Изготовление Nafion покрытием, снижение графена оксид/полианилин Chemiresistive датчик pH монитора в реальном времени во время микробной ферментации

Здесь мы приводим протокол для изготовления Nafion покрытием, полианилин функционализированных, электрохимически снижение графена оксид chemiresistive микро рН датчика. Этот датчик на основе chemiresistor, твердотельный микро рН может обнаружить изменения рН в реальном времени во время процесса ферментации Lactococcus lactis .

Здесь мы приводим инженерных твердотельный микро рН датчик на основе графена полианилин функционализированных, электрохимически снижается оксида (ERGO-PA). Электрохимически снижение графена оксид действует как проведение слоя и полианилин действует как уровень pH фактора. PH-зависит от проводимости полианилин происходит путем давать допинг отверстий во время протонирование и dedoping отверстия во время deprotonation. Мы обнаружили, что ERGO-PA твердого электрода не функциональные как таковой в процессах ферментации. Электрохимически активных видов, которые бактерии производить во время процесса ферментации вмешиваться с ответом электрода. Мы успешно применяется Nafion как Протон проведение слой над ERGO-PA. Электроды с покрытием Nafion (ERGO-PA-NA) показывают хорошую чувствительность 1.71 Ω/pH (pH 4-9) для chemiresistive датчика измерения. Мы протестировали ERGO-PA-NA электрод в режиме реального времени в процессе брожения Lactococcus lactis. Во время роста л lactis, рН среды изменено с рН 7,2 рН 4.8 и сопротивление ERGO-PA-NA твердого электрода изменен с 294.5 Ω на 288.6 Ω (5.9 Ω на 2.4 единицу рН). Реакции рН электрода ERGO-PA-NA, по сравнению с ответом обычных на стеклянной основе рН электрода показывает, что ссылки менее твердотельных микропроцессоров массивы успешно функционировать в микробиологические ферментации.

рН играет жизненно важную роль во многих химических и биологических процессах. Даже небольшие изменения в значение пэ-аша изменить этот процесс и отрицательно повлиять на исход этого процесса. Следовательно необходимо отслеживать и контролировать значения pH во время каждой стадии экспериментов. На стеклянной основе рН электрод успешно используется для мониторинга рН во многих химических и биологических процессах, хотя использование Стеклянный электрод создает несколько ограничений для измерения рН. На стеклянной основе рН электрод является относительно большой, хрупкая, и возможны небольшие утечки электролита в выборку. Кроме того, электрод и электроники являются относительно дорогими для приложений в 96-луночных Скрининг систем ферментации. Кроме того электрохимические датчики являются инвазивными и потребляют образца. Следовательно это более выгодно использовать неинвазивный, ссылка менее датчики.

В настоящее время миниатюрных реакции систем являются предпочтительными во многих химической инженерии и биотехнологии, как эти microsystems обеспечивают укрепление процесса управления, вместе с много других преимуществ над их макрос аналогов системы. Для мониторинга и контроля параметров в миниатюрных система является сложной задачей, как размеры датчика для измерения, например, pH и O₂, необходимо также быть сведены к минимуму. Успешное производство микрореакторы для биологических систем требуют различных видов аналитических инструментов для мониторинга процесса. Таким образом развитие интеллектуальных микросенсоров играет значительную роль в проведении биологических процессов в микрореакторы.

Недавно было несколько попыток разработать умный рН датчиков с помощью chemiresistive зондирования материалы как углеродные нанотрубки и проведение полимеров¹. Эти датчики chemiresistive требуют не электрод сравнения и легко интегрируется с электронных схем. Успешное chemiresistive датчики позволяют производить смарт-датчики, которые являются экономически эффективным и легко производить, требуют небольшой объем для тестирования и неинвазивные.

Здесь мы приводим метод для разработки электрода с полианилин функционализированных, электрохимически снижается графена оксид. Электрод chemiresistive действует как датчик pH во время брожения lactis л . L. lactis является бактерия производства молочной кислоты используются в консервант процессах пищевой и продовольственной ферментации. В процессе брожения производства молочной кислоты снижает рН и бактерии перестает расти на низкий рН^2,3,4.

