Summary
우리는 저분자량 분석물을 감지하는 데 사용되는 금 미세 전극의 표면에 얇은 층을 만들기 위해 폴리 (3,4- 에틸렌 디옥시 티오펜)의 전기 중합을위한 수성 및 유기 용매 시스템을 설명합니다.
Abstract
금 전극 상에서 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)을 합성하기 위한 두 가지 상이한 방법이 설명되며, 수용액 및 유기 용액 중에서 3,4-에틸렌디옥시티오펜(EDOT) 단량체의 전기중합을 사용한다. 순환전압전류법(CV)은 PEDOT 박층의 합성에 사용되었다. 과염소산리튬(LiClO4)은 수성(수성/아세토니트릴(ACN)) 및 유기(프로필렌 카보네이트(PC)) 용매 시스템 모두에서 도펀트로 사용되었다. PEDOT 층이 유기 시스템에서 생성된 후, 전극 표면은 수성 샘플에 대한 센서로서 사용하기 위해 수용액 중에서 연속적인 사이클링에 의해 순응되었다.
수성계 전기중합 방법의 사용은 더 짧은 센서 준비 시간을 갖도록 순응 단계를 제거하는 잠재적 이점을 갖는다. 수성 방법이 유기 용매 방법보다 더 경제적이고 환경 친화적이지만, 유기 용액에서 우수한 PEDOT 형성이 얻어진다. 생성된 PEDOT 전극 표면은 유기 PC 용액으로부터 전기 중합 동안 PEDOT의 일정한 성장을 보였으며, 금(Au) 미세전극 상에서 빠른 프랙탈형 성장과 함께 주사 전자 현미경(SEM)을 특징으로 하였다.
Introduction
전기 전도성 폴리머는 인터페이스를 개선하기 위해 생체 전자 장치에 널리 사용되는 유기 재료입니다. 기존의 중합체와 유사하게, 전도성 중합체는 합성하기쉽고 가공 1 동안 유연하다. 전도성 중합체는 화학적 및 전기화학적 방법을 사용하여 합성될 수 있다; 그러나, 전기화학적 합성 접근법은 특히 유리하다. 이것은 주로 박막을 형성하고, 동시 도핑을 허용하고, 전도성 폴리머에서 분자를 포획하고, 가장 중요한 것은 합성 공정1의 단순성 때문입니다. 또한, 전도성 폴리머는 균일하고 섬유질이며 울퉁불퉁 한 나노 구조를 형성하여 전극 표면에 단단히 부착되어 전극2의 활성 표면적을 증가시킵니다.
1980년대에는 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리티오펜 및 PEDOT와 같은 특정 폴리헤테로사이클이 개발되어 우수한 전도성, 합성 용이성 및 안정성 3,4를 보였다. 폴리피롤이 다른 중합체 (예를 들어, 폴리티오펜 유도체)보다 더 잘 이해되지만, 비가역적 산화5에 걸리기 쉽다. 따라서, PEDOT는 훨씬 더 안정한 산화 상태를 가지며 유사한 조건6에서 폴리피롤에 비해 전도성의 89%를 보유하기 때문에 나머지에 비해 특정 이점을 갖는다. 또한, PEDOT는 높은 전기 전도도 (~ 500 S / cm)와 적당한 밴드 갭 (즉, 밴드 갭 또는 에너지 갭은 전하가없는 영역이며 원자가 밴드의 상단과 전도대의 하단 사이의 에너지 차이를 나타냄)7.
또한, PEDOT는 전기화학적 성질을 가지며, 산화되기 위해 더 낮은 전위를 필요로 하며, 합성된 후 폴리피롤보다 시간이 지남에 따라 더 안정적이다7. 또한 광학 투명성이 우수하여 광학 흡수 계수, 특히 PEDOT-폴리스티렌 설포네이트 (PEDOT-PSS)의 형태로 400-700 nm에서 전자기 스펙트럼의 가시 영역에 있음을 의미합니다7. 전기화학적으로 PEDOT를 형성할 때, EDOT 단량체는 작동 전극에서 산화되어 라디칼 양이온을 형성하고, 이는 다른 라디칼 양이온 또는 단량체와 반응하여 전극 표면1에 증착되는 PEDOT 사슬을 생성한다.
상이한 제어 인자들은 전해질, 전해질 타입, 전극 셋업, 증착 시간, 도펀트 타입, 및 용매 온도1과 같은 PEDOT 막의 전기화학적 형성에 관여하여 적절한 전해질 용액을 통해 전류를 통과시킴으로써 전기화학적으로 생성될 수 있다. 상이한 전해질, 예컨대 수성 (예를 들어, PEDOT-PSS), 유기 (예를 들어, PC, 아세토니트릴), 및 이온성 액체 (예를 들어, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트 (BMIMBF4))가 사용될 수 있다8.
PEDOT 코팅의 장점 중 하나는 1kHz 주파수 범위에서 Au 전극의 임피던스를 두 세 차수의 크기로 크게 감소시킬 수 있다는 것인데, 이는 신경 활동의 직접 전기화학적 검출의 감도를 증가시키는 데 도움이 된다(9). 더욱이, PEDOT 개질 전극의 전하 저장 용량은 증가하고, 자극 전하가 PEDOT(10)를 통해 전달될 때 더 빠르고 낮은 전위 반응을 초래한다. 또한, 폴리스티렌 술포네이트(PSS)가 Au 마이크로전극 어레이 상에서 PEDOT 형성을 위한 도펀트로 사용될 때, 높은 활성 표면적, 낮은 계면 임피던스 및 더 높은 전하 주입 용량(11)을 갖는 거칠고 다공성 표면을 생성한다. 전기 중합 단계의 경우, EDOT-PSS는 일반적으로 수성 전해질에 분산액을 만듭니다.
