платформы ,

Abstract

Снисходительный, управляемый, недорогой и зеленый электрохимический синтез IrO 2 -graphene наногибридный тонких пленок разработана для изготовления простой в использовании интегрированный бумаги микрожидкостных электрохимический датчик рН для условиях ограниченных ресурсов. Принимая преимущества от обоих рН – метры и полос, платформа датчиков рН состоит из гидрофобного барьерного узором бумаги micropad (μPAD) с использованием полидиметилсилоксана (PDMS), трафаретной печати электрод (SPE) , модифицированный Иро 2 -graphene пленок и формованных Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) пластиковый держатель. Серийное катодный потенциал задействуя был использован для оксида графена (GO) сокращения, которое может полностью удалить электрохимически нестабильные кислородсодержащих групп и генерировать 2D бездефектной однородное графена тонкую пленку с превосходной стабильностью и электронными свойствами. Однородная и гладкая IrO 2 пленка в наноразмерных размером зерна анодно электроосаждается на пленке графена, без каких – либонаблюдаемые трещины. Полученный IrO 2 -RGO электрод показал слегка супер-Нернста реакции от рН 2-12 в буферах с хорошей линейностью, малый гистерезис, низкое время отклика и воспроизводимостью в различных буферных растворах , а также низкой чувствительностью к различным мешая Britton-Robinson (BR) ионных частиц и растворенного кислорода. Простой портативный цифровой измеритель pH изготовлен, сигнал которого измеряется с помощью мультиметра, с помощью высокого входного импеданса операционного усилителя и потребительских батарей. Значения рН, измеренные с помощью переносных датчиков рН электрохимических бумажных Микрожидкостных согласуются с измеренными с использованием коммерческого метр лабораторный рН со стеклянным электродом.

Introduction

Определение рН является повсеместным в пищевых продуктах, физиологических, медицинских и экологических исследований. Два наиболее распространенных инструментов для обнаружения рН являются полоски рН и рН-метры. Бумажные ленты пропитаны изменяющих цвет молекул индикатора рН, но показания иногда ограничены в диапазоне рН, субъективны и полуколичественный с некоторыми отклонениями. С другой стороны, рН-метр, обычно оборудован стеклянным электродом может измерять рН точно до 0,01 уровне, и дисплей с помощью цифрового интерфейса пользователя. рН-метры Lab на основе не только нуждаются в особом уходе в обслуживании и калибровке, но и не работают хорошо на малые объемы проб и часто требуют чистый контейнер, такой как стакан для выполнения измерений. Несмотря на свою чувствительность, селективность и стабильность, стеклянные электроды страдают от кислоты / щелочных ошибок, высокий импеданс, нестабильность температуры и механической хрупкости 1. Поэтому желательно иметь систему измерения рН, что embodе годы точность рН-метра и простотой и стоимостных аспектов полос рН.

Существует всегда неудовлетворенная потребность в таких инструментов в условиях ограниченных ресурсов во многих развивающихся регионах, где дорогая лаборатория на базе оборудования или коммерческих лабораторий по карману. Кроме того, повышение роли новых простых в использовании на месте зондирования платформ толкается таким требованием для обнаружения точки оказания медицинской помощи. Электрохимический обнаружение простой, легкий в миниатюризации и удовлетворительно чувствительны, как показали коммерциализированных КСН недорогих и различных систем мониторинга глюкозы на рынке. В качестве легкого, гибкого и одноразового использования пористого материала, бумаги может также иметь различные контролируемые характеристики, такие как различные размеры пор, функциональные группы, и впитыванию ставок.

В качестве подложки бумаги едва влияет аналита диффузию и электрохимическим детектированием 2-4, сочетание бумажных жидкостный устройств и электроаналитических методов имеет recentlу получил обширные интересы. Несомненным преимуществом таких комбинаций является небольшое количество объема образца, используемый в измерении, которое потенциально может предотвратить помехи от вибрации и конвекции в процессе измерений. Например, узорчатые микрофлюидальные колодки были применены к фитилю и доставить жидких проб для чувствительной области КСН для обнаружения ионов тяжелых металлов и глюкоза 2,5. Подобные устройства , использующие бумаги микрожидкостных электрохемилюминесценции были созданы для выполнения обнаружения NADH 4. Совсем недавно, простые электрохимическая бумажные микрофлюидальные устройства могут быть построены на предметном стекле с карандашных электродами 6 или с использованием фермента бумаги и КСН 3.