Средство ферментации является сложной химической среду, которая содержит пептиды, солей и redox молекулы, которые склонны вмешиваться с датчика поверхности^5,6,,78,9. Это исследование показывает, что рН датчик на основе chemiresistive материала с надлежащей защиты поверхности слой может использоваться для измерения pH в такого рода сложных ферментации СМИ. В этом исследовании, мы успешно используем Nafion как защитный слой оксида полианилин покрытием, электрохимически снижается графена для измерения pH в реальном времени во время брожения lactis л .

1. Подготовка оксида графита

Примечание: Оксида графита готовится согласно Хаммеры метод^10,11.

1. Добавьте 3 g графита в 69 мл концентрированной H₂₄ и перемешать раствор до графит полностью рассеяны. Добавить 1,5 г натрия нитрита и оставить на 1 час при помешивании. Затем поместите контейнер в ледяной бане.
2. Добавить 9 g перманганата калия в дисперсии и удалить контейнер из ледяной бане. Дайте раствору для разогрева до комнатной температуры.
3. Во-первых каплям добавьте 138 мл дистиллированной воды. Затем по-прежнему добавлять 420 мл дистиллированной воды. Поддержание температуры на 90 ° C в течение 15 мин, с использованием плитой. Добавьте 7,5 мл 30% перекиси водорода в дисперсии.
4. Соберите продукт центрифугированием на 10000 x g 20 мин и надосадочную. Помыть лепешка 4 x с теплой двойной дистиллированной водой и 2 x 10% раствором HCl (v/v). Наконец, мыть его 2 x с этанолом и высушить при 50 ° C в духовке.

2. хранение GO электрода подготовка

1. Разогнать 10 мг оксида графита в 10 мл воды и затем sonicate в ультразвуковой ванне на 6 ч.
2. Удалить хлопья оксид unexfoliated графит центрифугированием на 30 мин в 2700 x g. выброса твердых частиц после центрифугирования и использовать супернатант для дальнейших экспериментов.
   Примечание: Мы использовали этот вспученного дисперсии хлопья GO как Стоковый раствор.
3. Разбавьте GO Стоковый раствор два раза. Всегда готовить свежий раствор рабочих перейти от Стоковый раствор.
4. 2 мкл рабочего раствора идти на вершине подвергаются штыревой золото электрода (рис. 1A и 2). После падения литья сухие электрода при комнатной температуре в течение 12 ч. Это GO-хранение электрода.

3. сокращение GO электрохимически снижение графена оксид

1. Вставьте электрода в держатель электрода полидиметилсилоксан (PDMS) (Нижняя часть). Место в другой части держателя электрода, который служит решение водохранилище, на вершине электрода, как показано в рисунке 1A - 1 C. Соберите держатели, отсечения две части вместе, используя две скрепки. Убедитесь, что держатель PDMS не покрывать часть GO-хранение электрода.
2. Накапайте 300 мкл 0,2 М фосфатного буфера (рН 7) в резервуаре. Затем место ссылки и Счетчик электрода в решении таким образом, что электроды расположены близко к поверхности по ходу фильма, как показано на рисунке 1 c. Эта настройка служит электрохимической ячейки для выполнения электрохимических сокращения GO и полианилин осаждения.
3. Подключите электроды с потенцио, подключенного к компьютеру для сбора данных. Используйте циклической вольтамперометрии для электрохимических сокращения: выберите 0 -1,2 V как потенциальный диапазон и 50 м/с, а скорость сканирования. Цикл над электродом напряжения от 0 до -1,2 V 10 x (рис. 3).
4. После эксперимента извлеките из держателя электрода и неоднократно промойте его с двойной дистиллированной водой. Затем сухие электрод в духовке на 101 ° C в течение 12 ч.
5. Когда электрод является сухой, удалить электрода из духовки и дайте ему остыть до комнатной температуры. Затем измеряют проводимость электрода с мультиметром. Электрод теперь называется электрохимически снижение графена оксид (ERGO) электрода.