그러나, EDOT는 클로로포름, 아세톤, ACN 및 PC와 같은 다른 유기 용매에 용해된다. 따라서, 본 연구에서, 전기중합이 시작되기 전에 가용성 EDOT 용액을 만들기 위해 소량의 ACN을 10:1 비율로 혼합한 물을 사용하였다. 이러한 수성 전해질을 사용하는 목적은 PEDOT 개질 마이크로전극의 제조에서 순응 단계를 생략하고 단계를 단축시키는 것이다. 수성/ACN 전해질과 비교하는 데 사용되는 다른 유기 전해질은 PC입니다. 두 전해질 모두 EDOT 단량체를 산화시키고 PEDOT 중합체를 형성하는 것을 돕는 도펀트로 LiClO4를 함유한다.
미세전극은 거대 전극보다 직경이 작고, 치수가 약 수십 마이크로미터 이하인 전압계량 작동 전극이다. 거대 전극에 비해 이들의 장점은 용액으로부터 전극 표면으로의 향상된 질량 수송, 정상 상태 신호 생성, 더 낮은 오믹 전위 강하, 더 낮은 이중층 커패시턴스 및 증가된 신호-대-잡음비(12)를 포함한다. 모든 고체 전극과 마찬가지로, 미세전극은 분석 전에 컨디셔닝되어야 한다. 적절한 전처리 또는 활성화 기술은 매끄러운 표면을 얻기 위한 기계적 연마, 이어서 적합한 전해질(13)에서 특정 범위에 걸친 전위 사이클링과 같은 전기화학적 또는 화학적 컨디셔닝 단계를 수반한다.
CV는 적합한 용매 및 도펀트 전해질을 수반하는 단량체 용액에 전극을 삽입함으로써 PEDOT의 전기화학적 중합에 매우 일반적으로 사용된다. 이 전기 화학 기술은 폴리머 도핑 공정 수행의 가역성 및 전달 된 전자의 수, 분석물의 확산 계수 및 반응 생성물의 형성과 같은 방향 정보를 제공하는 데 유용합니다. 이 논문은 PEDOT의 전기 중합에 사용되는 두 개의 서로 다른 전해질이 형태학 및 기타 고유 특성에 의존하는 잠재적 인 감지 응용 프로그램으로 얇은 나노 구조 필름을 생성 할 수있는 방법을 설명합니다.
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Protocol
1. 분석 솔루션 준비
- 유기 용액에서 0.1 M EDOT 준비
- 0.213 g의 LiClO4를 칭량하여 20 mL 용적 플라스크로 옮긴다.
- 측정 실린더를 사용하여 병에서 20mL의 PC를 꺼냅니다.
- LiClO4를 함유하는 20 mL 용적 플라스크에 PC를 첨가한다. 플라스크를 30 분 동안 초음파 욕조에 위치시켜 용액을 혼합하십시오. 용액을 20 mL 유리 바이알로 옮긴다.
- 바이알을 알루미늄 호일로 덮고 질소 파이프에 부착 된 긴 바늘을 용액에 삽입하여 10 분 동안 탈기하십시오. 그런 다음 알루미늄 호일을 제거하고 바이알을 단단히 덮습니다.
참고: 실험 당일에 신선한 LiClO4 를 준비하십시오. - 전기화학적 시험 전에, 제조된 LiClO4 용액 1 mL(0.1 M)를 전기화학 전지로 옮긴다( 표 참조).
- 마이크로피펫(10-100 μL)을 사용하여 10.68 μL의 EDOT 단량체(밀도: 1.331 g/mL)를 제조된LiClO4 용액을 포함하는 전기화학 전지에 첨가한다.
- CV 방법(CV 파라미터에 대한 섹션 3.4 참조)을 실행하여 용액에 모든 전극 셋업을 삽입한 후 베어 Au 미세전극 표면에서 EDOT의 전기중합을 시작한다. 이 변형 전극을 사용하여 주사 전자 현미경 (SEM)으로 표면을 특성화하십시오.
- 감지 목적으로 이 개질된 전극을 사용하려면 먼저 과염소산나트륨(NaClO4) 용액에서 CV 스캔을 실행하여 그 표면을 수용액에 순응시킨다(CV 파라미터에 대해서는 섹션 3.4 참조).
- 이 유기적으로 PEDOT 변형 및 순응화 된 미세 전극 (1.1.8부터)을 사용하여 인산염 완충 용액의 CV (CV 매개 변수에 대한 섹션 3.4 참조)를 실행하여 배경 스캔으로 사용하십시오.
주: 각 단계 후에 전극을 헹구십시오. - 마지막으로, 헹굼하지 않고 완충 용액에서 전극을 꺼내 즉시 요산 용액 또는 우유 샘플에 삽입하여 CV 스캔을 실행합니다 (CV 매개 변수는 3.4 섹션 참조).
- 수용액에서 0.01 M EDOT 준비
- 마이크로 피펫을 사용하여 10.68 μL의 EDOT를 취하고 유리 바이알에 ACN 1 mL를 첨가하십시오.
- 바이알에 탈이온수 9 mL(25°C에서 18.2 MΩ/cm)를 첨가하여 0.01 M EDOT 용액 10 mL를 제조하였다.
- 제조된 EDOT 용액에 0.11 g의 LiClO4 분말을 첨가하여 0.1 M LiClO4 용액을 얻고, 부드럽게 혼합한다.