Наногибридный тонкопленочный материал , состоящий из IrO 2 и РГО был подготовлен с использованием легким и эффективным электрохимический подход. Мы обнаружили , что на неровной и шероховатой SPE графитовой поверхности углерода, анодно электроосаждается IrO 2 тонкая пленка не можетбыть гладкой и стабильной без помощи РГО. Полученный IrO 2 SPE -RGO был интегрирован в бумажный микрожидком устройство , которое узорной гидрофобные барьеры для зондирования рН. Собранное устройство показало отличные аналитические представления в зондировании рН с немного супер-Нернста поведения. Результаты сравнимы с обычным лабораторным на основе рН-метра со стеклянными электродами. И наконец, рентабельные м уменьшенных рН были построены на макете для измерения потенциала выходного сигнала холостого хода с помощью цифрового мультиметра. Измерения портативного рН-метра, хорошо коррелирует с результатами коммерческого метр лабораторный рН.

Protocol

1. μPAD и устройство подготовки Гравировка паз на нижней пластиковым держателем 500 мкм для размещения SPE с ABS или совместимого пластикового листа с помощью трехмерной (3D) фрезерного станка и фрезерного бит, который имеет 1,6 мм в диаметре. Удерживая SPE и μPAD твердо на месте во время тест?…

Representative Results

Установка электрохимического IrO 2 -RGO-SPE датчик рН , включающего бумаги микрофлюидики показан на рисунке 1А. Узорчатую бумагу подушечка с PDMS гидрофобными барьерами был помещен на верхней части чувствительной области от IrO 2 -RGO-SPE , которая расположена…

Discussion

Настройка устройства

Датчик рН работает путем измерения OCP между электродами рабочей и обращение, поскольку оно изменяется пропорционально отрицательный логарифм концентрации H +. Измерения могут быть достигнуты как с помощью лабораторной основе потенц…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была поддержана грантом от оборудования и политики (WEP) NSF Промышленность / университет Cooperative Research Center (I / UCRC) Вода. Авторы также благодарны Hjalmar Д. и Джанет В. Bruhn Объединении и Луи и Эльза Томсен Висконсин Отличаясь Graduate Fellowship предоставленного JY в 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

  1. Greenblatt, M., Shuk, P. Solid-state humidity sensors. Solid State Ionics. , 995-1000 (1996).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Delaney, J. L., Hogan, C. F., Tian, J., Shen, W. Electrogenerated chemiluminescence detection in paper-based microfluidic sensors. Anal. Chem. 83, 1300-1306 (2011).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Yang, J., Gunasekaran, S. Electrochemically reduced graphene oxide sheets for use in high performance supercapacitors. Carbon. 51, 36-44 (2013).
  8. Yamanaka, K. Anodically electrodeposited iridium oxide films (AEIROF) from Alkaline Solutions for Electrochromic Display Devices. Jpn. J. Appl. Phys. 28, 632-637 (1989).
  9. 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).
  10. Fog, A., Buck, R. P. Electronic semiconducting oxides as pH sensors. Sens. & Act. 5, 137-146 (1984).
  11. Bezbaruah, A. N., Zhang, T. C. Fabrication of anodically electrodeposited iridium oxide film pH microelectrodes for microenvironmental studies. Anal. Chem. 74, 5726-5733 (2002).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).

Play Video

Cite This Article
Yang, J., Kwak, T., Zhang, X., McClain, R., Chang, W., Gunasekaran, S. Iridium Oxide-reduced Graphene Oxide Nanohybrid Thin Film Modified Screen-printed Electrodes as Disposable Electrochemical Paper Microfluidic pH Sensors. J. Vis. Exp. (117), e53339, doi:10.3791/53339 (2016).

View Video