4. полианилин функционализация Эрго электрод

1. Подготовиться полианилин функционализации анилин мономера 10 мм. Таким образом растворяют 5 мкл 10 мм анилина в 5 мл 1 М H₂₄.
2. Для полианилин функционализации добавьте 300 мкл анилин мономера в водохранилище решения. Место электрода на хранение ERGO в держатель электрода, как описано в процедуре сокращения GO.
3. Использовать циклической вольтамперометрии для electropolymerization анилина functionalize ERGO в ERGA-полианилин (ERGO-PA): выберите 0-0,9 V как потенциальный диапазон и 50 м/с, а скорость сканирования. Цикл над электродом напряжения между 0 до 0,9 V 50 x (рис. 4).
4. После осаждения полианилин удалите электрода и неоднократно промойте его с двойной дистиллированной водой. Затем сухие электрода при 80 ° C в духовке в течение 12 ч.
5. Удалить электрода из духовки и дайте ему остыть до комнатной температуры перед началом измерения проводимости электрода с мультиметром.
6. Подготовьте буферный раствор рН 5 путем добавления 0,2 М NaOH Бриттон-Робинсон буферного раствора до рН 5 (см. шаг 5.1). Держите электрод в буфере при рН 5 за 24 ч.
   1. Подготовить Бриттон-Робинсон универсальный буферный раствор, смесь 0,04 мол фосфорной кислоты, 0,04 мол уксусной кислоты и 0,04 mol борной кислоты в 0,8 Л ультрачистая вода. Добавление гидроксида натрия 0,2 М каплям буферного раствора до достижения желаемого pH⁴. Добавление ультрачистая вода до тех пор, пока окончательный объем составляет 1 л.

5. ERGO-PA электрода тестирование на различных рН (Предсессионная калибровки до Nafion покрытие)

1. После кондиционирования электрод в буферный раствор рН 5, измерить сопротивление электродов в решениях различных рН (от pH 4 до pH 9; см. Рисунок 5).
   1. Для этого измерения окунуть электрода непосредственно в буферный раствор и соедините с другой частью электрода потенцио управляемая компьютером для получения данных. Измените рН титрования с 0,2 М NaOH.
   2. Выберите хронопотенциометрии или amperometry i-t кривой из списка методов и применять 100 mV разность к электроду.
      Примечание: Потенцио измеряет ток против времени. Программное обеспечение, управление потенцио обеспечивает графическое представление текущего времени.
   3. Использовать закон Ома (сопротивление равно напряжения, разделенных тока) для вычисления значения сопротивления от измеренного напряжения текущих и прикладной.
2. После измерения сухие электрода при комнатной температуре в течение 12 ч.

6. Подготовка электрода с покрытием Nafion Эрго PA

1. 5 мкл 5 wt % Nafion поверх ERGO-PA электрода и сухой электрода при комнатной температуре в течение 12 ч.
2. После покрытия Nafion, держите электрод в буферном растворе при рН 5 за 24 ч до рН измерения.
3. После выдерживания в рН 5, удалите Nafion покрытием ERGO-PA электрода (ERGO-PA-NA) и измерить сопротивление электродов от рН 4 до pH 9, как указано в разделе 5.1 (рис. 6).

7. Подготовка л lactis питательной среды

1. Добавление 9.3 g порошка M17 в 250 мл сверхчистой воды. Медленно агитируйте решения до тех пор, пока порошок растворяется полностью. Автоклав раствор при температуре 121 ° C 15 мин.
2. Возьмите 250 мл стерилизованные колбу с баром магнитной мешалкой и добавить 50 мл стерилизовать среды M17 в колбу. Затем добавьте 8 мл раствора глюкозы газобетона 1 М. Прививать решение с 10 мкл л lactis культуры, ранее выращенных в той же среде культуры.
   Примечание: Бактериальный штамм был получен от Jan Кок, молекулярной генетики, Университет Гронингена.
3. Поместите колбу с привитых питательной среды для 18 h на магнитной мешалкой пластину в духовке инкубации при 30 ° C во время перемешивания и контролировать pH.