참고: 실험 당일에 전해질 용액을 새로 준비하십시오. - 준비된 용액을 전기화학 전지로 옮기고 수성/ACN 용액에 전극을 삽입한 후 CV 방법(CV 파라미터에 대해서는 섹션 3.4 참조)으로 전극 표면에서 0.01M EDOT의 전기 중합을 시작합니다.
- SEM에 의해 이러한 개질된 전극의 표면을 특성화한다.
- 0.1 M 과염소산나트륨 용액 준비
- 0.245g의 NaClO4를 칭량하여 탈이온수 20mL(25°C에서 18.2MΩ/cm)가 들어있는 유리 바이알로 옮깁니다.
- 이 용액을 사용하여 유기적으로 제조된 PEDOT 개질된 Au 미세전극의 표면을 수용액에 순응시키고 과량의 EDOT를 제거한다. 이를 위해, 전극을 헹구고 NaClO4 용액 내로 삽입하고; 그런 다음 10 사이클 동안 CV를 실행하십시오 (CV 매개 변수에 대해서는 3.4 절 참조).
- 완충용액 준비
- 계량 보트에서 13.8 g의 인산이수소나트륨(NaH2PO4. 1H2O)을 계량한다. 이를 500 mL 용적 플라스크 (즉, 필요한 최종 부피)로 옮기고 탈이온수 (25 °C에서 18.2 MΩ / cm)로 라인까지 충전하십시오.
- 분말이 물에 완전히 용해 될 때까지 플라스크를 초음파 욕조에 두어 0.2M 용액을 생성합니다.
- 새로운 칭량 보트에서 17.8g의 인산수소나트륨(Na2HPO4. 2H2O)의 무게를 측정하여 다른500mL 용적 플라스크로 옮깁니다. 이를 탈이온수로 얹어 0.2 M 용액을 얻었다. 플라스크를 초음파 욕조에 넣어 제대로 용해시킵니다.
- 인산이수소나트륨 용액 62.5mL와 인산이수소이나트륨용액 37.5mL를 측정통에 넣고 혼합물을 250mL 유리병으로 옮긴다( 물차표 참조). 이를 또 다른 100 mL의 탈이온수와 함께 올려 0.1 M의 인산염 완충용액 200 mL, pH 6.6을 얻었다. 장기간 사용하기 위해 인산염 완충액을 냉장 보관하십시오.
참고: 각 실험 전에 버퍼를 실온으로 가져오십시오.
- 표적 분석물 솔루션 준비
- 0.0084 g의 요산(UA)을 칭량 보트에서 계량하고, 이를 용적 플라스크의 50 mL 인산염 완충액(pH 6.6)에 용해시켜 1 mM UA 용액을 얻었다.
- 질소 퍼징에 의해 용액을 10분 동안 탈기시킨다.
참고: 실험 당일에 UA 솔루션을 새로 준비하는 것이 좋습니다.
- 분석을 위해 우유 샘플 준비
- 전기 분석을 위해 현지 슈퍼마켓에서 전체 우유 샘플과 다른 맛의 우유 샘플 (예 : 에스프레소 우유, 카라멜 / 화이트 초콜릿 우유 및 벨기에 초콜릿 우유)을 얻으십시오. 우유 샘플을 전처리하거나 희석하지 마십시오.
- 5 mL 마이크로 피펫을 사용하여 갓 열린 병에서 각 우유 샘플 5 mL를 취하십시오.
- 먼저, 인산염 완충액 pH 6.6의 CV를 배경 신호로 실행한다. 이어서, 5 mL 우유 샘플을 전기화학 전지에 첨가하고, 신선하고 유기적으로 만든, PEDOT-개질된 Au 미세전극 및 다른 전극을 우유 샘플 내로 삽입하고 CV를 실행한다. 수집된 데이터를 분석하는 방법에 대해서는 프로토콜의 섹션 4를 참조하십시오.
- 전극 전처리 용액 준비
- 0.2 g의 수산화나트륨(NaOH) 분말을 저울질하고 이를 50 mL 용적 플라스크로 옮겨 0.1 M 용액을 제조하였다.
- 0.1 M NaOH 용액을 사용하여 각 실행 후 미세전극 표면에 형성된 PEDOT의 잔류물을 제거하였다.
- 유리 피펫을 사용하여 98% 황산(H2SO4) 병에서27.2mL를 인출한다. 탈이온수로 반쯤 채워진 1 L 용적 플라스크에 매우 천천히 첨가하십시오.
- 플라스크를 탈이온수로 라인에 충전하여 0.5 MH2SO4용액 1 L를 제조하였다.
참고: 안전을 위해 흄 후드 아래에 H2SO4 솔루션을 준비하십시오. H2SO4 용액을 마이크로전극의 최종 전기화학적 세정 단계에서 사용한다.
2. 금 미세전극의 전처리
- Au 미세전극(직경 10 μm, 폭 3.5 mm x 길이 7 cm)을 유리 연마판(치수: 3" x 3" 사각형) 위에 놓인 알루미나 연마 패드에 연마하고, 연마 중에 원형 및 8개 형상의 손 동작으로 30초 동안 알루미나 슬러리를 사용하여 연마한다.
- Au 미세전극을 탈이온수로 헹구고, 15mL의 절대 에탄올(LR 등급)이 들어있는 유리 바이알에 넣고 2분 동안 초음파를 처리한다.
- Au 미세전극을 에탄올과 물로 헹구고 탈이온수에서 4분 동안 다시 초음파를 처리하여 전극 표면에서 과량의 알루미나를 제거한다.
