Graphene on fiber optics for electrochemical detection of nitrites: towards Lab-on-Fiber monitoring in aquaculture

Abstract

Monitoring multiple water quality parameters, such as nitrites (NO⁻₂) concentration, is vital to provide well-being and growth in fish. Optical fibers show great potential in aquaculture, due to the possibility of multiplexing sensor elements along the fiber, enabling multi-parametric in-situ measurements. On the other hand, electrochemical sensors are equally interesting in this context due to their low-cost and high sensitivity in the detection of various biochemical parameters, such as organic or inorganic contaminants, and even pathogens. The combination of electrochemical with optical detection can be extremely useful towards the development of lab-on-fiber concepts miniaturized for a wide monitoring of the water quality. This way, the goal of the present work consisted in developing and testing electrochemical sensors, based on laser-induced graphene (LIG) electrodes directly scribed on optical fibers. The sensors were applied for the detection of nitrites in concentrations relevant to aquaculture. First, the production of LIG was studied by photothermally converting polyimide with laser irradiating powers of 2.5 W and 4 W. In addition, two types of geometries were tried, one where LIG was produced in all the 360◦ of the fiber, and other where LIG was produced with only one laser passage. The sensors were coated with gold nanoparticles (AuNPs), by dropcasting technique, in order to enhance the sensitivity to nitrites. Through SEM and Raman analysis, 2.5 W produced LIG appears to be near the LIG formation threshold, presenting a heterogeneous morphology. In contrast, 4 W LIG presents a homogeneous and porous morphology, whose influence on its electrochemical response was evident in cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) characterizations. Specifically, EIS studies clearly demonstrated the impact of LIG’s porosity in its electrochemical response, making it necessary to use equivalent transmission line models, which consider porosity effects, in order to correctly model the impedimetric response of LIG produced at 4 W. The 3D porous structure of LIG produced at 4 W increases significantly the effective biodetection area, resulting in superior performance when detecting nitrites, compared to LIG produced at 2.5 W. Detection tests were performed in PBS for different concentrations of NO⁻₂ with differential pulse voltammetry (DPV) technique, and it was found that 4 W LIGs of one passage with AuNPs present a measured LOD, of 20 μM, a linear range of 20-200 μM and sensitivity of (1.93 ± 0.13) nA/μM. The sensor was calibrated from 6.6-8 pH and the current response remains similar, with sensitivities between 1.88 nA/μM and 1.77 nA/μM, slightly decreasing with pH. The LIG sensors were tested in real aquaculture water samples, before and after entering RAS (pH 7.6 and 7.0), and showed similar responses to those of PBS, with sensitivities of (1.86 ± 0.09) nA/μM and (1.71 ± 0.07) nA/μM, respectively, also reporting a linear range of 20-200 μM, which covers the relevant concentrations in aquaculture, and a measured LOD of 20 μM which is lower than the threshold concentration considered toxic for fish (43 μM). The produced LIG sensor was tested together with an optical pH sensor in optical fiber, as proof-of-concept of a hybrid platform.

A monitorização de m´múltiplos parâmetros de qualidade da água, tais como a concentração de nitritos (NO⁻₂ ), é fundamental para proporcionar bem-estar e crescimento dos peixes. As fibras óticas mostram grande potencial em aquacultura, devido à possibilidade de multiplexação de sensores ao longo da fibra, permitindo medições multiparamétricas in-situ. Por outro lado, sensores eletroquímicos são igualmente interessantes neste contexto devido ao seu baixo custo e elevada sensibilidade para deteção de diversos parâmetros bioquímicos, tais como contaminantes orgânicos, inorgânicos e até agentes patogénicos. A combinação de deteção ótica e eletroquímica pode ser muito útil com vista ao desenvolvimento de conceitos de laboratórios em fibra (lab-on-fiber ) miniaturizados para uma ampla monitorização da qualidade da água. Desta forma, o objetivo do presente trabalho consistiu em desenvolver e testar sensores eletroquímicos à base de elétrodos de grafeno induzido por laser (LIG) diretamente inscritos em fibras óticas. Os sensores foram aplicados na deteção de nitritos em concentrações relevantes para a aquacultura. Primeiramente, a produção de LIG foi estudada através da conversão fototérmica da poliimida com potências de laser de 2.5 W e 4 W. Além disso, foram testados dois tipos de geometrias, um onde LIG foi produzido em todos os 360◦ da fibra, e outro onde LIG foi produzido com apenas uma passagem do laser. Os sensores foram revestidos com nanopartículas de ouro (AuNPs), pela técnica de dropcasting, a fim de aumentar a sensibilidade aos nitritos. Através da análise SEM e Raman, LIG produzido a 2.5 W parece ser próximo do limiar de formação de LIG, apresentando uma morfologia heterogénea. Em contraste, 4 W LIG apresenta uma morfologia homogénea e porosa, cuja influência na sua resposta eletroquímica foi evidente nas caracterizações de voltametria cíclica (CV) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS). Em particular, estudos de EIS demonstraram claramente o impacto da porosidade do LIG na sua resposta eletroquímica, sendo necessário o uso de modelos equivalentes de linha de transmissão, que consideram efeitos de porosidade, para modelar corretamente a resposta impedimétrica do LIG produzido a 4 W. A estrutura 3D porosa do LIG produzido a 4 W aumenta significativamente a área efetiva de biodete，c˜ao, resultando num desempenho superior na deteção de nitritos comparado com o LIG produzido a 2.5 W. Foram realizados testes de deteção em PBS para diferentes concentrações de NO⁻₂ com técnica de voltametria de pulso diferencial (DPV), e verificou-se que 4 W LIGs de uma passagem com AuNPs apresentam um LOD medido de 20 μM, um intervalo linear de 20-200 μM e uma sensibilidade de (1.93 ± 0.13) nA/μM. O sensor foi calibrado de 6.6-8 pH e a resposta de corrente elétrica permanece semelhante, com sensibilidades entre 1.88 nA/μM e 1.77 nA/μM, diminuindo ligeiramente com o pH. Os sensores LIG foram testados em amostras reais de água de aquacultura, antes e depois de entrar no RAS (pH = 7.6 e 7.0) e mostraram respostas semelhantes às obtidas em PBS, reportando sensibilidades de (1.86 ± 0.09) nA/μM e (1.71 ± 0.07) nA/μM, respetivamente, um intervalo linear de 20-200 μM, que inclui as concentrações relevantes em aquacultura, e um LOD medido de 20 μM que é inferior à concentração limite considerada tóxica para os peixes (43 μM). O sensor produzido foi testado em conjunto com um sensor ótico de pH em fibra ótica, como prova de conceito de uma plataforma híbrida.