8. Тестирование ERGO-PA-NA рН ответ в эксперименте ферментации lactis л

1. Место ERGO-PA-NA электрода в л lactis культуру и закрыть его с вилкой хлопка. Затем место установки в термостат при 30 ° C расти lactis л.
2. Применить 100 mV электродов и измерения тока против времени.
3. Возьмите 0.5 мл пробы в разное время точках (см., например, рис. 7) off-line измерения оптической плотности на 600 Нм и с обычными Стеклянный электрод pH. Продолжайте измерения оптической плотности культуры становится постоянной, указав, что бактерии не растут больше.

Появление сильного сокращения пик -1,0 V (рис. 3) иллюстрирует сокращение GO до ERGO^12,13,14,22. Интенсивность пика зависит от количества слоев идти на электроде. Толстый черный фильм полностью покрыт Золотой провода на электроде. В тот момент две изолированные Золотые электроды были проводящего, потому что идти подключены два провода золото электрода. Electropolymerization анилина на хранение зеленый фильм ERGO^{15,16,,1718,19,20,21, 22}. Этот зеленый цвет является признаком формирования полианилин проводящего слоя на ERGO. Проводимость ERGO электрода (уменьшение сопротивления) увеличилось после полианилин функционализации.

Когда мы ставим ERGO-PA электрода в раствор с рН от 4 до 9, текущее значение увеличивается (рис. 5) из-за допинга и dedoping отверстий во время процесса протонирование/deprotonation в ERGO-PA (рис. 2)²². Желаемого рН для измерения текущего значения ERGO-PA электрода был получен путем титрования Бриттон-Робинсон буферного раствора с 0,2 М NaOH. Следовательно для каждого добавления 0,2 М NaOH, текущее значение электрода увеличить (Рисунок 5 и Рисунок 6). Ответ электрода был сразу же стабильной, когда добавлением 0,2 М NaOH остановились на конкретной рН.

Тонкая пленка Протон кондуктивный Nafion сформированы после того, как растворитель испаряется при комнатной температуре. Проводимость электрода не было пострадавших много, но несколько ом разница в значении сопротивления произошла и изменен базовый текущее значение ERGO-PA электрода. Подобно к электроду ERGO-PA, сопротивления электрода ERGO-PA-NA, меняется при рН буферного раствора от 4 до 9, как показано на рисунке 6¹⁸.

После размещения ERGO-PA-NA электрода внутри культура л lactis , текущий первоначально снизилась и затем взял некоторое время, чтобы достичь стабильного значения. После роста л lactis начал, ток ERGO-PA-NA постепенно снижалась. Снижение текущих ускорились в экспоненциальной фазе роста lactis л и достиг стабильной значение в конце роста (рис. 7)¹⁸. Окончательное значение текущей (или сопротивления) сопоставим с текущим значением ERGO-PA-NA электрода, протестированы в буферный раствор (pH 4-7), как показано на врезные Рисунок 7.