- 마지막으로,0.4V ~ 1.6V 전위(Ag/AgCl 대비) 사이의 20개 세그먼트에 대해 0.5mV/s 스캔 속도로 순환하여 추가 불순물을 제거합니다. 전극이 H2SO4에서 세척될 때마다 일관된 양극 및 음극 전위에서 금 산화물의 형성 및 감소로 인해두개의 명확한 피크가 있는지 확인하십시오.
3. 순환 전압법
- 적합한 포텐티오스탯을 사용하여 CV를 관심있는 전기화학적 기술로서 실행한다.
- 포텐시오스타트와 연결된 컴퓨터를 켭니다. 시스템이 연결되어 있는지 확인합니다.
- 컴퓨터와 계측기 간의 통신을 테스트하려면 소프트웨어를 시작하고 계측기를 켭니다. 설치 메뉴의 하드웨어 테스트 명령을 사용합니다. 링크 실패 오류가 나타나면 연결 및 포트 설정을 확인하십시오.
- 컴퓨터에서 전위차체 소프트웨어를 열고 설정 메뉴에서 기술을 선택합니다. 시작 창에서 순환 전압전류법 (CV)을 선택합니다. 다시 설정 메뉴로 돌아가서 매개 변수를 클릭하여 CV 실행에 대한 실험 매개 변수를 입력하십시오.
- 다음 CV 파라미터를 사용하여 베어 Au 미세전극의 유기 전해질에서 PEDOT 전기중합을 실행하십시오: 초기 전위: -0.3V, 최종 전위: -0.3V, 고전위: 1.2V, 세그먼트 수: 8, 스캔 속도: 100mV/s, 방향: 양수.
- 다음 CV 파라미터를 사용하여 베어 Au 미세전극의 수성/ACN 전해질에서 PEDOT 전기중합을 실행하십시오: 초기 전위: -0.3V, 최종 전위: -0.3V, 고전위: 1.2V, 세그먼트 수: 20, 스캔 속도: 100mV/s, 방향: 양수.
- 다음 CV 파라미터를 사용하여 유기적으로 제조된 PEDOT 개질된 Au 미세전극의 순응화 단계를 실행한다: 초기 전위: -0.2 V, 최종 전위: -0.2 V, 고 전위: 0.8 V, 세그먼트 수: 20, 스캔 속도: 100 mV/s, 방향: 양수.
- 베어 Au 미세전극이 있는 UA 표준 용액 및 인산염 완충액(pH 6.6)에 대해 다음 CV 파라미터를 사용하십시오: 초기 전위: 0V, 최종 전위: 0V, 고전위: 1V, 세그먼트 수: 2, 스캔 속도: 100mV/s 및 방향: 양수.
- 유기적으로 만들어진 PEDOT 개질된 Au 미세전극의 UA 표준 용액 및 인산염 완충액(pH 6.6)에 대해 다음 CV 파라미터를 사용하십시오: 초기 전위: 0V, 최종 전위: 0V, 높은 전위: 0.6V, 세그먼트 수: 2, 스캔 속도: 100mV/s, 방향: 양수.
- 유기적으로 만들어진 PEDOT 개질된 Au 미세전극의 우유 샘플 및 인산염 완충액(pH 6.6)에 대해 다음 CV 파라미터를 사용하십시오: 초기 전위: 0V, 최종 전위: 0V, 고전위: 0.8V, 세그먼트 수: 2, 스캔 속도: 100mV/s, 방향: 양수.
- 유리 전기화학 전지에서 작동 전극(Au 미세전극(직경 10μm)), 기준 전극(예: 3M 염화나트륨(NaCl)의 은/염화은(Ag/AgCl) 및 백금 와이어 상대전극을 포함한 세 가지 전극 설정을 준비합니다.
- 이 깨끗하고 건조 된 전극을 스탠드에 부착 된 전극 홀더의 구멍을 통해 통과시킵니다. 그런 다음, 전기화학 전지 위에 홀더를 놓고 전극을 표적 용액 또는 샘플에 삽입한다.
- 전극 표면에 기포가 없는지 확인하십시오.
- 거품이있는 경우 전극을 제거하고 탈이온수로 다시 헹구고 조직으로 두드려 말립니다. 전극을 스탠드 홀더와 용액에 다시 넣으십시오.
- 기준 전극 주위에 거품이 있으면 팁을 부드럽게 누릅니다.
- 작동이 시작된 후 상대 전극 주위에 거품이 있으면 상대 전극을 청소하십시오. CV 스캔이 시끄러워지면 전극 표면을 청소하고 시스템 연결, 전선 및 클립을 확인하십시오.
- 참조, 작동 및 상대 전극에 대한 세 개의 와이어 연결이 모두 올바르게 연결되어 있는지 확인한 다음 하단의 실행 을 클릭하여 실험을 시작하십시오.
- 모든 실험을 실온에서 실행하십시오. 우유 샘플의 경우 CV를 실행하기 전에 우유 샘플의 온도가 주변 온도에 도달하도록하십시오.
4. 데이터 수집 및 분석
- CV를 실행 한 후 폴더에 원하는 형식 (CSV 또는 Bin)으로 데이터를 저장 한 다음 USB 메모리 스틱을 사용하여 데이터를 수집하십시오. 적절한 소프트웨어를 사용하여 데이터를 분석합니다. 더 쉽게 분석할 수 있도록 CSV 파일을 스프레드시트로 변환합니다.
참고: 데이터가 이진 파일 형식으로 저장되는 경우 USB 메모리 스틱에서 데이터를 수집하기 전에 텍스트 쉼표 형식으로 변환하십시오. - 우유 샘플의 CV를 분석하려면 배경 CV (즉, 각 우유 샘플을 실행하기 전에 취한 인산염 완충액 (pH 6.6)의 CV)에서 우유의 CV를 빼서 우유 프로파일 산화로 인한 곡선을 생성합니다.
5. PEDOT를 특성화하는 기술
- 특정 유형의 고성능 SEM을 사용하여 다른 전해질로 만들어진 PEDOT 층을 특성화하십시오.
참고: 여기서, FEI 퀀타 200 ESEM FEG가 사용되었다; 더 나은 공간 분해능을 위해 쇼트키 전계 방출 건(FEG)이 장착되어 있습니다. 이 계측기는 고진공, 저진공 및 환경 SEM 모드와 같은 다양한 작동 모드를 제공하며 SiLi (리튬 드리프트) 슈퍼 초박형 윈도우 EDS 검출기가 장착되어 있습니다. - 유기 및 수용액에서 PEDOT 전기중합 후 SEM에 의해 베어 및 PEDOT 개질된 Au(PEDOT-Au) 마이크로전극 모두의 표면 모폴로지를 확인한다. SEM으로 검사하기 직전에 수성/ACN 및 유기 용액의 베어 Au 미세전극에서 PEDOT 전기 중합을 수행하십시오.
- 갓 준비된 전극 (베어 Au 미세 전극과 PEDOT-Au 미세 전극 중 두 개)을 SEM 스테이지에 수평으로 놓고 머리를 특정 각도로 스테이지 위에 놓습니다.
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Representative Results
순환 전압전류법은 Au 미세전극 표면에 얇은 PEDOT 층을 형성하여 표적 분석물의 전기화학적 감지 시 전극 전도도 및 감도를 증가시키는 쉬운 기술이다. 이 프로토콜은 수성 전해질 용액으로부터의 0.01 M EDOT와 비교하여 유기 용액으로부터 0.1 M EDOT의 전기중합 방법을 입증한다. 수성/ACN 용액에서 10 사이클을 실행하면 LiClO 4/PC 용액에서4 사이클에서 관찰된 것과 비교할 수 있는 PEDOT의 적당한 성장이 초래된다. 그림 1은 수성/ACN에서 전기중합된 EDOT와 유기 용액 간의 뚜렷한 차이를 보여주며, CV를 적용하여 형성된 후속 PEDOT 층이 있습니다. 100mV/s의 스캔 속도로 -0.3V ~ +1.2V(3M NaCl의 Ag/AgCl 대 AgCl)에서 사이클링할 때 폴리머는 두 전해액 모두에서 0.9V에서 산화되기 시작했으며(그림 1A 및 그림 1C), 수성/ACN 용액에서 1V에서 산화 피크가 나타남이 분명합니다.
면밀한 검사시, 4 사이클 후에 유기 용액에서 만들어진 PEDOT 층은 수성/ACN 용액에서 이 전위에서 형성된 PEDOT 층에 대해 보여지는 전류 값(0.23μA)과 비교하여 1.2V에서 더 높은 전류 값(~2.9μA)을 표시합니다. CV 실행 중에 전기 중합 사이클의 수가 증가하면 PEDOT의 새로운 층이 전극 표면에 점진적으로 만들어져 층의 두께가 증가합니다. 이는 0 내지 0.7 V의 전위 범위 사이에서 내부 PEDOT에서 발생하는 산화환원 반응 때문일 수 있다(도 1B 및 도 1D). 도 1B 및 도 1D는 PEDOT 성장을 정확하게 보여주기 위해 더 좁은 전위 범위를 도시한다. 각 그래프의 우측에 있는 전류 밀도 값은 그래프의 좌측에 있는 전류 값을 변형되지 않은 Au 미세전극의 기하학적 표면적(78.5 × 10-8cm2, r=5 × 10-4 cm)으로 나눔으로써 계산하였다.
두 전해액에서 전기중합에 의한 PEDOT 층 형성 효율을 확인하기 위해 SEM 분석을 수행하였다(도 2A-F). SEM으로 촬영 한 이미지는 다른 배율 (4000x, 30000x 및 60000x)으로 선택되었습니다. 베어 및 PEDOT-Au 미세전극의 기하학적 표면적은 이러한 이미지를 사용하여 확립될 수 있다. 도 2A는 베어금 미세전극에 대해 ∼10 μm의 직경을 확인한다; 따라서, 표면적은 10-8cm2 × ∼78.5로 계산된다. Au 미세전극의 표면에서 4 사이클 후에 유기 용액에 형성된 PEDOT 나노구조체의 직경은 ∼40 μm이었다(도 2C, D). 대조적으로, 전극 표면에서의 PEDOT 성장은 전기중합의 10 사이클 후에 더 낮았다. 그것은 중앙에 함몰이있는 전극 둘레의 산악 고분자 특징으로 보입니다 (그림 2E, F).
SEM 이미지는 수성/ACN 시스템과 비교하여 유기 용액에서 PEDOT 성장의 우월성과 콜리플라워 모양의 미세전극으로부터 뻗어나가는 매우 다공성 나노 구조체의 생성에 대한 증거를 제공합니다. 유기 용액으로 제조된 이 PEDOT 미세전극은 감지 응용, 특히 표준 용액 및 우유 샘플에서의 UA 검출에 사용되었다. 도 3 은 베어 Au 마이크로전극 및 PEDOT 센서에서 표준 용액에서 UA의 검출을 위한 CV를 도시한다. UA 검출을 위한 베어 Au 마이크로전극의 성능은 UA가 전극 표면으로의 방사상 확산으로 인해 0.8V보다 높은 전위에서 얻어지는 정상 상태 전류를 특징으로 한다(도 3A). 선형 보정 곡선을 3번의 반복 CV 실행 후 62.5 내지 1000 μM의 UA 농도 범위에 대해 0.8V에서의 평균 전류를 기준으로 플롯팅하였다(도 3B).