Рисунок 1: изображения (слева) нижней и верхней части (справа) держателя электрода PDMS. (A собрал клетки (B) и (C) Счетчик электрода. (D штыревой золото электрод с линейки шкалы в сантиметрах. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 2: схема ERGO-PA-хранение штыревой золото электрода с графическим представлением ERGO и формирования ПА. На рисунке отверстие легирования на ERGO-PA во время протонирование. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 3: циклической вольтамперометрии GO сокращения с различной концентрации идти со скоростью сканирования 50 МВ/s. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 4: циклической вольтамперометрии полианилин осаждения со скоростью сканирования 50 МВ/s. Отображаются первые 10 сканы из в общей сложности 50. Вертикальная стрелка отмечает тенденцию нарастание во время сканирования, и горизонтальными стрелками Марк направление сканирования напряжения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 5: значение сопротивления электрода ERGO-PA против рН 4-9. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 6: значение сопротивления электрода ERGO-PA-NA против рН 4-9. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Рисунок 7: изменение реального времени непрерывного рН ERGO-PA-NA во время брожения lactis л . Врезные показывает значение ожидаемого сопротивления ERGO-PA-NA для рН измеряется в Бриттон-Робинсон буферного раствора 4-7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Важно, что идти полностью слои покрытия золото электродами провода после осаждения GO. Если Золотые электроды покрыты не идти, полианилин будет не только депозит на ERGO, но также на видимых золотых электродов провода непосредственно. Осаждения полианилин на золото электродами провода могут иметь последствия для производительности электрода. После сокращения пойти ERGO электрод сушится при 100 ° C укрепить связь между слоем ERGO и золото электродами провода. Сопротивление каждого электрода зависит количество слоев GO, которые осаждаются на Золотые электроды. Таким образом важно иметь такой же концентрации GO для каждого электрода, и это трудно для изготовления электрода с сопротивлением в заранее заданном диапазоне, который совместим с измерительной цепи. Это ограничивает легко массового производства электродов.

Подготовка снижение графена оксид/полианилин электрохимическим методом имеет ряд преимуществ перед другими методами сообщил подготовки. Электрохимический метод, представленные здесь не требуют сильного сокращения и окисляющих агентов (например., гидразин и Аммония пероксодисульфат)^23,26. Кроме того материал наносится непосредственно на электроде и дальнейшей обработки не требуется, что делает процесс изготовления быстрее и проще. Как GO электрохимически снижение в situ, достигается хорошее соединение между золотом и графен, делая рН электрод более надежной.

Equilibrating ERGO-PA электрод в буфер с рН между 3 и 9 перед применением Nafion улучшена чувствительность электрода (данные не показаны). Опуская этот шаг требует замачивания ERGO-PA-NA электрода в буфер рН 5 для более чем 24 часа перед использованием.

Кроме того перед применением Nafion ERGO-PA электрода должен быть сухим. Мокрый электрода ERGO-PA привела к водный слой между ERGO-PA и Nafion и увеличить время отклика датчика рН. Сопротивления или измерений тока ERGO-PA-NA в растворах с различных рН варьируется между электродами. Этот вариант в сопротивление или тока для каждого электрода скорее всего, вызванные разницей в количество слоев идти на хранение золото электродами провода. Так же, как и другие электроды, правильной калибровки ERGO-PA-NA электрода необходима для получения надежных рН.

После размещения электродов внутри культура л lactis , время первоначальной стабилизации необходимо получить постоянный ток. Начальное значение pH в л lactis ферментации, 7.2. Во время роста л lactisглюкоза преобразуется в биомассу и в молочную кислоту, что подкисляет брожения жидкость. Рост останавливается, когда рН среды брожение становится слишком низким для поддержки надлежащего роста или когда существует без глюкозы слева. Ток (или сопротивления) значение ERGO-PA-NA до и после роста равны значению тока (или сопротивления) ERGO-PA-NA ранее откалиброван в различных буферных растворов. Первоначального рН и конец рН среды ферментации л lactis было подтверждено с помощью обычного стекла рН электрода.

Датчик pH могут быть легко изготовлены собственными силами с использованием дешевых химических веществ. Низкие производственные затраты позволяют исследователям использовать этот электрод в приложениях были большое количество электродов pH являются необходимыми (например, в платформе скрининг бактериальной ферментации). Еще одно применение рН электрод предполагается в ситуациях, где диффузии KCl из обычного стекла рН электрода в раствор измерения не хотели. РН электроды этот протокол имеет не внутренних жидкостей, которые могут диффундировать в образце.

Совместимость chemiresistive датчика с^1,в настоящее время доступных беспроводных электронных схем²⁷ делает возможным легко разрабатывать приложения с помощью РН беспроводных датчиков.

Авторы не имеют ничего сообщать.

Авторы признают Университет Гронингена для финансовой поддержки.