보정 곡선 방정식의 기울기를 비교함으로써, PEDOT 마이크로전극은 베어 마이크로전극보다 100배 더 높은 감도를 갖는 것으로 밝혀졌다. 흥미롭게도, 유기 용액으로 만들어진 PEDOT 센서를 사용하여 검출된 UA 범위는 날카로운 양극 피크의 팁에서 전류 값을 측정하여 계산한 6.25 내지 200 μM로 더 낮았다 (도 3C, D). PEDOT 전극에 대한 보정 곡선 데이터는 수정된 전극에 대한 UA의 검출 한계(LOD) 및 정량화 한계(LOQ)를 측정하는데 사용되었다. 보정 곡선의 기울기 방정식 (b) 및 절편(들)의 평가된 표준 오차는 LOD 및 LOQ 값 (95% 신뢰 레벨)-7 μM 및 24 μM-을 각각 측정하기 위해 사용되었다14 - 수학식 1 및 (2)를 이용하여.
LOD = 3s / b (1)
LOQ = 10 초 / b (2)
유기적으로 만들어진 PEDOT 수정 센서의 감도는 중요한 요소입니다. 이는 보정 곡선 기울기를 작동 전극의 기하학적 표면적, 즉 397 μA μM-1 cm-2로 나눔으로써 계산된다.
유기 용액에서 합성된 PEDOT 센서의 또 다른 적용은 실제 샘플, 예를 들어, 규칙적인 신선한 우유 및 선택된 향미료 우유 샘플에서 UA 함량을 분석하는 것이었다(도 4). 이 기술의 장점은 우유 샘플의 UA 수준을 전처리 또는 희석없이 측정 할 수 있다는 것입니다. 이러한 PEDOT-Au 미세전극 센서의 성능은 유기 용액(15)에서 동일한 방법으로 제조된 PEDOT 개질된 유리질 탄소 거대전극(PEDOT-GC)과 비교하였다. PEDOT 마이크로전극을 사용한 0.35V(Ag/AgCl 대 Ag)의 일반 우유에서 UA에 대한 양극 피크 전류는 ~28.4nA였으며, 이는 그림 3D의 보정 곡선 방정식을 사용하여 82.7μM에 해당합니다(y = 0.3x + 2.6,R2 = 0.993). 이 값은 PEDOT-GC15를 사용하여 결정된 정규 우유에서 UA에 대해 ∼83.4 μM이었다. 0.65V에서 일반 우유의 CV 스캔에서 두 번째로 큰 산화 피크 (그림 4A)는 시스테인, 트립토판 및 티로신15,16과 같은 전기 활성 아미노산을 포함한 산화 가능한 화합물과 관련이 있습니다. 일반 우유로부터이 피크의 전류 밀도는 이전에보고 된 PEDOT-GC15를 사용하여 얻은 것보다 200 배 이상 큽니다. 이는 PEDOT 개질된 매크로전극에 비해 PEDOT 층으로 덮인 마이크로전극의 더 민감한 반응을 나타낸다.
카라멜 및 화이트 초콜릿 우유 샘플에 대해 수득된 CV 스캔은 도 4A에서 볼 수 있다. UA의 경우 0.36V에서 선명한 피크를 표시하고 0.56V에서 ~42nA의 추가 피크 전류와 함께 0.66V의 피크와 병합됩니다. 0.56 V에서의 이러한 추가적인 피크는 향이 나는 우유의 성분 중 하나인 바닐산의 존재와 관련될 수 있다. 벨기에 초콜릿 우유 샘플의 CV는 0.26V, 0.36V 및 0.66V에서 양극 피크의 새로운 세트와 0.22V에서의 음극 피크를 나타냅니다. 초콜릿 프로파일은 초콜릿 또는 코코아15에 존재하는 다른 폴리페놀 항산화제와 함께 카테킨 산화 환원 프로파일과 유사합니다. 따라서, 카테킨 산화 및 환원 피크는 각각 0.26 V 및 0.22 V에서 나타난다. 카테킨 피크의 꼬리에서 날카로운 피크로 나타나는 0.36V 피크 전류는 UA 산화로 인한 것입니다. 도 4B는 PEDOT-Au에서 각각 0.35V 및 0.23V에서 넓은 양극 및 음극 피크 전류를 나타내는 콜롬비아 에스프레소 우유 샘플의 CV를 보여주는데, 이는 커피의 주요 페놀 항산화제, 즉 클로로겐산 및 카페산에 기인한다. PEDOT 미세전극의 기하학적 표면적이 PEDOT 거대전극의 기하학적 표면적보다 높기 때문에, 이들 우유 샘플에서 UA 피크의 전류 밀도는 PEDOT-Au15에서 ~150-500배 더 크다.
그림 1: 금 미세전극 상의 PEDOT의 전기중합. (A,B) 수용액 중에서 10 CV 스캔에 의해 제조된 PEDOT (1 mL ACN + 9 mL 탈이온수 중 0.01 M EDOT + 0.1 M LiClO4); 및 (C,D) 유기 전해질 용액 (0.1 M LiClO4/PC의 1 mL 중의 0.1 M EDOT)에서4개의 CV 스캔을 이용한다. B와 D는 PEDOT 전류를 명확하게 시각화하기 위해 A와 C의 확장 버전입니다. 스캔 속도 = 100mV/s. 이 수치는15에서 수정되었습니다. 약어: PEDOT = 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜); CV = 순환 전압전류법; EDOT = 3,4-에틸렌디옥시티오펜; ACN = 아세토니트릴; LiClO4 = 과염소산리튬; Ag = 은; AgCl = 염화은. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: SEM 이미지. (A 및 B) 베어 금 미세전극 (Au). PEDOT 개질된 금 미세전극은 (C 및 D) 유기 용액에서 4 사이클 후에 전기중합 및 (E 및 F) 수용액을 10 사이클 후에 상이한 배율로 전기중합한다. 이 수치는15에서 수정되었습니다. 약어: SEM = 주사 전자 현미경; PEDOT = 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 인산염 완충액, pH 6.6에서 UA의 상이한 농도에 대한 순환 볼타모그램. (A) 베어 골드 미세전극(배경 뺄셈) 및 (C) PEDOT 변형 금 미세전극(배경 뺀 값), 100mV/s의 스캔 속도로 전극을 용액에 삽입한 직후에 측정한 값. (B) 베어 금 미세전극의 UA 농도 대비 0.8V에서의 제한 전류의 플롯. (d) PEDOT 개질된 금 마이크로전극 상의 양극 피크 전류(Ip.a/μA) 대 UA 농도의 플롯. (n=3). 이 수치는15에서 수정되었습니다. 약어: UA = 요산; PEDOT = 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 순환 볼타모그램(배경 빼기). (A) 일반 우유, 벨기에 초콜릿 우유, 캐러멜 및 화이트 초콜릿 우유, (B) 100mV/s에서 PEDOT 개질 금 미세전극(직경 10μm)에 일반 우유 및 콜롬비아 에스프레소 우유. 이 수치는15에서 수정되었습니다. 약어: PEDOT = 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
CV 방법을 사용하면 식품, 와인 및 음료, 식물 추출물 및 생물학적 샘플의 다양한 분석 물질을 빠르고 간단하게 측정 할 수 있습니다. 이 기술은 산화/환원 피크 전위, 표적 분석물의 피크 전류 값(농도에 비례), 각 CV 실행 후의 다른 모든 전류 및 전위 값 등 다양한 데이터를 생성합니다. CV를 사용하는 것은 비교적 쉽지만 수집 된 데이터는 사용 된 전위차체 시스템에 따라 바이너리 파일에서 텍스트 쉼표 형식으로 변환해야하는 경우가 있습니다. 예를 들어, CH 계측기의 경우 각 실행 직후에 데이터를 텍스트 쉼표 또는 CSV 형식으로 저장할 수 있습니다. 이렇게 하면 텍스트를 열로 변환한 후 스프레드시트에서 데이터 분석이 더 쉬워집니다. 우유 또는 UA 표준 샘플의 CV 스캔이 동일한 잠재적 범위에서 수득된 후, 이들은 직접 비교를 위해 단일 그래프 상에 플롯팅되었다. 출판물에 대한 데이터를 표시하기 위해 그래프를 Origin 또는 SigmaPlot으로 플롯 한 다음 TIF 또는 필요한 그래픽 파일 유형으로 내보낼 수도 있습니다.
이 방법의 일반적인 문제점은 CV 추적의 아티팩트일 수 있습니다. 이는 전기 연결 오류로 인해 발생할 수 있는데, 이는 녹슬게 된 연결 클립(즉, 각 전극에 와이어를 부착하는 클립)이나 금 미세전극이 제대로 청소되지 않기 때문일 수 있습니다. 사포를 사용하여 클립에서 녹을 제거하거나 교체하고 미세전극을 다시 세척하고H2SO4용액에 삽입한 후 CV 사이클을 다시 실행하면 문제를 해결할 수 있습니다.
미세전극을 세척하는 것은 이 실험에서 중요한 단계이며, 그렇지 않으면 낮은 전류 신호 또는 잡음을 초래할 수 있다. 미세전극이 매우 깨끗하지 않을 때 기포가 형성될 수 있기 때문에 미세전극을 청소하는 것도 매우 중요하다. 금 산화 및 환원 피크의 위치와 수득된 피크 높이가 일관되고 정확할 때, 전극은 전기 중합을 실행할 준비가 된다. 전위차체 또는 전극 연결부에 결함이 있으면 CV 스캔에 잡음이 발생하거나 출력이 확산 점처럼 나타납니다. 실행하기 전에 모든 전극 연결이 올바르게 연결되었는지, Ag/AgCl 기준 전극의 팁 근처에 가스 버블이 없는지, 전극이 전기화학 전지에 닿지 않는지 다시 확인하는 것이 중요합니다. 클립과 연결 와이어를 교체하거나 기준 전극 팁을 손가락으로 탭하는 것은 유용한 문제 해결 방법이 될 수 있습니다.
PEDOT 전극의 형성 동안, 선택된 전도성 중합체로서, 유기 전해질(PC의 LiClO4) 및 수성 NaClO4 용액은 전기 중합을 실행하기 전에 탈기되어야 한다. 만료되거나 산화되지 않았거나 다른 분석 등급 화학 물질에 의해 오염되지 않은 EDOT 화학 물질을 사용하는 것이 필수적입니다. 전극 표면에 매번 형성되는 신선한 PEDOT 층은 전류 성장 측면에서 다릅니다. 절차가 일정하게 유지되고 전극이 충분히 청소되면 전기 중합의 CV 사이클이 매번 동일한 전류 값으로 증가하여 방법의 정확성과 일관성을 확인합니다. 유기 용액에 사용 된 EDOT 단량체의 양이 수성 / ACN 용액의 EDOT 단량체보다 10 배 높았다는 점도 주목할 가치가 있습니다. 이것은 비교할 수없는 것처럼 보일지 모르지만, 우리의 예비 실험은 수성 0.1 M EDOT 용액이 수성 전해질 용액에서 낮은 용해도로 인해 안정한 PEDOT 층을 형성하지 않았다는 것을 보여 주었기 때문에 바람직하다고 간주되었다. 대조적으로, 유기 용액 중에서 0.01 M EDOT를 사용하여 형성된 PEDOT 층은 0.1 M EDOT 수용액에 비해 전극 표면에서 충분한 성장을 갖지 못하였다. 따라서, 유기 및 수성 전기중합에 사용되는 EDOT 양이 본 연구를 위해 선택되었다.
베어 전극이 사용될 때 CV 방법의 한계 중 하나는 간섭제가 존재할 때 피크를 분리하는 것이 어렵다는 것입니다. 그러나, 이 문제는 PEDOT가 전극 표면을 개질하는데 사용되었을 때 해결되었다. 예를 들어, UA가 우유에서 검출되는 표적 분석물이었을 때, PEDOT의 산화환원 매개 역할로 인해 간섭제인 아스코르브산과 별도로 확인되어 아스코르브산에 대한 더 일찍 잘 분리된 피크를 유도하였다. 동시에, PEDOT 전극을 사용하더라도, 향미우유를 분석할 때, UA에 가까운 산화 전위를 갖는 다른 성분들로부터 UA 피크를 적절하게 분리하는 것은 어려울 수 있으며, 이는 피크의 병합으로 이어진다.
결론적으로, 문제 해결이 간헐적으로 요구될 수 있지만, 전극 표면 상의 CV 및 PEDOT 나노층의 사용은 어떠한 전처리 없이 우유 샘플과 같은 표준 용액 및 복잡한 매트릭스 용액에서 UA와 같은 표적 분석물을 검출하는데 유리하다. 고성능 액체 크로마토그래피 기술에 비해, 이 CV 방법은 빠르며 우유 샘플에서 지방이나 단백질을 제거하기 위해 시간이 많이 걸리는 전처리 단계가 필요하지 않습니다. 또한 PEDOT는 마이크로 전극을 매우 선택적이고 민감하게 만들어 UA 분석을위한 날카로운 피크를 제공합니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없습니다.
Acknowledgments
뉴질랜드 비즈니스, 혁신 및 고용부 (MBIE)가 "고성능 센서"프로그램 내에서 제공 한 자금 덕분입니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Acetonitrile | Baker Analyzed HPLC Ultra Gradient Solvent | 75-05-8 | HPLC grade |
| Alumina polishing pad | BASi, USA | MF-1040 | tan/velvet color |
| Belgian chocolate milk | Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ | _ | Buy from local supermarket |
| Caramel/white chocolate milk | Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ | _ | Buy from local supermarket |
| CH instrument | CH instruments, Inc. USA | _ | Model CHI660E |
| Counter electrode | BASi, USA | MW-1032 | 7.5 cm long platinum wire (0.5 mm diameter) auxiliary/counter electrode, 99.95% purity |
| Disodium hydrogen phosphate (Na2HPO4, 2H2O) | Scharlau Chemie SA, Barcelona, Spain | 10028-24-7 | Weigh 17.8 g |
| DURAN bottle | University of Auckland | _ | The glasswares were made locally at the University of Auckland |
| Electrochemical cell | BASi, USA | MF-1208 | 5-15 mL volume, glass |
| Electrode Polishing Alumina Suspension | BASi, USA | CF-1050 | 7 mL of 0.05 µm particle size alumina polish |
| Espresso milk | Puhoi Valley dairy company, Auckland, NZ | _ | Buy from local supermarket |
| 3,4-Ethylenedioxythiophene (EDOT), 97% | Sigma-Aldrich | 126213-50-1 | Take 10.68 μL from bottle |
| FEI ESEM Quanta 200 FEG | USA | _ | SEM equipped with a Schottky field emission gun (FEG) for optimal spatial resolution. The instrument can be used in high vacuum mode (HV), low-vacuum mode (LV) and the so called ESEM (Environmental SEM) mode. |
| Gold microelectrode | BASi, USA | MF-2006 | Working electrode (10 μm diameter) |
| Lithium perchlorate, ACS reagent, ≥95% | Sigma-Aldrich | 7791-03-9 | Make 0.1 M solution |
| Micropipettes | Eppendorf | _ | 10-100 μL and 100-1000 volumes |
| MilliQ water | Thermo Scientific, USA | _ | 18.2 MΩ/cm at 25°C, Barnstead Nanopure Diamond Water Purification System |
| Propylene carbonate, Anhydrous, 99.7% | Sigma-Aldrich | 108-32-7 | Take 20 mL from bottle |
| Reference electrode | BASi, USA | MF-2052 | Silver/silver chloride (Ag/AgCl) electrode to be kept in 3 M sodium chloride |
| Replacement glass polishing plate | BASi, USA | MF-2128 | Glass plate as a stand to attach the polishing pad on it |
| Sodium dihydrogen phosphate (NaH2PO4, 1H2O) | Sigma-Aldrich | 10049-21-5 | Weigh 13.8 g |
| Sodium hydroxide pearls, AR | ECP-Analytical Reagent | 1310-73-2 | Make 0.1 M solution |
| Sodium perchlorate, ACS reagent, ≥98% | Sigma-Aldrich | 7601-89-0 | Make 0.1 M solution |
| Sulfuric acid (98%) | Merck | 7664-93-9 | Make 0.5 M solution |
| Uric acid | Sigma-Aldrich | 69-93-2 | Make 1 mM solution |
| Whole milk | Anchor dairy company, Auckland, NZ | Blue cap milk, buy from local supermarket |
References
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